1D modelling of unsteady flows in IC engine ducts by CG-TVD numerical methods

The focus of this master thesis is to improve the efficiency and the accuracy of the simulations done through the GASDYN software developed by the Energy Engineering Department of Politecnico di Milano. In order to do so, a new version of the Gascòn-Corberàn TVD numerical method has been implemented; more in detail the staggered version with variable heat capacity ratio. This new method combines the advantages related to the staggered mesh and the ones to the variable heat capacity ratio which is be more accurate in evaluating the transport of species. Furthermore, it has been compared the new method with the 1D cell method in order to evaluate whether or not the CGTVD staggered with variable heat capacity ratio (CGTVD ISP STG) can be used as a fast simulation method, operating correctly even with loose meshes, hence reducing the computational time. The second innovative contribution is about the implementation of the shock tube subroutine directly inside the GASDYN code, which from now on could be chosen directly through the pre-compiler setting, and won’t be any longer needed to use a different program. This second advancement is particularly useful for preliminary testing new numerical methods performances in the future. This problem represents in fact a challenging situation for numerical solver and has the advantage of having an analytical solution. Moreover, thanks to the conditional compilation the performances in terms of computational time will be not affected. To validate the method three types of comparisons have been performed. Firstly, the shock tube instrument has been used in order to grasp the similarities and differences between the CGTVD ISP STG and the already implemented methods like the other versions of the Gascòn-Corberàn and a finite volume method called 1D-cell. Secondly, it has been evaluated the behavior of the new method on a one cylinder engine analyzing the output on a specific duct fixing the operating point. Thirdly, it has been compared the results of the simulations on a real three cylinder ICE, showing the results both in terms of thermodynamic quantities and overall engine’s performances. Lastly, the method has been tested on the same engine in FSM configuration with loose meshes. After all the analysis it can be concluded that the new method implemented has a better behavior in the case of discontinuity and it has less spurious oscillations respect the 1D cell method, especially in harsh cases like the shock tube simulation. Respect to the other CGTVD methods it can be concluded that the accuracy is improved, however the method suffers from an external poor calculation of the boundary conditions that it typical of all ISP methods; this issue penalizes the overall simulation performance, by causing a mass loss

L’obiettivo di questa tesi magistrale è di migliorare l’efficienza e l’accuratezza delle simulazioni fatte tramite il software GASDYN sviluppato dal Dipartimento di Energia del Politecnico di Milano. Per raggiungere tale scopo, è stata implementata una nuova versione del metodo numerico Gascòn-Corberàn TVD. Nel dettaglio, è stata creata una versione staggered con trasporto di specie e coefficiente di dilatazione adiabatica variabile. Questo nuovo metodo combina i vantaggi legati alla mesh staggered e quelli legati al rapporto dei calori specifici variabile, risultando più accurato nel valutare il trasporto di specie. Inoltre, è stato comparato il nuovo metodo con il metodo 1D cell, così da valutare se il CGTVD ISP STG potesse o meno essere utilizzato come Fast Simulation Method, operando correttamente con mesh lasche, riducendo così il tempo computazionale. Il secondo contributo innovativo è stata l’implementazione di una subroutine shock tube direttamente all’interno del codice GASDYN, che da ora in poi può essere scelta attraverso le impostazioni del pre-compilatore, non affidandosi più ad un programma esterno. Questo secondo miglioramento sarà particolarmente utile nel testare nuovi metodi numerici in futuro. Questo problema è infatti critico per i metodi numerici, pur presentando una soluzione analitica. Inoltre, grazie alla compilazione condizionale, i tempi di simulazione non vengono intaccati. Per validare il metodo tre tipi di comparazione sono stati effettuati. In primis, è stato utilizzato lo shock tube per evidenziare somiglianze e differenze tra CGTVD ISP STG e i metodi già implementati, come ad esempio le altre versioni di Gascòn-Corberàn e il metodo a volumi finiti 1D cell. Secondariamente è stato valutato il comportamento del nuovo metodo su un motore monocilindrico, analizzando gli output su un condotto specifico a regime e carico fissati. Sono poi stati confrontati i risultati delle simulazioni su un motore reale tre cilindri, mostrando i risultati sia in termini di variabili termodinamiche, sia in termini di performance generali del motore. Infine, il metodo è stato testato testato sullo stesso motore in configurazione FSM con mesh lasche. In luce delle analisi svolte si può concludere dicendo che il nuovo metodo implementato ha un migliore comportamento in caso di discontinuità e presenta meno oscillazioni spurie rispetto al metodo 1D cell, specialmente in condizioni critiche come il caso dello shock tube. Rispetto agli altri metodi CGTVD si può concludere che l’accuratezza è migliorata; tuttavia, il metodo risente dell’accoppiamento con le condizioni al contorno poco accurato per via di un approccio alle ultime non rigoroso; questa problematica penalizza il risultato delle simulazioni per via di una perdita di massa.