Numerical assessment of the water injection application to GDI engines

A possible future scenario for the water injection (WI) application has been explored as an advanced strategy for modern GDI engines. The aim is to verify whether the PWI (Port Water Injection) and DWI (Direct Water Injection) architectures can replace current fuel enrichment strategies to limit turbine inlet temperatures (TiT) and knock engine attitude. In this way, it might be possible to extend the stoichiometric mixture condition over the entire engine map, meeting possible future restrictions in the use of AES (Auxiliary Emission Strategies) and future emission limitations. The research was first addressed through a comprehensive assessment of the state-of-the-art of the technology and the main effects of the chemical-physical water properties. Then, detailed chemical kinetics simulations were performed in order to compute the effects of WI on combustion development and auto-ignition. The latter represents an important methodology step for accurate numerical combustion simulations. The water injection was then analysed in detail for a PWI system, through an experimental campaign for macroscopic and microscopic injector characterization inside a test chamber. The collected data were used to perform a numerical validation of the spray models, obtaining an excellent matching in terms of particle size and droplet velocity distributions. Finally, a wide range of three-dimensional CFD simulations of a virtual high-bmep engine were realized and compared, exploring also different engine designs and water/fuel injection strategies under non-reacting and reacting flow conditions. According to the latter, it was found that thanks to the introduction of water, for both PWI and DWI systems, it could be possible to obtain an increase of the target performance and an optimization of the bsfc (Break Specific Fuel Consumption), lowering the engine knock risk at the same time, while the TiT target has been achieved hardly only for one DWI configuration.

Development of a patient-specific model for stroke risk assessment in atrial fibrillation patients

Atrial fibrillation is associated with a five-fold increase in the risk of cerebrovascular events,being responsible of 15-18% of all strokes.The morphological and functional remodelling of the left atrium caused by atrial fibrillation favours blood stasis and, consequently, stroke risk. In this context, several clinical studies suggest that stroke risk stratification could be improved by using haemodynamic information on the left atrium (LA) and the left atrial appendage (LAA). The goal of this study was to develop a personalized computational fluid-dynamics (CFD) model of the left atrium which could clarify the haemodynamic implications of atrial fibrillation on a patient specific basis. The developed CFD model was first applied to better understand the role of LAA in stroke risk. Infact, the interplay of the LAA geometric parameters such as LAA length, tortuosity, surface area and volume with the fluid-dynamics parameters and the effects of the LAA closure have not been investigated. Results demonstrated the capabilities of the CFD model to reproduce the real physiological behaviour of the blood flow dynamics inside the LA and the LAA. Finally, we determined that the fluid-dynamics parameters enhanced in this research project could be used as new quantitative indexes to describe the different types of AF and open new scenarios for the patient-specific stroke risk stratification.

Development of numerical methodologies to predict the liquid fuel sprays - wall interaction to optimize the mixing process of direct injection spark ignition engines

Nowadays the development of new Internal Combustion Engines is mainly driven by the need to reduce tailpipe emissions of pollutants, Green-House Gases and avoid the fossil fuels wasting. The design of dimension and shape of the combustion chamber together with the implementation of different injection strategies e.g., injection timing, spray targeting, higher injection pressure, play a key role in the accomplishment of the aforementioned targets. As far as the match between the fuel injection and evaporation and the combustion chamber shape is concerned, the assessment of the interaction between the liquid fuel spray and the engine walls in gasoline direct injection engines is crucial. The use of numerical simulations is an acknowledged technique to support the study of new technological solutions such as the design of new gasoline blends and of tailored injection strategies to pursue the target mixture formation. The current simulation framework lacks a well-defined best practice for the liquid fuel spray interaction simulation, which is a complex multi-physics problem. This thesis deals with the development of robust methodologies to approach the numerical simulation of the liquid fuel spray interaction with walls and lubricants. The accomplishment of this task was divided into three tasks: i) setup and validation of spray-wall impingement three-dimensional CFD spray simulations; ii) development of a one-dimensional model describing the liquid fuel – lubricant oil interaction; iii) development of a machine learning based algorithm aimed to define which mixture of known pure components mimics the physical behaviour of the real gasoline for the simulation of the liquid fuel spray interaction.

