Riassunto analitico
L’avvento del nuovo millennio ha portato con sè un progresso tecnologico senza precedenti, che non accenna ad arrestarsi ma anzi pare seguire la direzione di un mondo sempre più connesso e digitalizzato. L’ingegneria ha tratto vantaggio da quest’era "hi-tech" tramite la progettazione virtuale, con la quale grazie a specifici software si riesce a prevedere il comportamento di determinati componenti nel mondo reale. In questo ambito si è recentemente imposta la fluidodinamica computazionale, meglio nota come CFD (Computational Fluid Dynamics), che si applica in tutti quei casi dove il moto dei fluidi non può essere trascurato, spaziando pertanto dal settore aeronautico a quello automobilistico passando per quello civile. La CFD si presenta dunque come una vera alternativa ai tradizionali approcci teorici e sperimentali, specie per problemi complessi che non possono essere risolti analiticamente in forma chiusa o le cui caratteristiche sono difficilmente reperibili attraverso le moderne tecniche sperimentali di misura. Essa ha dalla sua costi relativamente bassi se comparati a quelli degli esperimenti fisici, maggiore velocità di esecuzione delle prove, abilità nel simulare la quasi totalità delle condizioni reali, consentendo anche di isolare fenomeni specifici e infine la possibilità di esaminare ogni punto del sistema per uno studio globale del componente. D’altro canto i risultati delle simulazioni dipendono strettamente dall’accuratezza del modello fisico e delle condizioni al contorno ad esso associate, e non sono mai esenti da errori numerici. Il punto chiave sta nel capire come valutare un risultato, ovvero sapergli assegnare una certa variabilità causata dalle approssimazioni. Il presente lavoro di tesi sfrutta la fluidodinamica computazionale in ambito motoristico: l’obiettivo prefisso è stato quello di modellare lo spray dell’iniettore di un moderno motore diesel automobilistico, andando ad evidenziare come la calibrazione del suddetto spray abbia influenza sul processo di combustione, dal momento che l’iniezione è la causa principale di una corretta formazione della miscela aria-combustibile che si crea a seguito dell’interazione con la fase gassosa. La rappresentazione numerica di questi processi è intrinsecamente complessa, poiché coinvolge due fasi distinte, cioè un combustibile liquido che evolve all’interno di un gas posto nella camera di combustione. Si potrebbe pensare di utilizzare un approccio euleriano basato sulla discretizzazione ai volumi finiti per entrambe le fasi, ma ciò comporterebbe l’utilizzo di celle di calcolo molto piccole, necessarie per la risoluzione del flusso nell’ugello dell’iniettore; la disparità in termini di dimensioni caratteristiche tra l’iniettore e la geometria del cilindro richiederebbe, tuttavia, tempi computazionali molto elevati, non accettabili per le risorse di calcolo a disposizione attualmente. Le gocce dello spray sono quindi modellate secondo un approccio lagrangiano: l’accoppiamento con la fase gassosa deve essere comunque espresso correttamente attraverso l’introduzione di opportuni termini nelle equazioni di moto; essi derivano dai principali modelli fenomenologici che devono essere implementati per la corretta descrizione dell’evoluzione del getto.
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Abstract
The advent of the new millennium leaded to a technological progress
unprecedented, which shows no signs of stopping but rather seems
follow the direction of an increasingly connected and digitized world.
Engineering took advantage of this "hi-tech" era through virtual design,
with which thanks to specific software you succeed to predict the
behavior of certain components in the real world.
In this context the computational fluid dynamics has been recently
set up, better known as CFD (Computational Fluid Dynamics), which
applies in all those cases where the motion of fluids can not be neglected, thus ranging from the aeronautical to the automotive sector
passing through the civil one.
The CFD therefore presents itself as a real alternative to traditional
theoretical and experimental approaches, especially for complex problems that do not can be solved analytically in closed form or whose
characteristics are hardly available through modern techniques measurement
experiments.
It has its relatively low costs compared to those of the physical experiments, faster test execution, skills in simulating almost all the real conditions, also allowing to isolate specific phenomena and finally the possibility to examine each point of the system for a global study of the component.
On the other hand, the results of the simulations depend strictly on
accuracy of the physical model and on the boundary conditions associated,
and they are never free from numerical errors. The key point is
in understanding how to evaluate a result, or to know how to assign
one certain variability caused by approximations.
The present thesis work uses the computational fluid dynamics in
motor field: the prefix goal was to model the injector’s spray of a modern automotive diesel engine, going to highlight how the calibration of the aforementioned spray has influence on the combustion process, since the injection is the main cause of a correct formation of the aircombustible mixture which is created as a result of the interaction with the gaseous phase.
The numerical representation of these processes is intrinsically complex,
since it involves two distinct phases, that is a fuel liquid that
evolves inside a gas placed in the combustion chamber. One could
think of using a Eulerian approach based on discretization at the finished volumes for both phases, but this would involve the use of
very small calculation cells, needed for the resolution of the flow in
the injector nozzle; the disparity in terms of characteristic dimensions
between the injector and the geometry of the cylinder would require,
however, very high computational times, not acceptable for the
calculation resources currently available. The spray drops are then
modeled according to a Lagrangian approach: the coupling with the
gaseous phase must be anyway correctly expressed through the introduction of appropriate terms in the equations of motion; they derive
from the main phenomenological models which must be implemented
for the correct description of the jet evolution.
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