Modellazione tridimensionale dei motori a combustione interna

CFDATA14

Docenti

Prof. Federico PISCAGLIA, Prof. Tommaso LUCCHINI, Ing. Andrea MONTORFANO, Ing. Augusto DELLA TORRE
Politecnico di Milano

Descrizione

Tra le strategie orientate alla definizione di sistemi di propulsione a minimo impatto ambientale, la simulazione numerica ha assunto nell'ultimo ventennio un ruolo predominante; da un lato consente di condurre analisi dettagliate di processi fisici che non possono essere analizzati con misurazioni non intrusive, ma puo’ essere utilizzata anche per testare nuovi layout/configurazioni di progetto in tempi rapidi anche in condizioni limite. In quest’ottica, la simulazione numerica non va intesa come sostitutiva alla tradizionale indagine sperimentale, ma sinergica e compensativa, per aiutare la comprensione e l'interpretazione di teorie ed evidenze sperimentali,  guidando il progettista verso la realizzazione di un limitato numero di prototipi e prove sperimentali da realizzare in fase di rapid prototyping.

Obiettivi

La simulazione numerica nel campo dei motori a combustione interna  ha visto una notevole evoluzione negli ultimi anni, che ha seguito l’evoluzione dei sistemi di calcolo; la presenza sul mercato di calcolatori sempre piu’ veloci a costi sempre piu’ contenuti ha favorito l’impiego nell’industria di simulazioni tridimensionali su larga scala, con livelli di dettaglio che negli anni passati appartenevano alla ricerca di frontiera.
Obiettivo del corso è quello di fornire le conoscenze di base e una panoramica degli strumenti metodologici utili ad affrontare e risolvere con le tecniche piu’ recenti per la simulazione di problemi di fluidodinamica, combustione e della simulazione dei sistemi di after-treatment nei motori a combustione interna.
Dopo aver fornito una breve panoramica sulle diverse finalità della simulazione numerica applicata allo studio dei sistemi di propulsione, il corso sarà finalizzato ad evidenziare i principali aspetti legati alla simulazione multidimensionale dei processi termo-fluidodinamici tipici dei motori a combustione interna, con attenzione alle metodologie da seguire per la definizione della griglia di calcolo, degli schemi numerici e dei modelli fisici generalmente in uso nei codici di calcolo presenti attualemente sul mercato. Si metteranno in luce gli aspetti legati al carattere instazionario, multicomponente, turbolento e reagente dei flussi in esame, ed alla eventuale coesistenza delle fasi gassosa e liquida del combustibile utilizzato.

Contenuti

Introduzione al corso
Motori a combustione interna – principi di funzionamento e considerazioni di carattere generale.  Ruolo della simulazione numerica monodimensionale e multidimensionale nella simulazione dei motori.

• Modellazione delle perdite di carico nelle valvole e nei sistemi di aspirazione

Modellazione del processo di formazione della miscela aria combustibile e della fase di ricambio fluido:

• Griglie di calcolo: scelta ottimale delle tecniche di generazione e di movimento per motori a due tempi e a quattro tempi
• Dipendenza dei risultati dalle griglie di calcolo e scelta dei solutori ottimali
• Modellazione della turbolenza:RANS vs LES, previsione della dispersione ciclica
• Esempi di applicatione

 Modellazione dell’iniezione di combustibile:

• Modellazione multifase (VoF) del processo di atomizzazione primaria e modelli di cavitazione negli iniettori
• Approccio lagrangiano: previsione dei processi di breakup, evaporazione ed interazione con le pareti.
• Modelli di accoppiamento VoF-Lagrangiano
• Modellazione del processo di formazione del wall-film in motori a benzina ad accensione comandata
• Metodologia per la validazione dei modelli di spray ed esempi di applicazione e validazione: spray in volume costante, motore ottico GDI, motore Ottico Diesel

Modellazione del processo di combustione in motori ad accensione comandata

• Modelli a cinetica chimica ridotta
• Approcci numerici per la previsione della fase iniziale del processo di combustione
• Esempi di applicazione e validazione: motore a camera di combustione cilindrica, combustione in volume costante

Modellazione del processo di combustione in motori Diesel

• Approcci a cinetica chimica ridotta e dettagliata
• Combustione PCCI ed HCCI
• Esempi di applicazione: combustione a volume costante e motori Heavy Duty

Formazione delle emissioni inquinanti

• Panoramica degli approcci esistenti per la previsione delle emissioni di NOx, CO e particolato
• Esempi di applicazione: previsione degli NOx nella combustione Diesel, previsione delle emissioni di particolato in motori Diesel, identificazione delle fonti di formazione di particolato in motori ad iniezione diretta di benzina.

Modellazione di sistemi di post-trattamento

• Approcci e livelli di dettaglio per l'analisi CFD dei dispositivi di post-trattamento
• Modellazione fluidodinamica di substrati porosi
• Modellazione dello scambio termico nei substrati catalitici e/o filtranti
• Modellazione delle reazioni chimiche su substrati catalitici
• Studio di sistemi SCR: modellazione spray e wall film 
• Esempi di applicazione: modellazione di TWC, DOC, DPF, sistemi SCR

Modellazione acustica dei silenziatori

• Approcci CFD per la simulazione acustica dei silenziatori
• Approcci CFD semplificati
• Post-processing e analisi dei risultati

Destinatari

Progettisti di motori a combustione interna che vogliano orientarsi all'uso dei metodi di simulazione numerica, 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.

Materiale didattico

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