Sperimentazione di un EGR HP Mixer e di un Oil Cooler con Bypass in un motore V6 Diesel con l’obiettivo di ridurre la CO2

Lo scopo di questa tesi è stato sperimentare componenti prototipali su un motore V6 Diesel all’interno di un banco dinamico con il fine di valutarne la riduzione di CO2 in cicli di omologazione NEDC e WLTC. In particolare si sono studiati un nuovo EGR HP Mixer e un Oil Cooler dotato di Bypass: il primo componente per migliorare l’EGR distribution da cilindro a cilindro, mentre il secondo componente per ottenere un’ottimizzazione energetica della pompa dell’olio sfruttando il nuovo bypass del cooler. L’Oil Cooler è dotato di due cartucce intercambiabili che cambiano le fasi di bypass a seconda della temperatura dell’olio: la prima cartuccia, a 2 stadi, parte dalla condizione di bypass e chiude a una certa temperatura per proteggere il motore; la seconda, a 3 stadi, sfrutta il bypass solo in un range di temperatura ottimizzato con il calcolo CFD. La riduzione di consumi di gasolio è stata valutata confrontando i diversi consumi a pari emissioni di NOx; in questo modo si è registrata una riduzione di consumi con l’EGR HP Mixer dell’1.7% nel ciclo NEDC e dello 0.5% nel ciclo WLTC. Con lo stesso metodo si è registrato che l’Oil Cooler Bypass determina nel ciclo NEDC una riduzione dello 0.6 % con la valvola a 3 Stadi e una riduzione dello 0.37 % con la valvola a 2 Stadi. Nel ciclo WLTC si è invece ottenuta una riduzione dello 0.1 % con la valvola a 3 Stadi e un aumento dello 0.33 % con la valvola a 2 Stadi. Di ogni componente è stato fatto uno studio stazionario per indagarne a fondo i comportamenti.

Studio numerico dell’effetto dell’iniezione d’acqua sul rischio di detonazione di motori GDI ad alta potenza specifica

Nel contesto motoristico odierno, in cui le normative sulle emissioni sono sempre più stringenti, il costo dei carburanti è in costante rialzo e il diffondersi della consapevolezza che l’inquinamento prodotto dall’uomo ha alterato irreversibilmente il delicato equilibrio climatico, ha spinto i legislatori verso l’introduzione di norme sempre più stringenti per quanto riguarda le emissioni massime consentite ai motori ad accensione comandata. Questo ha portato alla ricerca di strategie che permettessero di proporre motori più efficienti mantenendo al contempo elevati livelli prestazionali. Il presente lavoro ha voluto meglio delineare le potenzialità e criticità di un sistema di iniezione d’acqua diretto studiandone gli effetti sul ciclo medio di combustione di un motore GDI ad alta potenza specifica alimentato con miscela stechiometrica. La metodica di ricerca è stata di tipo numerico tramite l’adozione di simulazioni CFD tridimensionali. Dopo una prima fase di studio per determinare la miglior combinazione di timing e pressione di iniezione in grado di portare i migliori benefici sotto l’aspetto termo-fluidodinamico nel motore in esame, si è analizzata la fase di combustione, realizzata con diversi anticipi e per quantitativi variabili d’acqua iniettata, procedendo poi al confronto con i risultati di combustione in condizioni di miscela ricca e assenza di acqua, rappresentativa delle condizioni di funzionamento attuali, al fine di individuare la minima massa d’acqua necessaria all’ottenimento delle medesime prestazioni. Si è proceduto poi a ricercare la massima prestazione tramite l’adozione di elevate pressioni d'iniezione, tali da permettere l’impiego di consistenti masse d’acqua. Infine, si sono indagati gli effetti dell’iniezione d’acqua al crescere del rapporto di compressione.

Validazione di metodologie di simulazione dell’impatto a parete di spray di combustibile iniettati ad alta pressione

Il presente lavoro di tesi, svolto in collaborazione con una azienda del settore automotive, tratta lo studio di impatto di sprays combustibili su pareti calde adottando un approccio numerico CFD-3D. Viene effettuata la validazione di alcuni tra i più utilizzati modelli di interazione goccia-parete implementati nel software commerciale STAR-CD. Lo scopo principale del lavoro svolto è quello di indirizzare il lettore verso una corretta implementazione della simulazione di uno spray impattante, comprendere pregi e limiti dei modelli applicati e fornire dei criteri per effettuare la scelta tra uno di essi in funzione di condizioni di interesse motoristico.

