• LES
• mesh
• overset
• STAR-CCM+
• TCC

La tesi tratta lo studio dell’applicabilità dell'overset mesh per l'analisi fluidodinamica dei motori a combustione interna. L’applicabilità è stata valutata in termini di accuratezza e efficienza computazionale (stabilità, scalabilità, robustezza).
L’attività è stata svolta presso il dipartimento di Ingegneria “Enzo Ferrari”, Università degli Studi di Modena e Reggio Emilia.
Tutti i modelli sono stati costruiti con l'utilizzo del software CD-adapco STAR-CCM+.
La prima parte della tesi studia il comportamento delle griglie overset applicate ad un cilindro chiuso semplice, senza valvole o condotti. Un pistone piatto comprime l’aria all’interno del volume chiuso. Durante questa fase sono stati testati diversi parametri di configurazione e condizioni al contorno. Queste simulazioni hanno fornito dati importanti per poter successivamente applicare l’overset mesh ad un motore completo. Inoltre è stato stimato l’errore di conservazione della massa dovuto al processo di interpolazione.
Nella seconda fase l’overset mesh è stata applicata al modello di motore ottico sperimentale TCC-III (transparent combustion chamber). Il motore TCC è stato realizzato da General Motors tramite General Motors University of Michigan Automotive Cooperative Research Laboratory, Engine Systems Division. Per questo motore è disponibile una notevole quantità di dati sperimentali ottenuti tramite tecnica Particle Image Velocimetry (PIV).
Sono stati realizzati quattro modelli del motore TCC, utilizzando due diverse tipologie di griglia (cubica e poliedrica) e due diverse dimensioni di cella all’interno del cilindro (1.0 mm e 0.6 mm). I risultati di questi quattro modelli ottenuti tramite simulazioni RANS, sono stati comparati ai dati sperimentali utilizzando campi di velocità del fluido e allineamento dei vettori velocità.
Il confronto tra i dati delle simulazioni RANS CFD e i dati sperimentali PIV ha mostrato un grande livello di accuratezza nel rappresentare tutte le più importanti strutture turbolente all’interno del cilindro. Anche l’allineamento dei vettori velocità ha mostrato ottimi livelli di accuratezza, pertanto i modelli sono stati considerati validi.
L’ultima fase del lavoro consiste nella preparazione di quattro analisi di tipo LES (Large Eddy Simulations) che utilizzano i quattro modelli validati tramite le simulazioni RANS. I modelli LES richiedono grande costo computazionale per poter risolvere un numero statisticamente valido di cicli. Pertanto questo lavoro di tesi mostra solo risultati parziali di queste simulazioni. I modelli LES sono stati analizzati utilizzando anche due diversi estimatori single-grid, velocità rms e altre caratteristiche fisiche del campo fluido.

This work aims at assessing the applicability of the Overset Mesh technique (also known as Chimera Grid) to Internal Combustion Engine (ICE) flows. Applicability has been evaluated in terms of accuracy and computational efficiency (stability, scalability, robustness). The activity has been developed at the “Enzo Ferrari” Engineering Department of Modena and Reggio Emilia University. All the engine models were built using the software CD-adapco STAR-CCM+. A model built with the overset mesh technique consists of multiple grids, one for each moving element (valves and piston) plus the background grid (representing the cylinder). Boundary information is exchanged between these grids via interpolation of the flow variables. The major drawbacks of the overset technique applied to internal combustion engine are the mass conservation error and the additional computational load introduced by the interpolation process. Overset meshes allow to easily control valves and piston motion while granting remarkable mesh quality in every operating condition. Furthermore, the ease of replacing moving components makes overset mesh a valuable tool in order to optimize valve profiles or piston geometries without generating a new mesh every time a component is modified. In the first phase of this work, overset mesh behaviour was analysed in a simple closed cylinder, with no valves or ducts. A flat piston compresses the air inside this closed volume. Various boundary conditions and software parameters were tested during this phase, providing valuable data for the application of the overset mesh to a complete engine model. Also, the conservation error due to the interpolation process was assessed. In the second phase the overset mesh was tested using the experimental optical engine called TCC-III (transparent combustion chamber) as a reference. The TCC engine work has been funded by General Motors through the General Motors University of Michigan Automotive Cooperative Research Laboratory, Engine Systems Division. This engine provides a valuable amount of experimental data obtained through particle image velocimetry (PIV). Four different TCC models were built, using two grid topologies (hexahedral and polyhedral cell type) and two grid cells size (1.0 mm and 0.6 mm as cell base size inside the cylinder). The results obtained from RANS simulations of these four TCC engine models have been compared to experimental data using flow field field velocity magnitude and velocity vector alignment. The comparison between RANS CFD simulations and the experimental PIV data has shown a very high level of accuracy in the representation of all the most important turbulence structures inside the cylinder. Even vector alignment of CFD simulations has shown a very high level of accuracy in all the swept volume. The last step of this work consisted in the preparation of four Large Eddy Simulations, using all the models tested and validated using previous RANS simulations. The LES models require great computing time in order to solve a significant number of cycles. Therefore, this work includes only the provisional results. The LES models were analysed using also two single-grid estimators, root mean square of velocity and other flow characteristics.