Riassunto analitico
La simulazione CFD-3D rappresenta uno strumento ampiamente diffuso per lo studio del comportamento interno cilindro. Infatti, consente non solo di abbattere i tempi e costi, ma anche di ricavare informazioni dettagliate relative ai processi di interesse che risulterebbero proibitive avvalendosi invece di tecniche sperimentali. Recentemente Siemens ha messo a disposizione all'interno del solutore STAR-CCM+ un add-on denominato ‘In-Cylinder’ che consente di analizzare in specifico il comportamento fluidodinamico del cilindro. Nasce dunque la necessità di valutare criticamente i risultati ottenuti mediante questo nuovo tool in correlazione con quelli ricavati mediante altri solutori CFD, tra cui STAR-CD, che gode di elevata notorietà in ambito fluidodinamico interno cilindro. Questo lavoro di tesi è stato condotto prendendo in esame, su questi due differenti solutori, la stessa geometria di un motore ad elevate prestazioni e i dati sperimentali ad esso relativi. Dunque inizialmente, partendo da un modello tridimensionale di riferimento in STAR-CD interamente calibrato, è stato sviluppato un modello iso-setup in STAR-CCM+. L'analisi svolta può essere suddivisa in più parti:
1. Un'analisi preliminare incentrata sulla differente calibrazione del modello di turbolenza all'interno di STAR-CCM+ con lo scopo di delineare le sostanziali differenze tra le soluzioni ottenute in termini di campo di moto e turbolenza, processo di miscelamento e infine processo di combustione. La necessità di una calibrazione deriva dai differenti parametri di default utilizzati dal corrispondente modello in STAR-CD. Tale studio ha consentito di ricavare un modello di turbolenza particolarmente allineato con quello utilizzato nella simulazione di riferimento e che viene poi sfruttato nell’analisi successiva;
2. Una seconda analisi in cui, tenendo conto dei risultati ottenuti al punto precedente, si aggiorna il setup della simulazione in STAR-CCM+ al fine di migliorare la correlazione sia con il caso di riferimento STAR-CD sia con i dati sperimentali. I risultati ottenuti in questa seconda fase mettono in evidenza una discreta analogia sia globalmente che localmente tra i due casi a parità di setup;
3. Una terza parte in cui, sfruttando il modello calibrato di STAR-CCM+ dell'analisi precedente, si valuta lo scambio termico a parete. Questa analisi ha come obiettivo quello di studiare la sensibilità del flusso termico che si manifesta in funzione di differenti griglie di parete e del tipo di trattamento utilizzato.
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Abstract
CFD-3D simulation is a widely used tool for the study of internal cylinder behavior. In fact, it allows not only to cut down time and costs, but also to obtain detailed information related to the processes of interest that would be prohibitive instead by using experimental techniques. Recently, Siemens has made available an add-on within the STAR-CCM+ solver called ‘In-Cylinder’ that allows the user to specifically analyze the in-cylinder fluid dynamic behavior. Therefore, arises the need to evaluate critically the results obtained by using this new tool in correlation with those obtained through other CFD solvers, including STAR-CD, which enjoys a strong reputation for the in-cylinder fluid dynamics. This thesis work was carried out by examining, through these two different solvers, the same geometry of a high-performance engine and the related experimental data. Therefore, initially, starting from a fully calibrated three-dimensional reference model in STAR-CD, an iso-setup model was developed in STAR-CCM+. The analysis carried out can be divided into several parts:
1. A preliminary analysis focused on the different calibration of the turbulence model within STAR-CCM+ in order to outline the substantial differences between the solutions obtained in terms of flow field and turbulence, mixing and combustion processes. The need for this calibration derives from the different default parameters used by the corresponding STAR-CD model. This study made it possible to derive a turbulence model particularly aligned with that used by the reference simulation and which is then exploited in the subsequent analysis;
2. A second analysis in which, taking into account the results obtained in the previous point, the simulation setup in STAR-CCM+ is updated in order to improve the correlation both with the STAR-CD reference case and with the experimental data. The results obtained in this second phase highlight a fair analogy both globally and locally between the two cases with the same setup;
3. A third part in which, using the calibrated STAR-CCM+ model of the previous analysis, the wall heat transfer is assessed. This analysis is aimed to study the sensitivity of the heat exchanged as a function of different wall grids and the type of wall treatment used.
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