Validazione di una metodologia per la simulazione della cavitazione in iniettori per applicazioni automobilistiche

Al giorno d’oggi, il primo obiettivo dell’industria automotive è quello di ridurre il consumo di carburante e migliorare la qualità del processo di combustione, al fine di soddisfare i limiti di emissioni imposti, senza penalizzare le performance dei motori. In questo scenario, il comportamento dinamico dello spray gioca un ruolo cruciale, ed è risaputo che esso dipenda anche dal processo di cavitazione all’interno di ogni singolo foro iniettore. L’appropriata predizione dello sviluppo di tale fenomeno è fondamentale per comprendere e controllare le caratteristiche delle spray nei canali iniettori e consentire una più accurata progettazione degli iniettori. In questo meccanismo, le simulazioni CFD ricoprono un ruolo di grande importanza, a causa delle dimensioni ridotte caratteristiche dei fori iniettori. Questi infatti non risultano spesso adatti ad un’analisi sperimentale dettagliata e precisa, e nel caso lo fossero, la valutazione è limitata a pochi casi, essendo le attività sperimentali complesse ed onerose. L’analisi computazionale presenta quindi vantaggi come una sostanziale riduzione del tempo e dei costi impiegati, non richiedendo infatti la costruzione e l’utilizzo di impianti appositi o prototipi. Lo scopo principale di questo progetto consiste nella validazione di un codice CFD capace di modellare la cavitazione, al fine di applicarlo successivamente ad un iniettore reale. Tale modello è stato validato tramite confronto con dati sperimentali su un flusso cavitante attraverso un ugello ideale. Tra tutti i software commerciali disponibili, è stato scelto CONVERGE poiché innovativo nella generazione automatica della griglia e dettagliato nell’analisi chimica, permettendo di gestire geometrie di motori molto complesse. È stato quindi ritenuto appropriato valutare la validità di tale codice nella modellazione della cavitazione, poiché potrebbe dimostrarsi rilevante nello studio futuro dei motori a combustione interna.

Determinazione di tabelle e correlazioni di velocità laminare di fiamma per motori a combustione interna

Negli ultimi anni le preoccupazioni a causa dell’inquinamento ambientale sono risultate sempre maggiori, questo ha portato un sempre più crescente interesse per l’ottimizzazione nella progettazione dei motori a combustione interna per avere un aumento di potenza cercando di utilizzare meno carburante. Sempre più di frequente, al fine di studiare la combustione in modo accurato e ricavarne modelli analitici coerenti con la realtà, ci si rivolge alla simulazione numerica; Tutti i modelli di combustione utilizzati dai solutori CFD richiedono la conoscenza della velocità laminare di fiamma, questa gioca un ruolo molto importante nei motori a combustione interna così come in altre applicazioni, come il calcolo dei moti turbolenti. Il calcolo della velocità laminare può avvenire attraverso modelli di cinetica chimica dettagliata a fronte di un peso computazionale non indifferente oppure utilizzando meccanismi cinetici ridotti con conseguente perdita di accuratezza. L’obiettivo di questa tesi è lo studio della velocità di fiamma laminare al variare delle principali caratteristiche della miscela focalizzandosi sull’effetto di pressione, temperatura e di eventuali inerti (Acqua ed Egr). Attraverso la cinetica chimica dettagliata e relativo calcolo delle velocità delle reazioni di ossidazione sono state definite delle “look up tables” il più possibile dettagliate (nonostante il grande peso computazionale) al fine di avere uno strumento facilmente implementabile in solutori CFD. Inoltre, a partire dai dati acquisiti, si è passati all’analisi delle precedenti correlazioni cercando, nei limiti, di migliorarne e proporne altre per non dover ricorrere all’interpolazione delle mappe.

