Descrizione introduttiva

La continua necessità di ottimizzazione dei propulsori per autotrazione dal punto di vista delle prestazioni e dei consumi, nonché delle emissioni inquinanti e acustiche, richiede la messa a punto di tecniche di simulazione sempre più affidabili e allo stesso tempo di rapida esecuzione.
Un buon compromesso tra accuratezza dei risultati numerici e rapidità di calcolo è oggi garantita dai modelli fluidodinamici monodimensionali. A differenza di quanto si verifica nei più complessi modelli 3D, tale approccio modellistico consente di schematizzare l’intero motore dalla bocca di aspirazione al terminale di scarico e di prevedere con buona accuratezza le curve di prestazione del propulsore (coppia, potenza, consumo specifico) a monte del loro processo di sviluppo. Tale tipologia modellistica ben si presta inoltre ad essere utilizzata accoppiata a strumenti di ottimizzazione numerica (ad esempio ModeFrontier), al fine di pervenire a tecniche di progetto ottimizzato. Software di tipo commerciale basati su modelli monodimensionali sono oggi ampiamente diffusi nell’industria motoristica (GT-Power, Wave, Boost, etc.) e vengono utilizzati per definire le caratteristiche preliminari del propulsore in termini di fasatura, geometrie dei collettori di aspirazione e scarico, scelta di un eventuale sistema di sovralimentazione, etc. Un ulteriore utilizzo di tali software è relativo allo sviluppo delle strategie di controllo elettronico (scelta dell’angolo di anticipo ottimale, regolazione della farfalla, dei sistemi di fasatura variabile e di un eventuale sistema EGR, regolazione dell’apertura della turbina in turbocompressori a geometria variabile, etc.). Infine tali analisi usualmente forniscono le condizioni iniziali e al contorno per l’ulteriore approfondimento delle indagini a calcolo per le analisi fluidodinamiche tridimensionali o per quelle vibroacustiche in problemi di NVH del propulsore e del veicolo.

Obiettivi

Obiettivo del corso è quello di fornire le conoscenze di base e gli strumenti metodologici utili ad affrontare e risolvere con approccio monodimensionale i problemi di fluidodinamica e combustione di interesse motoristico. Le nozioni fornite e gli esempi proposti hanno lo scopo di mettere in luce le principali potenzialità e limitazioni dei modelli di simulazione 1D nella progettazione e sviluppo dei moderni propulsori per autotrazione.
Si fornirà una descrizione metodologica di base dei fenomeni di interesse e si offrirà una panoramica delle caratteristiche dei codici di calcolo oggi presenti sul mercato. Si metteranno in luce in particolare gli aspetti legati al carattere instazionario, turbolento e reagente dei flussi in esame, ed alla eventuale presenza di fenomeni di combustione anomala (detonazione). Si forniranno inoltre elementi di base di turbolenza e di cinetica chimica e si descriveranno i legami esistenti tra la fase di riempimento del cilindro e la successiva fase di combustione. Si farà un cenno inoltre ad opportuni sottomodelli per la predizione delle sostanze inquinanti (CO, HC ed NOx) ed alla possibilità di un calcolo integrato 1D-3D.
Si presenteranno infine alcuni esempi di applicazione delle tecniche di analisi numerica descritte su motori a benzina, e particolare attenzione verrà posta nel descrivere i processi di validazione dei codici in uso, effettuati sulla base di dati acquisiti su motori al banco.

Destinatari

Progettisti di motori a combustione interna che vogliano orientarsi all'uso dei metodi di simulazione numerica 1D, comprendendone caratteristiche e potenzialità utili alla pratica progettuale. Utenti di codici di calcolo commerciali, che intendano approfondire alcuni aspetti termo-fluidodinamici dei processi che hanno luogo in camera di combustione.

Prerequisiti

Data la natura applicativa del corso non sono richieste conoscenze specifiche nel campo dell'analisi numerica. Il corso è rivolto a laureati in ingegneria meccanica o chimica, in fisica o altre discipline scientifiche, ma anche ai diplomati tecnici, qualora essi possiedano una sufficiente cultura matematica e fisica di base. Pur non trattando nel dettaglio i modelli su cui sono basati i codici di simulazione in uso, se ne daranno comunque riferimenti bibliografici, per chi volesse effettuare ulteriori approfondimenti.

Ad ogni partecipante al corso verranno fornite delle dispense/note relative agli argomenti trattati, assieme a copie delle presentazioni in Powerpoint utilizzate durante le lezioni