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La dinamica dei fluidi computazionale (CFD) è una disciplina ingegneristica che si pone l’obbiettivo di risolvere complessi problemi relativi al flusso dei fluidi, attraverso metodi numerici ed algoritmi che rendono risolvibili i set di equazioni che governano la fisica ed ai quali talvolta non esiste soluzione esatta.
In questo modo è possibile effettuare analisi che permettono poi di ottimizzare i design del sistema studiato per ottenere vantaggi notevoli su molteplici aspetti quali per esempio l’incremento di potenza, la maggiore efficienza della combustione o la riduzione degli inquinanti emessi.
Gli studi proposti in questa tesi sono permessi da anni di sviluppi nell’ambito della CFD, con importanti miglioramenti dei modelli fisici presenti e della potenza computazionale degli elaboratori. Tutto ciò garantisce una miglior comprensione dei flussi in gioco e dunque possibilità di analisi molto accurate, design innovativi ed importanti riduzioni nei tempi enei costi di sviluppo.
La tesi prevede un processo di analisi e correlazione di iniezioni di carburante per motori a combustione interna ad alte prestazioni, in modo da poter realizzare un confronto prestazionale tra due differenti solutori 3D-CFD quali “CONVERGE” e “STAR-CCM+” rispettivamente proprietà di CONVERGENT Science e Siemens. Il lavoro è sviluppato in 3 parti ed in ognuna di queste sono realizzate simulazioni, nelle stesse condizioni di lavoro, per entrambi i programmi.
La prima analisi riguarda lo studio di un caso di riferimento per la definizione del film di combustibile prodotto, in seguito a 100 iniezioni consecutive, nel condotto di aspirazione di un motore PFI. Qui è stata realizzata un’analisi volta a riprodurre la morfologia del film accumulato e lo spessore di quest’ultimo, come riportato nell’articolo analizzato, in modo da ottenere un modello valido per le analisi future.
Nel secondo caso, l’obbiettivo è stato sempre quello di riprodurre i risultati di un articolo scientifico di riferimento nel quale sono realizzate una serie di iniezioni in un volume chiuso, a forma di cupola con base piatta. Qua le condizioni operative sono quelle tipiche di un motore GDI e lo studio prevede la definizione di spessore e larghezza assunte dalle fasi liquida e gassosa dello spray sulla base. Per entrambi i software si è cercato di riprodurre le curve sperimentali proposte, ponendo attenzione a rappresentare correttamente anche l’evoluzione temporale della superficie di vapore ed ottenere così un modello di partenza valido per lo studio finale.
L’ultima parte della tesi prevede dunque lo studio della “mixture preparation” in un motore GDI prodotto dall’azienda. Grazie alla validazione dei modelli precedentemente testati, siamo in grado di eseguire un confronto accurato tra CONVERGE e STAR-CCM+ In-Cylinder (tool aggiuntivo di Siemens per le analisi interno cilindro), dei processi aventi luogo all’interno del cilindro, della formazione ottimale di miscela e della presenza di strati liquidi e film sulle pareti.
Lo studio ha dunque mostrato l’accuratezza con cui, questi software, sono in grado di prevedere i vari fenomeni in gioco. Alcuni elementi di studio presentano interessanti differenze, dovute ai diversi codici ed alla diversa risoluzione matematica della fisica, tuttavia si nota come i risultati siano molto simili tra i due programmi e come non siano presenti nette differenze.
Il lavoro di tesi è stato realizzato in collaborazione con “Ilmor Engineering Ltd.” nella sede di Quarry Road, Brixworth, Northamptonshire, NN6 9UB, UK.

Computational fluid dynamics (CFD) is an engineering discipline that aims to solve complex fluid flow problems thanks to numerical methods and algorithms that make it possible to solve sets of equations that govern physics and to which there is, sometimes, no exact solution. In this way, it is possible to carry out analysis that then allow us to optimise all our designs in order to obtain considerable advantages in multiple aspects such as increased power, greater combustion efficiency or reduced pollutant emissions. The studies proposed in this thesis are allowed by years of developments in CFD, with major improvements in the physical models present and the computational power of the processors. All this guarantees a better understanding of the flows and thus the possibility of highly accurate analysis, innovative designs and major reductions in development time and costs. This work involves a process of analysis and correlation of fuel injections for high-performance internal combustion engines, in order to realise a performance comparison between two different 3D-CFD solvers that are “CONVERGE” and “STAR-CCM+” owned by “CONVERGENT Science” and “Siemens” respectively. The work is developed in 3 parts and in each of them simulations are carried out, under the same working conditions, for both the programs. The first analysis concerns the study of a reference case to define the fuel film produced, following 100 consecutive injections, in the intake duct of a PFI engine. Here, a series of simulations was carried out to reproduce the morphology of the accumulated film and its thickness, as reported in the analysed article, in order to obtain a valid model for future analysis. In the second case, the aim was always to reproduce the results of a scientific reference article in which a series of injections are carried out in a closed, dome-shaped volume with a flat base. Here, the operating conditions are those typical of a GDI engine and the study involves the definition of thickness and width assumed by the liquid and gas phases of the spray on the base. For both software, an attempt was made to reproduce the proposed experimental curves, taking care to also correctly represent the temporal evolution of the vapour surface and thus obtain a valid starting model for the final study. The last part of the thesis therefore involves the study of “mixture preparation” in a GDI engine produced by the company. Thanks to the validation of previously tested models, we are able to carry out an accurate comparison between “CONVERGE” and “STAR-CCM+ In-Cylinder” (Siemens' additional tool for in-cylinder analysis) and inspect all the processes taking place inside the cylinder like optimal mixture formation, the presence of liquid and film layers on the walls and more. The study therefore showed the accuracy with which, these software, are able to predict the various phenomena involved. Some elements of the study show interesting differences, due to the different codes and the different mathematical resolution of the physics, however, it can be seen that the results are very similar between the two programmes and that there are no important differences. The thesis work was carried out in collaboration with "Ilmor Engineering Ltd." located in Quarry Road, Brixworth, Northamptonshire, NN6 9UB, UK.