Valutazione delle potenzialità dell'iniezione d'acqua nei motori GDI di ultima generazione

L'industria automobilistica sta assistendo ad un importante cambiamento verso motorizzazioni con cilindrata unitaria minore, turbocompressi, e con iniezione diretta in camera, a causa delle normative sempre più stringenti sull'emissione di inquinanti allo scarico, inclusa la CO2 per ragioni legate all'effetto serra ed al contenimento dei consumi di fonti energetiche non rinnovabili. I motori turbocompressi lavorano con una pressione media effettiva maggiore, con conseguenti maggiori pressioni e temperature in camera, che di fatto aumentano il rischio di insorgenza di eventi di combustione anomale come pre-accensione e detonazione. Questo porta ad utilizzare il motore con angoli sub-ottimali di anticipo di accensione e con arricchimento della miscela per diminuire le temperature dei gas in ingresso alla turbina. Queste strategie non sono più compatibili con le nuove regolamentazioni, in quanto superano i limiti imposti di emissioni e consumo specifico in cicli reali di utilizzo su strada. Tra le varie possibili soluzioni, l'iniezione d'acqua è una tecnologia già conosciuta, che permette un controllo della tendenza alla detonazione. Il principio consiste nella riduzione della temperatura della carica grazie all'elevato calore latente di vaporizzazione della massa d'acqua iniettata. In questo lavoro sono stati valutati entrambi i layout di iniezione d'acqua, nel condotto e in camera di combustione, in due punti motore: massima potenza e massima coppia. La metodica di ricerca è stata di tipo numerico tramite l'utilizzo di simulazioni tridimensionali CFD a partire da una metodologia basata su modelli fisici solidamente validati. Il software commerciale utilizzato è stato AVL FIRE, che permette di manipolare in modo agevole i risultati sia al suo interno, sia tramite ambienti di calcolo esterno.

Progettazione, ottimizzazione e sviluppo di un sistema WOPI (Water Out Pressure In) per airbox

Un airbox deve fornire al motore sia aria pura, ovvero priva di particelle estranee (motivo per cui al suo interno viene collocato un elemento filtrante), che priva di gocce d’acqua, la cui presenza è possibile sia a causa della condensazione dell’umidità dell’aria aspirata, sia, in volume anche maggiore, in caso di pioggia, aspetto su cui si focalizzerà questo elaborato. Attualmente, per eliminare la presenza di queste particelle d’acqua, vengono praticati fori, più o meno grandi, sulla parete dell’airbox. Questa semplice tecnica, permette di eliminarla, ma causa anche una depressurizzazione. Per contrastare questo fenomeno, è già noto l’utilizzo di condotti elastici, normalmente chiusi o semichiusi, che, nel frattempo, permettono la lenta discesa gravitazionale dell’acqua. Questo sistema, però, non è in grado di sigillare il foro di scolo, provocando quindi anch’esso un calo della pressurizzazione del box. Inoltre, esso potrebbe intasarsi, rendendo inefficace lo scolo. In più, nel tempo, potrebbe sopraggiungere una perdita di elasticità, causando un peggioramento della funzionalità. Scopo del WOPI è eliminare tutti i precedenti inconvenienti nel modo più efficiente possibile.

Investigation of novel methodologies for the MCNP geometry preparation: application on the Upper Launcher BSM of ITER

La tesi si divide in due macroargomenti relativi alla preparazione della geometria per modelli MCNP. Il primo è quello degli errori geometrici che vengono generati quando avviene una conversione da formato CAD a CSG e le loro relazioni con il fenomeno delle lost particles. Il passaggio a CSG tramite software è infatti inevitabile per la costruzione di modelli complessi come quelli che vengono usati per rappresentare i componenti di ITER e può generare zone della geometria che non vengono definite in modo corretto. Tali aree causano la perdita di particelle durante la simulazione Monte Carlo, andando ad intaccare l' integrità statistica della soluzione del trasporto. Per questo motivo è molto importante ridurre questo tipo di errori il più possibile, ed in quest'ottica il lavoro svolto è stato quello di trovare metodi standardizzati per identificare tali errori ed infine stimarne le dimensioni. Se la prima parte della tesi è incentrata sui problemi derivanti dalla modellazione CSG, la seconda invece suggerisce un alternativa ad essa, che è l'uso di Mesh non Strutturate (UM), un approccio che sta alla base di CFD e FEM, ma che risulta innovativo nell'ambito di codici Monte Carlo. In particolare le UM sono state applicate ad una porzione dell' Upper Launcher (un componente di ITER) in modo da validare tale metodologia su modelli nucleari di alta complessità. L'approccio CSG tradizionale e quello con UM sono state confrontati in termini di risorse computazionali richieste, velocità, precisione e accuratezza sia a livello di risultati globali che locali. Da ciò emerge che, nonostante esistano ancora alcuni limiti all'applicazione per le UM dovuti in parte anche alla sua novità, vari vantaggi possono essere attribuiti a questo tipo di approccio, tra cui un workflow più lineare, maggiore accuratezza nei risultati locali, e soprattutto la possibilità futura di usare la stessa mesh per diversi tipi di analisi (come quelle termiche o strutturali).

