Validazione e taratura dei modelli di cavitazione di Merkle e Kunz implementati in OpenFOAM

Il presente lavoro si prefigge come scopo la validazione e successiva taratura dei modelli di cavitazione di Merkle e Kunz, basati sulla modellazione del trasferimento di massa, implementati nel software OpenFOAM. Lo studio riguarda la fluidodinamica computazionale. L'operazione di taratura e condotta dall'utente variando i parametri liberi dei vari modelli, con lo scopo di avvicinare il risultato computazionale a quello sperimentale.

Validazione del modello di film fluido implementato in OpenFOAM

Le prestazioni dei motori a combustione interna sono fortemente influenzate dalla formazione di un film fluido, a seguito dell'impatto di uno spray con una parete. Nell'ottica di favorire la formazione della miscela e di ridurre le emissioni, lo studio approfondito di tale fenomeno deve essere supportato da un processo di simulazione assistita dal calcolatore. Pertanto, la Fluidodinamica Computazionale (Computational Fluid Dynamics, CFD) ed i modelli ad essa associati rappresentano al giorno d'oggi uno strumento vantaggioso e sempre più utilizzato. In questo ambito si colloca il presente lavoro di tesi, che si propone di validare il modello di film fluido implementato nel software OpenFOAM-2.3.0, confrontando i risultati ottenuti, in termini di altezza del film fluido, con quelli del caso sperimentale di Le Coz et al.

Simulazione numerica di un getto di idrogeno sottoespanso mediante OpenFOAM

Questa tesi tratta lo studio e l’applicazione di una metodologia per la simulazione di getti gassosi sottoespansi, nello specifico getti di idrogeno in aria. La necessità di questo lavoro nasce dall’esigenza, nel mondo dei trasporti, di abbandonare i combustibili fossili derivati dal petrolio. L’idrogeno, come il metano, viene iniettato in fase gassosa, quindi occorre studiare bene i fenomeni e i meccanismi in gioco per ottimizzare la miscelazione con l’aria. La parte iniziale della tesi riguarda lo studio teorico e generale della letteratura sui getti sottoespansi, con l’obiettivo di capire cosa sono, come si formano, da cosa sono governati e quali sono i loro parametri principali. Successivamente si passa alla loro analisi numerica tramite il software CFD open source OpenFOAM. Le analisi condotte hanno permesso di valutare l’impiego di diversi approcci di modellazione al fine di trovare quello ottimale. Sono stati testati differenti risolutori (rhoCentralFoam, rhoPimpleFoam e reactingFoam), diverse configurazioni della mesh (wedge 2-D, empty 2-D e cyclic 3-D) e diversi modelli di turbolenza (k − ϵ, RNG k − ϵ e k − ω SST).

