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• iniezione
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Questa tesi si propone di validare l’impiego del software open-source OpenFOAM per l’analisi del processo di lavaggio e iniezione in un motore due tempi a pistoni contrapposti, alimentato a idrogeno. Il motore analizzato è un monocilindrico da 0.95 L, in grado di erogare una potenza di 32.6 kW a 3000 rpm. A tal fine, è stato adottato un approccio metodologico strutturato, articolato in diverse fasi.

In primo luogo, le geometrie del motore, precedentemente sviluppate in SolidWorks e fornite in formato STL, sono state elaborate mediante il software open-source Blender, impiegato come strumento di pre-processing per la pulizia e l’ottimizzazione della geometria prima della fase di discretizzazione in OpenFOAM. Successivamente, è stata generata una mesh ibrida combinando i meshatori interni di OpenFOAM, blockMesh e snappyHexMesh.

Per la simulazione fluidodinamica, sono stati adottati strumenti forniti dall’Internal Combustion Engine Group del Politecnico di Milano, tra cui una strategia di movimentazione della mesh del cilindro e un solutore avanzato in grado di gestire miscele di fluidi multicomponente. Tuttavia, un aspetto centrale del presente lavoro ha riguardato l’adattamento e l’integrazione di questi strumenti, affinché potessero essere applicati in modo efficace all'analisi del motore in esame.

In aggiunta, sono state sviluppate diverse funzioni in C++ durante il pre-processing, finalizzate all'analisi dettagliata dei fenomeni fluidodinamici. In particolare, queste funzioni consentono di calcolare le portate massiche attraverso le luci di aspirazione e scarico, monitorare la variazione della massa nei volumi di aspirazione, cilindro e scarico, determinare il rapporto di swirl all'interno della camera di combustione in modo dinamico, nonché stimare il valore medio e la varianza del rapporto di equivalenza nel cilindro. Inoltre, è stata implementata una funzione dedicata all'esportazione dei dati in formato .csv, facilitando così l'analisi e l'elaborazione dei risultati. Parallelamente, sono state sviluppate funzioni di tipo coded in OpenFOAM, volte a ottimizzare la gestione della simulazione. Tra queste, si annoverano: la regolazione automatica dell'ampiezza del time-step in funzione dell’intervallo angolare simulato, l’interruzione automatica della simulazione a un determinato time-step, la reinizializzazione delle specie chimiche e la corretta impostazione dei valori di pressione e temperatura nel cilindro, necessaria per l'esecuzione di analisi multiciclo.

Le condizioni al contorno, derivate da simulazioni CFD 1D eseguite in GT-Power, sono state impiegate insieme alle condizioni iniziali nel dominio fluidodinamico per analizzare il processo di lavaggio mediante indicatori quali delivery ratio, trapping efficiency e charging efficiency.
In seguito, è stato implementato il processo di iniezione diretta a bassa pressione, valutando diverse strategie volte a ottimizzare l’intrappolamento dell’idrogeno nel cilindro e a migliorarne la distribuzione all’interno della camera di combustione.

I risultati ottenuti forniscono una base solida per l’impiego di OpenFOAM nello studio di motori (ICE) a idrogeno, evidenziandone il potenziale per l’analisi avanzata dei fenomeni fluidodinamici.

This thesis aims to validate the use of the open-source software OpenFOAM for the analysis of the scavenging and injection processes in a hydrogen-fueled, opposed-piston, two-stroke engine. The analyzed engine is a single-cylinder unit with a displacement of 0.95 L, capable of delivering a power output of 32.6 kW at 3000 rpm. To achieve this goal, a structured methodological approach was adopted, divided into several key phases. Initially, the engine geometries, previously developed in SolidWorks and provided in STL format, were processed using the open-source software Blender. Blender was employed as a pre-processing tool to clean and optimize the geometry before the discretization phase in OpenFOAM. Subsequently, a hybrid mesh was generated by combining OpenFOAM's internal meshing utilities, blockMesh and snappyHexMesh. For the CFD simulation, tools provided by the Internal Combustion Engine Group of Politecnico di Milano were utilized, including a cylinder mesh motion strategy and an advanced solver capable of handling multicomponent fluid mixtures. However, a crucial aspect of this work was the adaptation and integration of these tools to effectively apply them to the engine analysis. Additionally, several C++ functions were developed during the pre-processing phase to enable a detailed analysis of fluid dynamic phenomena. Specifically, these functions allow for the calculation of mass flow rates through the intake and exhaust ports, monitoring of mass variation in the intake, cylinder, and exhaust volumes, dynamic determination of the swirl ratio within the combustion chamber, as well as the estimation of the mean and variance of the equivalence ratio in the cylinder. Furthermore, a dedicated function was implemented to export the computed values in .csv format, facilitating data analysis and post-processing. At the same time, coded functions in OpenFOAM were developed to optimize simulation management. These include automatic time-step adjustment based on the simulated crank angle interval, automatic simulation termination at a predefined time-step, species reinitialization, and the proper setting of pressure and temperature values in the cylinder, necessary for multi-cycle analyses. The boundary conditions, derived from 1D CFD simulations performed in GT-Power, were employed along with the initial conditions in the fluid domain to analyze the scavenging process using key indicators such as delivery ratio, trapping efficiency, and charging efficiency. Subsequently, a low-pressure direct injection process was implemented, evaluating different strategies aimed at optimizing hydrogen trapping in the cylinder and improving its distribution within the combustion chamber. The results obtained provide a solid foundation for the use of OpenFOAM in the study of hydrogen-fueled internal combustion engines, demonstrating its potential for advanced fluid dynamics analysis.