Multi-dimensional simulation of intake and exhaust systems for internal combustion engines

Multi-dimensional Computational Fluid Dynamics (CFD) techniques applied to Internal Combustion Engines (ICE) problems are the subject of the present work. In the first part, an original approach for the simulation of wallflow Diesel Particulate Filters (DPF) by the Finite Volume Method is presented. Filtrating walls are modeled as porous membranes with an associated pressure drop term, while monolith channels are simplified as one-dimensional arrays of FV cells. By this method, it is possible to simulate within the same fluid domain both the full-scale particulate trap and the inlet-outlet pipes. Results are obtained both at the global scales and at the filter channel scale. The model includes also particulate matter transport and deposition in order to study the filter loading cycle. Simulations have been validated by comparison against experimental data. The solver exhibits great accuracy both in terms of global quantities and at channel-scale level and also very good predictivity. In the second part, Large Eddy Simulation of the ERCOFTAC test case n. 83 (wall-mounted hump) is presented. The purpose is to study the influence of some setup parameters on a channel flow case with separation. In particular, the influence of the inlet boundary condition is investigated, by comparing the following models: fixed velocity profile, mapping plane and synthetic turbulence generation. Simulations results are validated against reference measurements, showing some discrepancies. The influence of near wall mesh and subgrid model is discussed as well.

Il soggetto del presente lavoro di tesi è l'applicazione di tecniche di fluidodinamica computazionale (CFD) allo studio di componenti per motori a combustione interna. Nella prima parte viene presentato un approccio originale per la modellazione di filtri antiparticolato (DPF), sviluppato mediante il metodo dei volumi finiti. Le pareti filtranti sono riprodotte come superfici porose a cui è associato un termine resistenza fluidodinamica, mentre i canali del filtro sono semplificati come file monodimensionali di celle. Con tale metodo, è possibile simulare in un solo dominio sia il monolite del filtro che i condotti di scarico nei quali lo stesso è inserito, e si ottengono risultati sia a livello globale che di dettaglio nei canali del filtro. Il modello include anche il trasporto e la deposizione del particolato per studiare i cicli di caricamento della trappola. Il solutore è stato validato estensivamente mediante confronto con dati sperimentali e ha mostrato grande accuratezza e ottime capacità predittive. La seconda parte della ricerca è basata su simulazioni "Large Eddy" (LES) del test-case 83 del database ERCOFTAC ("wall-mounted hump"). Lo scopo è studiare l'influenza di alcuni parametri di simulazione sui risultati finali, in particolare l'influenza della condizione al contorno di inflow. Le seguenti condizioni sono state testate: profilo fisso, piano mappato e turbolenza sintetica. I risultati delle simulazioni sono stati validati mediante confronto con dati sperimentali e hanno mostrato alcune discrepanze. Infine, è stata discussa l'influenza sia del modello di sottogriglia, sia della discretizzazione spaziale.