Studio preliminare di flusso attorno ad un pantografo per treno ad alta velocità

In questo elaborato di tesi viene presentata la comparazione tra due codici CFD, rispettivamente Fluent e OpenFOAM, mediante simulazioni che sono alla base di uno studio numerico di flusso attorno ad un pantografo per treno ad alta velocità. Si è apprezzato quindi la facilità d’uso di un software venduto tramite licenza e la difficoltà di un software open source come OpenFOAM, il quale però ha vantaggi in termini di adattamento ai casi più specifici. Sono stati quindi studiati due casi, scambio termico in regime laminare attorno ad un cilindro bidimensionale e flusso turbolento completamente sviluppato in un canale. Tutte le simulazioni numeriche hanno raggiunto convergenza e sono state validate positivamente mediante confronto con dati sperimentali. Il primo caso prevede un cilindro investito da un flusso a temperatura minore rispetto alla temperatura della superficie del cilindro; per avere più riscontri, sono state condotte diverse prove a valori differenti del numero di Prandtl, e per ogni simulazione è stato ricavato il corrispettivo numero di Nusselt, successivamente comparato con i dati sperimentali per la validazione delle prove. A partire dalla creazione della griglia di calcolo, è stato effettuato uno studio del fenomeno in questione, creando così una griglia di calcolo sviluppata a valle del cilindro avente maggior densità di celle a ridosso della parte del cilindro. In aggiunta, svolgendo le prove con schemi numerici sia del primo che del secondo ordine, si è constatata la miglior sensibilità degli schemi numerici del secondo ordine rispetto a quelli del primo ordine. La seconda tipologia di simulazioni consiste in un flusso turbolento completamente sviluppato all’interno di un canale; sono state svolte simulazioni senza e con l’uso delle wall functions, e quindi usate griglie di calcolo differenti per i due tipi di simulazioni, già disponibili per entrambi i software. I dati ottenuti mostrano uno sforzo computazionale maggiore per le simulazioni che non prevedono l’uso delle wall functions, e quindi una maggiore praticità per le simulazioni con le wall functions. Inoltre, le simulazioni di questo secondo caso sono state svolte con diversi modelli di turbolenza; in Fluent sono stati utilizzati i modelli k-ε e RSM mentre in OpenFOAM è stato utilizzato solo il modello k-ε in quanto il modello RSM non è presente. La validazione dei risultati è affidata alla comparazione con i dati sperimentali ricavati da Moser et all mediante simulazioni DNS, mettendo in risalto la minor accuratezza delle equazioni RANS.

Metodologie open source per la simulazione numerica di banchi di flussaggio per motori a combustione interna

Valutazione di software open source per la simulazione di banchi di flussaggio stazionari. Analisi dei risultati e confronto con dati sperimentali e con dati ottenuti da un software commerciale. Il toolbox usato è OpenFOAM.

Studio fluidodinamico della caldaia di un impianto a biomassa

Lo studio ha lo scopo di analizzare la fluidodinamica di una caldaia di un co-inceneritore presente a Widmerpool (Nottingham, UK) costruito dall'azienda "STC Power, s.r.l.". L'obiettivo è analizzare profili di velocità, temperatura, densità, calore scambiato e tempo di residenza lungo il bruciatore del suddetto impianto per valutare la possibilità di formazione gas nocivi, come le diossine, durante il processo di combustione. Per la generazione della mesh per le simulazioni fluidodinamiche si sono utilizzati due differenti software: Salome (software open source) e starCCM+ (software con licenza). In particolare sono state prodotte due mesh differenti attraverso Salome. I risultati ottenuti dalle simulazioni con le due mesh sono stati messi a confronto con i risultati prodotti dalla simulazione con la mesh di starCCM+ per provare l'utilizzabilità di software open source anche nei casi ingegneristici reali. Nello studio si discusso inizialmente degli inceneritori a biomassa in maniera generale per poi concentrarsi sulle possibili emissioni che possono essere prodotte da un impianto di questo tipo e sui sistemi di controllo della combustione e abbattimento dei fumi. Si è descritto successivamente l'impianto analizzato e le condizioni di funzionamento analizzate. Sono stati descritti inoltre il metodo di costruzione delle tre diverse meshes, il solutore utilizzato e come sono state impostate le condizioni a contorno. Infine sono stati riportati i risultati e le conclusioni che hanno riportato una temperatura adatta all'abbattimento degli NOx alla'altezza dell'SNCR, tempi di residenza medi conformi con le normative e profili di temperature e velocità corrispondenti a quelle aspettate dalla caldaia. Infine si sono analizzate le differenze tra i risultati ottenuti dalle tre simulazioni con le diverse meshes.

