Riassunto analitico
L’obiettivo di questo lavoro di tesi è lo sviluppo di una metodologia che consenta di automatizzare lo studio di simulazioni CFD-3D su base parametrica, mediante l’utilizzo di un software multi-obiettivo. Nello specifico, l’elaborato verte sullo studio di ottimizzazione della geometria di un pistone cavo, esaminando una serie di configurazioni ottenute per mezzo di variazioni parametriche dove a variare sono i parametri geometrici della bowl. Per ognuna di queste configurazioni è stata attuata un’analisi interno cilindro grazie all’appoggio di In-Cylinder, add-on del software Star-CCM+. Le analisi interno cilindro non sono gestite singolarmente ma in maniera collettiva grazie al Design Manager, altra funzionalità dello stesso software, che consente di lanciare in parallelo una serie di simulazioni e automatizzare il processo di ottimizzazione multi-obiettivo.
In merito al motore, lo studio si incentra su motore virtuale da circa 0.6L, GDI e aspirato. Il primo passo è stato quello di creare una geometria parametrizzata del pistone, passando da una configurazione a pistone piatto ad una forma finale che prevedesse una bowl. Passo successivo consiste nell’importare il CAD parametrico nel solutore CFD e creare tutti i presupposti per eseguire una simulazione transitoria con mesh in movimento. Tale simulazione funge quindi da file di riferimento per il Design Manager. Il Design Manager consente di confrontare le diverse configurazioni ottenute e scegliere la geometria che meglio rappresenta il compromesso tra uniformità della carica e turbolenza in camera, al netto di una miscela preferibilmente ricca o stechiometrica in candela. Segue uno studio di approfondimento sulla combustione e infine si integra l’elaborato con un’analisi di detonazione.
L’attività di tesi è stata svolta in collaborazione con il LaboratorioRosso del Dipartimento di Ingegneria ”Enzo Ferrari” dell’Università di Modena e Reggio Emilia.
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Abstract
The aim of this thesis is the development of a methodology that allows to automate the study of CFD-3D simulations on a parametric basis, through a multi-objective software. Specifically, the work focuses on the optimization study of the geometry of a hollow piston, testing a series of configurations obtained by means parametric variations, where geometric parameters of the bowl change. For each of these configurations, an in-cylinder analysis is run thanks to In-Cylinder, an add-on of the software STAR-CCM+. The analysis is not managed individually, but collectively, thanks to the Design Manager, another tool of the same software, which allows to run in parallel a series of simulations and automate the multi-objective optimization project.
Regarding the engine characteristics, the study focuses on a virtual engine with 0.6L, GDI, and aspirated. The first step is to create a parametrized geometry of the piston, switching from a flat piston configuration to a final form with a bowl. The next step consists of importing the parametric CAD file in the CFD solver and set up all the data to run a transient simulation with moving mesh. This simulation acts as a reference file for the Design Manager. The Design Manager lets the comparison of the different configurations and allows the choice of the best trade-off between in-cylinder charge uniformity and turbulence, taking into account a rich or stoichiometric mixture around the spark plug. Following, a study about the combustion is carried out and, finally, the thesis is integrated with an analysis of the detonation.
The thesis activity was carried out in collaboration with the LaboratorioRosso of the “Enzo Ferrari” Engineering Department of the University of Modena and Reggio Emilia. The thesis activity was carried out in collaboration with the LaboratorioRosso of the Department of Engineering of “Enzo Ferrari”, University of Modena and Reggio Emilia.
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