Progettazione e calcolo strutturale di un serbatoio pressurizzato in alluminio per vettura ibrida

L’obiettivo della tesi è mettere a punto una metodologia che permetta di eseguire simulazioni sul comportamento di un serbatoio pressurizzato in alluminio di una vettura supersportiva ibrida.Verrà analizzato il sistema costituito dal serbatoio e da quattro bretelle di fissaggio, così da poter simulare differenti metodi di montaggio del serbatoio e valutare le tensioni generate dal fissaggio stesso. Lo strumento di lavoro utilizzato è ANSYS Mechanical, un software incluso nel pacchetto ANSYS Workbench che implementa un metodo di calcolo numerico agli elementi finiti. Per validare il modello sono stati testati in pressione due serbatoi, che e successivamente sono stati scansionati: la correlazione tra i dati sperimentali e le simulazioni ha mostrato che il modello, seppur semplificato, risulta sufficientemente accurato. Dopo i riscontri positivi avuti dalla validazione, sono stati applicati al modello sia carichi statici che ciclici, al fine di esprimere un giudizio sulla resistenza strutturale statica e a fatica del serbatoio. Successivamente, l’individuazione dei principali parametri di interesse ha consentito di effettuare la parametrizzazione del modello e l’ottimizzazione dei parametri. Ciò ha permesso di elaborare ulteriori considerazioni, sulla base delle quali sono stati forniti gli input di progettazione.

Validazione di modelli per la simulazione del film di combustibile liquido a parete in motori ad accensione comandata

Le normative antinquinamento sempre più stringenti in termini di emissioni prodotte da un MCI hanno reso necessario lo studio e lo sviluppo di modelli predittivi in grado quindi di simulare tutto ciò che avviene all’interno della camera di combustione; allo scopo di ottimizzare quello che è un prodotto industriale e che pertanto va venduto. Il presente elaborato di tesi si è quindi incentrato sull’impatto che uno spray di combustibile, iniettato ad alta pressione, ha su pareti calde e fredde, analizzando tutto ciò che concerne l’eventuale sviluppo di wall-film prodotto come la relativa massa, area, spessore e raffreddamento della parete per via della propria interazione con il film a parete. Sono stati prima di tutto studiati i fenomeni fisici in atto e successivamente analizzati i modelli implementati nel codice di calcolo commerciale utilizzato STAR-CD, in particolare il modello di boiling, il modulo 1D-CHT ed il modello di impatto Bai-ONERA; il tutto facendo riferimento a esperimenti, già condotti, presenti in letteratura.

Sviluppo di un modello numerico per la previsione della diluizione del film di lubrificante sulle pareti dei cilindri di motori

L'evoluzione dei motori ad accensione comandata, a fronte di una richiesta di mini- mizzazione delle emissioni di CO2 e la necessità di mantenere un target di potenza e guidabilità unitamente a consumi sempre inferiori, ha portato allo sviluppo di motori più piccoli a maggiore densità di potenza. Con l'introduzione dei motori downsized, le ridotte dimensioni della camera di combustione in congiunzione alla soluzione dell'iniezione diretta, hanno creato le condizioni per le quali un certo quantitativo di combustibile (e/o acqua nel caso della water injection) va ad impattare a parete interagendo con lo strato di olio lubrificante. Vista l'importanza del lubrificante nel cilindro motore e le conseguenze del suo inquinamento o trasporto sul funzionamento dello stesso, si rende necessario uno studio di dettaglio sul fenomeno dell'impatto. Il seguente lavoro di tesi consiste nello sviluppo di un modello monodimensionale per l'analisi numerica dell'interazione tra due uidi mono o multi componenti, che permetta di stimare la variazione di composizione e l'evoluzione delle grandezze ter- modinamiche del sistema binario valutando le sue possibili condizioni al contorno a seconda dell'applicazione. Ad esempio nel caso della camera di un MCI, le condizioni al contorno del sistema binario possono essere rappresentate dagli scambi con uno strato solido (rappresentativo del cilindro) da una parte e con uno strato gassoso (rappresentativo della miscela in formazione in camera) dall'altro.

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.