CFD Applications for Wave Energy Conversion Devices (MoonWEC) and Turbulent Fountains for Environmental Fluid Mechanics

This thesis is based on two studies that are related to floating wave energy conversion (WEC) devices and turbulent fountains. The ability of the open-source CFD software OpenFOAM® has been studied to simulate these phenomena. The CFD model has been compared with the physical experimental results. The first study presents a model of a WEC device, called MoonWEC, which is patented by the University of Bologna. The CFD model of the MoonWEC under the action of waves has been simulated using OpenFOAM and the results are promising. The reliability of the CFD model is confirmed by the laboratory experiments, conducted at the University of Bologna, for which a small-scale prototype of the MoonWEC was made from wood and brass. The second part of the thesis is related to the turbulent fountains which are formed when a heavier source fluid is injected upward into a lighter ambient fluid, or else a lighter source fluid is injected downward into a heavier ambient fluid. For this study, the first case is considered for laboratory experiments and the corresponding CFD model. The vertical releases of the source fluids into a quiescent, uniform ambient fluid, from a circular source, were studied with different densities in the laboratory experiments, conducted at the University of Parma. The CFD model has been set up for these experiments. Favourable results have been observed from the OpenFOAM simulations for the turbulent fountains as well, indicating that it can be a reliable tool for the simulation of such phenomena.

Caratterizzazione mediante flussaggio stazionario CFD di condotti di motori a combustione interna 'SACI'

In questo lavoro di tesi si è voluta creare una metodologia solida per la generazione di geome-trie banchi di flussaggio stazionario, sia per Tumble che per Swirl, a varie alzate valvole (in questo caso solo aspirazione, ma estendibile anche a quelle di scarico), avvalendosi del soft-ware SALOME; seguite da creazione griglia di calcolo e infine simulazione in ambiente Open-FOAM. Per prima cosa si è importata la geometria creata in un CAD esterno e importata in SALOME in formato STEP. A seguito si sono posizionate le valvole all’alzata da simulare, insieme alla creazione del falso cilindro, diversificato tra il caso Tumble e Swirl. Si è importato il file del banco di flussaggio, in formato STL, in snappyHexMesh e generata la griglia; questa è stata utilizzata per la simulazione in ambiente OpenFOAM, utilizzando l’utility rhoPorousSimpleFoam. Infine, si sono estratti i dati per il calcolo di grandezze utili, coppia di Tumble/Swirl e portata in massa, oltre alla creazione di immagini di visualizzazione campi di moto, utilizzando il post processore ParaView. In parallelo si è sviluppata l’automatizzazione delle varie fasi servendosi sia di script scritti in python che in bash.

Impact of convective motions on pollutant dispersion in urban canyons: an analysis through RANS simulations

Since the majority of the population of the world lives in cities and that this number is expected to increase in the next years, one of the biggest challenges of the research is the determination of the risk deriving from high temperatures experienced in urban areas, together with improving responses to climate-related disasters, for example by introducing in the urban context vegetation or built infrastructures that can improve the air quality. In this work, we will investigate how different setups of the boundary and initial conditions set on an urban canyon generate different patterns of the dispersion of a pollutant. To do so we will exploit the low computational cost of Reynolds-Averaged Navier-Stokes (RANS) simulations to reproduce the dynamics of an infinite array of two-dimensional square urban canyons. A pollutant is released at the street level to mimic the presence of traffic. RANS simulations are run using the k-ɛ closure model and vertical profiles of significant variables of the urban canyon, namely the velocity, the turbulent kinetic energy, and the concentration, are represented. This is done using the open-source software OpenFOAM and modifying the standard solver simpleFoam to include the concentration equation and the temperature by introducing a buoyancy term in the governing equations. The results of the simulation are validated with experimental results and products of Large-Eddy Simulations (LES) from previous works showing that the simulation is able to reproduce all the quantities under examination with satisfactory accuracy. Moreover, this comparison shows that despite LES are known to be more accurate albeit more expensive, RANS simulations represent a reliable tool if a smaller computational cost is needed. Overall, this work exploits the low computational cost of RANS simulations to produce multiple scenarios useful to evaluate how the dispersion of a pollutant changes by a modification of key variables, such as the temperature.