Analisi CFD dei processi di ricambio fluido e formazione della miscela aria combustibile in motori alimentati ad idrogeno

This thesis is focused on the 3D CFD modeling of internal combustion engines by means of the OpenFOAM code. In particular, the study focused on the validation of different methods for the generation of computational grids and on their interaction with the turbulence models adopted. To this purpose some preliminary simulations of motored engine cycles have been performed adopting mesh deformation and field remapping techniques. The simulations were conducted considering a Hydrogen-fueled engine, namely the Sandia SOpHy, characterized by direct injection of gaseous fuel. The results of the calculations were then compared with detailed experimental measurements made and provided by the Engine Combustion Network (ECN). The flow fields and the hydrogen distribution inside the cylinder have been investigated, considering the interaction between the fuel jet coming from the injector nozzle and the motion of the gas already present in the combustion chamber. This phase of the work allowed a good comprehension of the issues related to the interaction between grid generation and turbulence models providing some guidelines for the last part of the simulation work. In particular, this last phase involved the simulation of a BMW PFI engine with cryogenic hydrogen injection. Based on the validation performed in the first part, some predictions have been carried out in order to evaluate the in-cylinder velocity and pressure fields and the distribution of chemical species. Some of the computed data have been then compared to the experimental measures provided by BMW.

In questo lavoro di tesi sono state affrontate alcune tematiche inerenti la fluidodinamica computazionale applicata ai motori a combustione interna. Lo studio si è concentrato sulla validazione di metodologie di generazione del dominio di calcolo e dell'interazione di questo con la modellazione della turbolenza. A questo scopo sono state eseguite alcune simulazioni preliminari di cicli motore trascinati coinvolgenti griglie mobili e deformabili. Esse sono state condotte sulla geometria di un motore, il SANDIA SOpHy, alimentato ad iniezione diretta di idrogeno gassoso; per i calcoli è stato utilizzato il software OpenFOAM e i risultati ottenuti sono stati poi confrontati con dettagliate misure sperimentali, realative al suddetto motore, messe a disposizione dall'Engine Combustion Network (ECN). Sono stati studiati i campi di moto e la distribuzione del combustibile all'interno del cilindro, valutando l'interazione tra il getto di combustibile proveniente dall'iniettore e il moto dei gas già presenti in camera di combustione. Dalla validazione dei modelli e dalle informazioni ottenute in questa prima parte del lavoro sono state estratte delle linee guida che hanno fatto da base di partenza per le successive simulazioni. I calcoli della seconda e ultima fase sono stati eseguiti su un motore BMW alimentato con iniezione criogenica indiretta di idrogeno. Sulla base delle validazioni eseguite nella prima parte, ci si è proposto di fare delle previsioni sulla geometria fornita da BMW in termini di campi di moto, pressione e distribuzione delle specie chimiche.