CFD modeling of oil-jet impingement for piston cooling: detailed thermal analysis and development of heat transfer correlations

The cooling of pistons in internal combustion engines is a critical factor in the optimization of performance, particularly given that the piston is one of the components that experiences the highest levels of thermal and mechanical stress due to its direct contact with the combustion chamber. Consequently, from the point of cooling system design, it is imperative to evaluate the most critical aspects, initially through an initial CFD simulation campaign. This project is supported by studies on the theory of liquid jets and their thermal behavior when they impact a heated wall, which is the piston cooling method in this case study. Subsequently, the primary aspects (and concurrently those most advantageous for the objectives of the thesis) of computational fluid dynamics are introduced. Moreover, an initial CFD simulation campaign was executed for validation using experimental data obtained from the extant literature. This was done in preparation for the construction of heat exchange correlations for a turbulent liquid jet against a heated wall. Finally, the numerical model used to obtain these correlations was applied to simulations on the actual geometry, evaluating the thermal behavior at different engine speeds and angles of inclination.

Il raffreddamento dei pistoni nei motori a combustione interna è un aspetto di primaria importanza quando si è intenzionati ad ottimizzarne le prestazioni, a maggior ragione perchè il pistone è uno dei componenti che subiscono degli stress termici e meccanici tra i più elevati, essendo direttamente a contatto con la camera di combustione. È dunque importante, in ottica di progettazione e design del sistema di raffreddamento, valutare quali sono gli aspetti più critici, in prima istanza attraverso una prima campagna di simulazione CFD. Questo progetto riprende gli studi sulla teoria dei getti liquidi e il loro comportamento termico quando impattano su una parete riscaldata, essendo questo il metodo di raffreddamento del pistone di questo caso studio; in seguito si introducono gli aspetti principali (e al contempo quelli più utili ai fini della tesi) di fluidodinamica computazionale; dopodichè è stata realizzata una prima campagna di simulazione CFD per la validazione attraverso dati sperimentali trovati in letteratura, propedeutica alla costruzione di correlazioni di scambio termico per un getto liquido turbolento contro una parete riscaldata. Infine, il modello numerico utilizzato per ottenere queste correlazioni è stato apportato per le simulazioni sulla geometria reale, valutando il comportamento termico a diverse velocità del motore e a diversi angoli d'inclinazione.