Modello di calcolo per la valutazione delle prestazioni propulsive di un motore ibrido

Questo lavoro di tesi, svolto presso AVIO S.P.A, sede di Colleferro (RM), divisione spazio, si inserisce all'interno del progetto Theseus, che ha come scopo finale lo sviluppo di un dimostratore di un motore ibrido a combustibile solido e ossidante gassoso. In particolare, in questo momento è richiesto un codice di calcolo, preciso ma allo stesso tempo abbastanza contenuto nei tempi di calcolo, che permetta l'analisi e le previsioni della balistica interna di tale motore ibrido. Il codice di calcolo si basa su una versione già esistente per i motori a solido (CUBIC) scritto in ambiente FORTRAN, ed è stato riadattato ai motori ibridi. In particolare è stata scritta una routine per il calcolo della velocità di combustione che tiene conto di diversi fattori, tra cui blowing e il fenomeno di entrainment presente in superficie. Sempre per quanto riguarda la velocità di combustione, nel suo calcolo si tiene conto dell'impingement dell'iniettore sul grano e del valore locale (per quanto riguarda la temperatura di fiamma) dell'O/F. Inoltre è stato anche modellato il comportamento termodinamico delle eventuali protezioni termiche presenti internamente al motore, considerando tutti i fenomeni di pirolisi e ablazione che caratterizzano tali materiali. In fine il modello completo è stato testato e validato grazie al fatto che si disponeva di alcuni tiri al banco di un motore ibrido, effettuati presso il dipartimento di Ingegneria Aerospaziale dell'Università di Napoli Federico II.

Analysis of the main phenomena affecting solid rocket motors internal ballistics

In solid rocket motors, the absence of combustion controllability and the large amount of financial resources involved in full-scale firing tests, increase the importance of numerical simulations in order to asses stringent mission thrust requirements and evaluate the influence of thrust chamber phenomena affecting the grain combustion. Among those phenomena, grain local defects (propellant casting inclusions and debondings), combustion heat accumulation involving pressure peaks (Friedman Curl effect), and case-insulating thermal protection material ablation affect thrust prediction in terms of not negligible deviations with respect to the nominal expected trace. Most of the recent models have proposed a simplified treatment to the problem using empirical corrective functions, with the disadvantages of not fully understanding the physical dynamics and thus of not obtaining predictive results for different configurations of solid rocket motors in a boundary conditions-varied scenario. This work is aimed to introduce different mathematical approaches to model, analyze, and predict the abovementioned phenomena, presenting a detailed physical interpretation based on existing SRMs configurations. Internal ballistics predictions are obtained with an in-house simulation software, where the adoption of a dynamic three-dimensional triangular mesh together with advanced computer graphics methods, allows the previous target to be reached. Numerical procedures are explained in detail. Simulation results are carried out and discussed based on experimental data.

Analisi dei parametri fluidodinamici calcolati tramite simulazione dell'occlusione dell'auricola sinistra e della dislocazione del dispositivo in condizioni di fibrillazione atriale.

La fibrillazione atriale (FA) è la forma di aritmia cardiaca più diffusa nella pratica clinica. Attualmente, sono più di 30 milioni le persone affette da FA e si prevede una forte crescita di tale numero, conseguentemente al progressivo invecchiamento della popolazione. Ad oggi, la terapia anticoagulante orale è la principale strategia impiegata per la prevenzione di ictus ischemico. Nonostante l’efficacia degli anticoagulanti, un numero rilevante di pazienti non possono assumerli, a causa di un aumentato rischio emorragico e della pericolosa interazione con altri farmaci. È stato dimostrato che nel 90% dei casi la formazione dei trombi intracardiaci in pazienti con FA avviene in un punto ben preciso dell’atrio sinistro, ossia nell’auricola. Ciò è dovuto al fatto che essa, avendo una particolare morfologia, in condizioni non fisiologiche (emodinamica rallentata), tende a favorire la stasi del sangue al suo interno. Di conseguenza, la chiusura meccanica dell’auricola è emersa come alternativa clinica alla prevenzione farmacologica. I risultati relativi a recenti trials hanno suggerito che la chiusura percutanea della LAA attraverso l’impianto di opportuni occlusori è una terapia sicura, con un’efficacia non inferiore alla terapia di anticoagulanti orali nella prevenzione dell’ictus. L’obiettivo di questo elaborato di tesi è valutare in simulazione l’effetto dell’occlusione dell’auricola sinistra e di un eventuale dislocazione del dispositivo sulla fluidodinamica atriale in pazienti affetti da FA. Sono stati realizzati modelli 3D che simulano sia il risultato della procedura di LAAO con i dispositivi Amulet e Watchman, sia l’effetto della dislocazione dell’occlusore. Successivamente, sono state effettuate le simulazioni fluidodinamiche CFD sui modelli di atrio intero, sui modelli occlusi (privi di auricola) e sui modelli parzialmente occlusi (dislocazione Amulet) per studiare e valutare i parametri fluidodinamici (velocità, vorticità e stasi).

