Riassunto analitico
Al giorno d'oggi, i crescenti livelli di inquinanti e le emissioni di gas serra hanno portato a restrizioni sempre più severe sulle emissioni dei motori a combustione interna (ICE) spingendo i costruttori di veicoli e gli OEMs (Original Equipment Manufacturers) verso un importante crocevia: elettrificazione completa o soluzioni innovative nei motori a combustione interna. In questo lavoro di tesi viene considerato l’idrogeno, in quanto risulta essere un promettente vettore energetico. L'approccio CFD ci ha supportato nella modellazione dei motori ad accensione comandata alimentati a idrogeno, investigando con particolare attenzione il processo di miscelazione idrogeno/aria. Diversi studi incentrati sulla miscelazione e modellazione dell'idrogeno negli ICE sono stati condotti negli ultimi anni, affrontando la selezione di modelli fisici, chimici e schemi numerici con lo scopo di ottenere risultati quanto più affidabili possibile rispetto agli esperimenti. Questa tesi presenta una metodologia per simulare accuratamente il mixing dell'idrogeno, supportata dal confronto numerico-sperimentale eseguito con i dati del SoPHy Engine di ECN (Engine Combustion Network): per effettuare il confronto risultano disponibili i dati PIV (Particle Image Velocimetry) e PLIF (Planar Laser-induced fluorescence). Il confronto tra risultati CFD e le misure sperimentali di velocità e concentrazione di idrogeno è effettuato nel piano centrale verticale, ed ha lo scopo di valutare l'affidabilità dei modelli CFD per definire le migliori pratiche per la modellazione dei casi di iniezione diretta di idrogeno. Le simulazioni sono state effettuate utilizzando Simcenter STAR-CCM+ In-Cylinder Solution, Tool di STAR-CCM+ v2302. Partendo dalla mesh, l'iniezione di idrogeno è stata dapprima eseguita utilizzando una griglia lasca, introducendo poi dei raffinamenti sempre più densi e localizzati per ridurre le incertezze numeriche e per tenere conto dell’elevata diffusività del gas. Il secondo passo è stato la definizione di un valore di timestep ragionevole per evitare problemi di divergenza, per avere un numero di courant il più basso possibile e per incrementare la stabilità della simulazione. Il terzo passo è stato quello di valutare l’effetto dei modelli di turbolenza, considerando dapprima un confronto tra il Renormalized group RNG k-ε con trattamento di parete high y+ ed il realizable k- ε high y+, e poi un confronto tra il modello realizable k- ε high y+ e il realizable k- ε all y+ per approfondire l'impatto del trattamento di parete. In seguito, viene considerata un'ampia valutazione dell'equazione di stato prendendo come riferimento l'equazione di stato dei gas reali di Soave Redlich-Kwong, per poi passare ad una discretizzazione numerica altamente dettagliata attraverso il Monotone Advection and Reconstruction Scheme (MARS). Alcune ulteriori analisi e confronti sono stati poi dedicati alla teoria cinetica dei gas per approfondirne l’effetto. Infine, per approfondire gli aspetti riguardanti la diffusività, è stato condotto uno sweep del numero di Schmidt turbolento, selezionando i valori 0.5, 0.7 e 0.9 (default di STAR-CCM+) ed evidenziando il suo impatto sui risultati.
I nostri risultati finali sono molto coerenti con i dati sperimentali disponibili, confermando l'affidabilità della configurazione di modellazione CFD proposta.
Per concludere, la modellazione CFD proposta risulta essere all’avanguardia consentendo di simulare l'iniezione diretta di idrogeno e la formazione di carica negli ICE in modo accurato, toccando inoltre alcuni approcci inesplorati come la teoria cinetica dei gas, la formulazione di gas reale e l’impiego di schemi numerici approfonditi.
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Abstract
Nowadays, the growing levels of pollutants and greenhouse emissions led to increasingly stringent restrictions on internal combustion engine (ICE) emissions pushing vehicle constructors and OEMs (Original Equipment Manufacturers) towards an important crossroad: complete electrification or innovative solutions in the existing ICE technology. Towards the “zero-emission” target, several disruptive solutions towards carbon-free fuels are considered such as synthetic fuels, biofuels, and hydrogen in ICE as power sources. In this thesis work, hydrogen as a promising energy carrier for advanced propulsion systems is considered. The CFD (Computational Fluid Dynamics) approach supported us in modeling hydrogen-powered spark-ignition engines, focusing on hydrogen/air mixing prior to the costly production/testing phase. Several works during recent years have come across the mixing and modeling of hydrogen in ICE facing the selection of physical models, chemistry, and numerical schemes towards as reliable as possible results compared to the experiments. This work presents a methodology for accurately simulating hydrogen mixing supported by numerical-experimental comparison performed with the Sophy Engine from ECN (Engine Combustion Network). The experimental apparatus involving Planar Laser-induced fluorescence (PLIF) and Particle Image Velocimetry (PIV) data is available for numerical-experimental comparison. A comparison between CFD and experimental measurements of the velocity and hydrogen concentration in the vertical central plane is targeted to evaluate the reliability of the CFD models to define the best practice for modeling hydrogen direct injection (DI) under relatively high injection pressure. All the computational simulations are performed with the Simcenter STAR-CCM+ In-Cylinder Solution Tool of STAR-CCM+ v2302 licensed by SIEMENS DISW. Starting from the mesh setup, a sensitivity of the grid dimension has been done to account for some modeling aspects such as the case-specific high numerical diffusivity of hydrogen. As the first approach, the injection of hydrogen was performed supported by a uniform grid, and then progressively reduced to more dense and localized refinements to reduce the numerical uncertainties due to its dimension. The second step was the definition of a reasonable timestep value to avoid problems of divergence accounting for as low as possible convective courant number, physical results, and stability. The third step was an evaluation of the turbulence models by considering both the Renormalized group RNG k-ε with high y+ and Realizable k- ε with both the high y+ and all y+ to deepen the impact of the wall treatment. Hereafter, an extensive evaluation of the equation of state by considering the real gas Soave Redlich-Kwong equation of state and a highly detailed numerical discretization through the Monotone Advection and Reconstruction Scheme (MARS) is considered. Furthermore, some analyses and comparisons were devoted to the kinetic theory of gases. Finally, to deepen the diffusive aspects of hydrogen injection, a sweep of the turbulent Schmidt number was considered and a sensitivity to its impact on results selecting the values 0.5, 0.7, and the default 0.9 was performed. Our final outcomes lead to consistent results and a very well match between numerical and experimental results confirming the reliability of the proposed CFD modeling setup. To conclude, the proposed CFD modeling setup allows simulating hydrogen direct injection and charge formation in ICE following state-of-the-art CFD modeling and touching some unexplored approaches such as kinetic theory, real gas, and thorough numerical schemes.
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