Riassunto analitico
Negli ultimi vent’anni si è assistito ad un interesse sempre crescente verso l’utilizzo dei codici CFD per la risoluzione di problemi ingegneristici e nello studio dei fenomeni legati ai principali settori dell’ingegneria. Per questi motivi, l’utilizzo di codici, software CFD e dunque di una solida numerica ha permesso il raggiungimento di elevati livelli di predittività. Lo scopo di questa tesi è la ricerca di una metodologia per la simulazione della combustione in motori GDI che risulti essere il più predittiva possibile al variare delle condizioni operative. In particolare, la ricerca si è focalizzata sulla determinazione della migliore correlazione per la velocità di fiamma turbolenta in grado di descrivere al meglio il fenomeno chimico-fisico della combustione tramite modello di combustione “G-equation”. La tesi sarà dunque caratterizzata dall’analisi di un ampio database di risultati che hanno portato alla definizione della metodologia ottimale. In merito a quest’ultima, da anni, la combustione è stata simulata mediante modello “ECFM-3Z”, il quale è definito come un sistema dinamico in cui sono presenti equazioni di bilancio interne alla cella che permettono una stima della velocità di miscelamento senza necessità di discretizzazione ulteriore. La caratteristica di avere equazioni interne che descrivono il processo di combustione è uno dei motivi che ci orienta verso un modello che permetta di poter modificare l’evoluzione di questo complesso processo. Per adempiere a tale obiettivo, viene scelto il modello “G-equation” che basa la sua natura sulla capacità di suddivisione dei gas combusti da quelli incombusti mediante una isosuperficie di uno scalare G; quest’ultima assume il significato fisico del fronte di fiamma che appare come una superficie che viene trasportata. Il set di equazioni che descrive il modello contiene la correlazione della velocità turbolenta di fiamma o TFS (Turbulent Flame Speed) che, peculiarità del modello G, può essere modificata o completamente sostituita, costituendo un input per il modello stesso, al fine così di ottenere un modello finale in grado di fornire risultati in linea con il dato sperimentale. L’attività si svolge su due geometrie di motori a benzina GDI, il primo dei quali funzionante a due punti operativi differenti e a pieno carico, mentre il secondo si trova ad operare a carico parziale, valutando sei casi caratterizzati da diversi angoli di incrocio delle valvole e dunque quantità di EGR variabili in funzione del caso in esame. Sul primo motore (caso a pieno carico) il primo obiettivo è quello di valutare quale tra le correlazioni della TFS utilizzata risulta essere la migliore e in linea con lo sperimentale; tra le correlazioni oggetto di studio vedremo quelle proposte da: Peters, Damkohler e Muppala. Ottenuta la correlazione sarà poi centrale il tema della sua ottimizzazione che, assieme alla modifica dell’istante di accensione e ad altre costanti, conduca verso la definizione di un modello di combustione in grado di essere predittivo su più punti operativi da estendere a più famiglie di motori. In conclusione, l’attività fornisce un ampio campo di risultati che ci guidano verso la definizione di una correlazione della velocità di fiamma turbolenta che, a meno di leggere modifiche, sia in grado di fornire risultati predittivi su un’ampia gamma di punti operativi in termini di carico e velocità di rotazione.
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