Development of time-accurate CFD methodologies for dynamic mesh handling in reactive flow computations

The field of Computational Fluid Dynamics has undergone rapid evolution over the last few decades, and it remains a critical tool for engineers and researchers in the present for simulating and analyzing fluid flows across various applications, including aerodynamics, hydrodynamics, biomedical engineering, and environmental science. Despite recent advancements in computing technology, computational time remains a significant bottleneck in transient simulations involving complex phenomena, as very small time steps are required for accurate results. To address this challenge, the use of high-order temporal schemes represents a promising approach to reduce computational time as it allows the usage of larger time steps. This is particularly important in problems with dynamic grids and large boundary movements, where mesh movement can be a limiting factor. In particular, a change in the topology of the grid imposes additional challenges, as introducing the grid velocity in the transport terms of the governing equations is insufficient to ensure conservativeness. In this thesis, a methodology to use second order time differencing schemes in the presence of topology changes that change the number of cells is presented. In particular, the Second Order Backward Euler and Crank Nicolson schemes are considered. Three numerical experiments are provided to illustrate the effectiveness of the presented methodology. First a one-dimensional Uniformly Accelerated Piston case is considered, as it presents an analytical solution. Then, a three-dimensional lid-driven cavity test with a moving region of cells is analyzed and, finally, the methodology is tested on an industrial configuration. A possible application is the simulation of in-cylinder flows in Dual-Fuel Internal Combustion Engines (DFICE), where a higher time accuracy may improve the precision of the fuel-air mixing process. The simulation of DFICE also requires accurate methods to simulate spray injection. For this reason, the final section of the thesis is devoted to the implementation of spray models suitable for dual-fuel combustion. A hybrid spray model that combines the Huh- Gosman breakup model for primary atomization of the liquid core near the injector and the KHRT model for secondary breakup is implemented and extended to work in multiple multihole injector simulations. The spray model is combined to a dynamic flow solver able to handle moving overset grids. Tests on a benchmark dynamic test-case are proposed. Results obtained with different mesh motion techniques are compared and discussed.

Il campo della Dinamica dei Fluidi Computazionale ha subito un'evoluzione rapida negli ultimi decenni, e rimane uno strumento critico per ingegneri e ricercatori nel presente per simulare e analizzare i flussi di fluido attraverso varie applicazioni, incluse l'aerodinamica, l'idrodinamica, l'ingegneria biomedica e la scienza ambientale. Nonostante i recenti avanzamenti nella tecnologia informatica, il tempo computazionale rimane un collo di bottiglia significativo nelle simulazioni transitorie che coinvolgono fenomeni complessi, poiché sono richiesti passi temporali molto piccoli per risultati accurati. Per affrontare questa sfida, l'uso di schemi temporali di ordine superiore rappresenta un approccio promettente per ridurre il tempo computazionale poiché consente l'utilizzo di passi temporali più grandi. Questo è particolarmente importante nei problemi con griglie dinamiche e grandi movimenti di confine, dove il movimento della mesh può essere un fattore limitante. In particolare, un cambiamento nella topologia della griglia impone sfide aggiuntive, poiché l'introduzione della velocità della griglia nei termini di trasporto delle equazioni governative è insufficiente per garantire la conservatività. In questa tesi, viene presentata una metodologia per utilizzare schemi di differenziazione temporale di secondo ordine in presenza di cambiamenti di topologia che modificano il numero di celle. In particolare, vengono considerati gli schemi Second Order Backward Euler e Crank Nicolson. Tre esperimenti numerici sono forniti per illustrare l'efficacia della metodologia presentata. Prima viene considerato un caso di un pistone uniformemente accelerato unidimensionale, poiché presenta una soluzione analitica. Poi, viene analizzato un test di una cavità trascinata da un coperchio tridimensionale con una regione in movimento di celle e, infine, la metodologia è testata su una configurazione industriale. Una possibile applicazione è la simulazione dei flussi interni al cilindro in Motori a Combustione Interna Dual-Fuel (DFICE), dove una maggiore accuratezza temporale può migliorare la precisione del processo di miscelazione del combustibile con l'aria. La simulazione di DFICE richiede anche metodi accurati per simulare l'iniezione di spray. Per questa ragione, la sezione finale della tesi è dedicata all'implementazione di modelli di spray adatti per la combustione dual-fuel. Un modello di spray ibrido che combina il modello di rottura di Huh-Gosman per l'atomizzazione primaria del nucleo liquido vicino all'iniettore e il modello KHRT per la rottura secondaria è implementato ed esteso per funzionare in simulazioni multiple di iniettori multibuchi. Il modello di spray è combinato a un risolutore di flusso dinamico in grado di gestire griglie overset in movimento. Sono proposti test su un caso di test dinamico di riferimento. I risultati ottenuti con diverse tecniche di movimento della mesh sono confrontati e discussi.