CFD simulation methodology for Wankel engines

This thesis focuses on the development of a methodology suitable for the fluid dynamics simulation of Wankel engines using OpenFOAM 8 software. After an initial introduction to the Wankel rotary engine, primarily focused on small-sized engines for unmanned aerial vehicles (UAVs) and range extenders, the study of the fundamental equations for describing its geometry and kinematics was carried out, followed by the implementation of a procedure for generating the calculation grid. This method was developed for both a simplified single-chamber configuration and a complete three-chamber configuration. The method was implemented by creating new utilities specific to this type of engine, which were subsequently integrated into the OpenFOAM Lib-ICE, a library developed by the ICEgroup research group at Politecnico di Milano. Once the grid generation model was validated, it was used for a preliminary analysis of the engine. However, due to specific issues related to the stability of simulations for this engine, considerable efforts were made to ensure the convergence and stability of these. Therefore, the final part of the work is focused on a gas dynamic analysis of the engine and the differences between the single chamber and three-chamber configurations, while combustion and injection studies were not addressed. More comprehensive and detailed studies, including thermal modeling of the engine and comparison with additional experimental data, are necessary for a better characterization of the engine.

Il presente elaborato è incentrato sullo sviluppo di una metodologia adatta alla simulazione fluidodinamica dei motori Wankel utilizzando il software OpenFOAM 8. Dopo un'iniziale introduzione sul motore rotativo di tipo Wankel, incentrata principalmente su motori di piccole dimensioni per veicoli aerei senza pilota (UAV) e range extenders, si è passati allo lo studio delle equazioni fondamentali per la descrizione della sua geometria e della sua cinematica, per poi implementare un procedimento per la generazione della griglia di calcolo. Quest'ultimo è stato sviluppato sia per una configurazione semplificata a camera singola, che per una completa, ossia a 3 camere. Questo metodo è stato implementato creando nuove utilities specifiche per questo tipo di motore che, successivamente sono state inserite nella libreria di OpenFOAM Lib-ICE, sviluppata dal gruppo di ricerca ICEgroup del Politecnico di Milano. Una volta validato il modello per la generazione della griglia, quest'ultimo è stato utilizzato per un analisi preliminare del motore. Tuttavia, a causa di problematiche specifiche di questo motore relative alla stabilità delle simulazioni, numerosi sforzi sono stati impiegati per assicurare la convergenza e la stabilità di queste ultime. Per questo motivo, la parte finale del lavoro è focalizzata su un'analisi gasdinamica del motore e sulle differenze tra la configurazione a singola camera e quella completa, mentre la combustione e lo studio dell'iniezione non sono stati trattati. Studi più completi e dettagliati, che includano anche la modellazione termica del motore e il confronto con ulteriori dati sperimentali, sono necessari per una caratterizzazione migliore di quest'ultimo.