Development of a CFD methodology for the simulation of split-cycle engines with focus on mesh generation for the gas exchange process

The reduction of emissions, particularly of transportation vehicles, has become one of the main priorities that the automotive industry has to face. This brings the need to develop and explore both new solutions as well as those that have not yet been implemented into industrial production. The split-cycle engine concept is one solution that has recently regained the attention of both academic and industrial researchers due to its potential brake thermal efficiency, which can reach almost 60%. This thesis aims to better study the influence of meshing parameters, especially for what concerns the passage valve channel of a split-cycle engine. A new meshing method with oriented cells in valve channel for full-cycle simulation using OpenFOAM CFD software is also proposed. The initial 2D axial symmetric simulations of a generic intake valve confirmed the influence of the refinement inside the valve channel and the different effects in the case of supersonic or subsonic flow. Furthermore, the study revealed that the boundary layer has a notable impact, particularly in subsonic cases. The newly developed meshing method is then demonstrated to be faster than the actual one present in the LibICE code. The generated mesh is used to conduct some preliminary simulations of the intake phase. It is demonstrated that the initial supersonic phase is well predicted, but the pressure oscillations in the late intake phase are not well captured, as in available mono-dimensional simulations. It is supposed that the numerical pressure wave reflection on the inlet patch can play a role in this regard. Therefore, different configurations were explored changing the length of intake duct or limiting reflections using a particular boundary condition of OpenFOAM code.

La riduzione delle emissioni, in particolare dei veicoli da trasporto, è diventata una delle principali priorità che l'industria automobilistica deve affrontare. Ciò ha spinto a sviluppare ed esplorare sia nuove soluzioni sia quelle che non sono ancora state implementate nella produzione industriale. Il concetto di motore split-cycle è una delle soluzioni che ha ripreso ad attirare l'attenzione dei ricercatori sia accademici che industriali grazie alla sua efficienza termica che può raggiungere potenzialmente quasi il 60%. Questa tesi si propone di studiare l'influenza dei parametri di meshatura, soprattutto per quanto riguarda il canale della valvola di passaggio di un motore split-cycle. Viene inoltre proposto un nuovo metodo di meshatura con celle orientate nel canale della valvola, per la simulazione a ciclo completo utilizzando il software CFD OpenFOAM. Le simulazioni 2D assialsimmetriche preliminari di una generica valvola di aspirazione hanno confermato l'influenza del raffinamento all'interno del canale della valvola e il diverso effetto in caso di flusso supersonico o subsonico. È stato inoltre rilevato che lo strato limite gioca un ruolo importante soprattutto nei casi subsonici. Il nuovo metodo di meshatura elaborato è stato dimostrato essere più veloce di quello attualmente presente nel codice LibICE. La mesh generata è stata utilizzata per eseguire alcune simulazioni preliminari della fase di aspirazione. È stato provato che la fase supersonica iniziale viene correttamente riprodotta, mentre le oscillazioni di pressione nella fase finale dell'aspirazione non sono state ben catturate così come nelle simulazioni monodimensionali disponibili. Per questo, si suppone che possa giocare un ruolo importante la riflessione numerica delle onde di pressione sulla zona di ingresso. Sono state quindi esplorate diverse configurazioni modificando la lunghezza del condotto di aspirazione o limitando le riflessioni con una particolare condizione al contorno presente nel codice OpenFOAM.