Development of an automated CFD methodology for the optimization of the gas exchange in high-performance engine

Computational Fluid Dynamics (CFD) has reached a predominant role in the design process of internal combustion engine (ICE). The availability of open-source CFD software offers an even more interesting opportunity in both academic and industrial environments. In the context of the collaboration between Politecnico di Milano and Ferrari S.p.A., this thesis proposes to investigate the potential of OpenFOAM within industrial methodologies. In the particular design process of the intake system of high-performance engine, this thesis work aims at developing an automated CFD methodology for the optimization of the gas exchange processes. Automated means that the procedure has to be capable of operating without the human supervision: this introduces strict requirements of high accuracy and high robustness of the methodology, as it is demonstrated in the analyses carried out in the thesis work. The developed procedure starts from a CFD background methodology for steady-state simulations of compressible flow and it is upgraded and consolidated through the definition of innovative user-defined applications and with the support of the OpenFOAM based library, called Lib-ICE, developed by the Polimi research group of internal combustion engines. Moreover, the methodology has to be fast enough to ensure acceptable computational time from an industrial point of view. For this reason, the developed methodology exploits correlations between steady-state and transient simulations to reduce the computational effort, that is a predominant aspect always considered during the thesis work.

La fluidodinamica computazionale, da Computational Fluid Dynamics (CFD) in inglese, ha raggiunto un ruolo predominante nel processo di progettazione dei motori a combustione interna. La disponibilità di software CFD open-source offre un'opportunità ancora più interessante sia in ambito accademico che in quello industriale. Nel contesto della collaborazione tra il Politecnico di Milano e Ferrari S.p.A., questa tesi si propone di approfondire il potenziale di OpenFOAM all'interno di metodologie industriali. Nel particolare processo di progettazione del sistema di aspirazione dei veicoli high-performance, questo lavoro di tesi si pone l'obiettivo di sviluppare una metodologia CFD automatizzata per l'ottimizzazione dei fenomeni di ricambio fluido. Automatizzata vuol significare che la procedura deve essere capace di operare senza la supervisione umana: questo richiede sia elevata accuratezza e sia elevata robustezza della metodologia, come viene dimostrato dalle analisi svolte durante il lavoro di tesi. La procedura sviluppata parte da una metodologia CFD di background per la simulazione di flussi comprimibili in regime stazionario ed è migliorata e consolidata tramite la definizione di applicazioni innovative user-defined e con il supporto della libreria su base OpenFOAM, chiamata Lib-ICE, sviluppata dal gruppo di ricerca di motori a combustione interna del Polimi. In aggiunta, la metodologia deve essere veloce abbastanza da assicurare un tempo computazionale accettabile dal punto di vista industriale. Per questo motivo, la metodologia sviluppata utilizza correlazioni tra le simulazioni in regime stazionario e transitorio per ridurre il costo computazionale, che ha assunto un ruolo predominante durante tutto il lavoro di tesi.