Riassunto analitico
Il lavoro di questa tesi di laurea magistrale riguarda la modellazione, mediante il software CFD 3D STAR-CD, di un ciclo Otto all’interno di un moderno motore a combustione interna, turbocompresso e ad iniezione diretta. La prima parte del lavoro riguarda la comparazione dei risultati ottenuti da simulazioni con setup identici ma utilizzando due versioni del software in questione. Durante lo svolgimento della seconda parte, l’enfasi è stata posta sulla messa a punto del modello di combustione “G-equation” implementato all’interno del software STAR-CD. Poiché i risultati ottenuti in prima battuta non sono sembrati soddisfacenti, è stata scritta una routine in linguaggio FORTRAN per il calcolo della velocità di fiamma turbolenta, al fine di una migliore modellazione fisica del problema. Per fare ciò, oltre che una revisione della letteratura sullo stato dell’arte dell’implementazione di tale modello, è stata scritto un modello di sviluppo del kernel di fiamma a partire dall’accensione per scintilla. Il modello di combustione G-equation prevede, a partire dall’ultima release disponibile, la possibilità di utilizzare un meccanismo di cinetica chimica per predire l’eventuale auto accensione della carica durante il ciclo motore. Il meccanismo utilizzato, ottenuto riducendo il più completo meccanismo LLNL, prevede 73 specie e 296 reazioni, ed è utilizzabile per modellare iso-ottano, neptano, o una miscela dei due in qualsiasi percentuale (altrimenti riferita come PRF). La propagazione del fronte di fiamma turbolento viene descritto esclusivamente da G-equation, pertanto lo scopo principale dell’utilizzo dello schema chimico è quello di calcolare il tempo di auto accensione della miscela incombusta. Dunque, nella terza parte di questo lavoro è stata sviluppata una metodologia per l’analisi della detonazione in maniera qualitativa. Sono stati inoltre definiti ed analizzati diversi parametri per potere quantificare l’intensità della detonazione, utilizzando le simulazioni con chimica dettagliata. Infine, i modelli trattati sono stati validati utilizzando i dati sperimentali di un motore attualmente in produzione, ottenendo un’ottima correlazione. I risultati riportati del lavoro svolto, sono stati ottenuti durante il periodo di internship presso Ferrari S.p.a.
|
Abstract
The work of this master's thesis regards the modeling, through the STAR-CD 3D CFD software, of an Otto cycle inside a modern internal combustion engine, turbocharged and with direct injection. The first part of the work concerns the comparison of the results obtained from simulations with identical setups but using two versions of the software. During the second part, the emphasis was on setting up the "G-equation" combustion model implemented within the STAR-CD software. Since the results obtained in the first instance did not seem satisfactory, a routine in FORTRAN language was written for the calculation of the turbulent flame speed, in order to improve the physical modeling of the problem. To do this, beyond a revision of the literature on the state of the art regarding the implementation, a flame kernel development model was written. Starting from the last available release, the G-equation combustion model provide the feature of using a chemical kinetic mechanism to predict the possible self-ignition of the charge during the engine cycle. The mechanism used, obtained by reducing the most complete LLNL mechanism, provides 73 species and 296 reactions, and can be used to model iso-octane, n-heptane, or a mixture of the two in any percentage (otherwise referred to as PRF). The propagation of the turbulent flame front is described exclusively by G-equation, thus the main purpose of using the chemical scheme is to calculate the auto-ignition time of the unburnt mixture. Therefore, in the third part of this work, a methodology for the analysis of detonation was developed in a qualitative manner. Several parameters were also defined and analyzed in order to be able to quantify the knock intensity, using the simulations with detailed chemistry. Finally, the treated models were validated using the experimental data of an engine currently in production, obtaining excellent correlation. The results of the work carried out were obtained during the internship period at Ferrari S.p.a.
|