Development of numerical tools for the simulation, design and optimization of a Helicon Plasma Thruster

This work thesis focuses on the Helicon Plasma Thruster (HPT) as a candidate for generating thrust for small satellites and CubeSats. Two main topics are addressed: the development of a Global Model (GM) and a 3D self-consistent numerical tool. The GM is suitable for preliminary analysis of HPTs with noble gases such as argon, neon, krypton, and xenon, and alternative propellants such as air and iodine. A lumping methodology is developed to reduce the computational cost when modelling the excited species in the plasma chemistry. A 3D self-consistent numerical tool is also developed that can treat discharges with a generic 3D geometry and model the actual plasma-antenna coupling. The tool consists of two main modules, an EM module and a FLUID module, which run iteratively until a steady state solution is converged. A third module is available for solving the plume with a simplified semi-analytical approach, a PIC code, or directly by integration of the fluid equations. Results obtained from both the numerical tools are benchmarked against experimental measures of HPTs or Helicon reactors, obtaining very good qualitative agreement with the experimental trend for what concerns the GM, and an excellent agreement of the physical trends predicted against the measured data for the 3D numerical strategy.

Sviluppo di metodologie di simulazione avanzate per la progettazione fluidodinamica di condotti di motori endotermici alternativi

L’attuale panorama motoristico, fortemente guidato dalle normative, prevede l’implementazione di diverse tecnologie che hanno lo scopo di migliorare l’efficienza del motore e ridurre le emissioni di inquinanti e per le quali risulta necessario una corretta progettazione dei condotti di aspirazione. Lo sviluppo ottimale dei condotti risulta un compromesso tra obiettivi contrastanti e in termini matematici si tratta di un’ottimizzazione multiobiettivo. Le simulazioni CFD e gli algoritmi genetici sono stati applicati con successo allo studio di questi problemi, ma la combinazione di questi elementi risulta notevolmente dispendiosa in termini di tempo, in quanto sarebbero necessarie un alto numero di simulazioni. Per ridurre i tempi di calcolo, un set di simulazioni CFD pu`o essere pi`u convenientemente utilizzato per istruire una rete neurale, che una volta opportunamente istruita pu`o essere usata per prevedere gli output delle simulazioni in funzione dei parametri di progetto durante l’ottimizzazione con l’algoritmo genetico, operando quella che viene chiamata una ottimizzazione virtuale. In questa tesi, viene mostrata una metodologia numerica per l’ottimizzazione multi-obiettivo dei condotti di aspirazione, basata su un modello CAD a geometria variabile, le simulazioni fluidodinamiche tridimensionali e una rete neurale combinata con un algoritmo genetico.

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.

Modellazione CFD dell'Idrogeno Gassoso nell’Impiego come Combustibile Sintetico in Motori ad Accensione Comandata

L’aumento della quantità di inquinanti emessi in atmosfera, legati all’attività antropica che si è osservato negli ultimi anni, ha portato all’emanazione di normative allo scopo di migliorare la qualità dell’aria e mitigare il cambiamento climatico. I settori responsabili di queste emissioni sono molteplici ma quello dei trasporti risulta essere uno dei maggiori indagati, condizione che ha portato ad una maggiore complessità dei motori a combustione interna, cercando così di ridurre l’impatto che hanno sull’ambiente, il clima e la salute umana. Nonostante tutto, l’abbassamento continuo dei limiti massimi, relativi alla quantità di sostanze che possono essere emesse dai veicoli, ha spinto le case automobilistiche a ricercare nuovi sistemi di propulsione. In questo contesto di riduzione degli inquinanti, sta assumendo una posizione di rilievo la scelta di utilizzare l’idrogeno come combustibile alternativo, concetto che verrà approfondito in questa tesi. Tenendo presente che un ciclo motore è suddiviso in 4 fasi: aspirazione, compressione, espansione e scarico, nell’elaborato di questa tesi, verranno analizzate la sola compressione e successiva combustione sfruttando il software di simulazione AVL FIRE. Lo studio prevede la realizzazione di un modello in grado di descrivere e simulare in maniera realistica il fenomeno di combustione dell’idrogeno e la definizione di una procedura per la caratterizzazione dei parametri di iniezione, prestando particolare attenzione all’influenza che questi hanno sul processo di formazione della miscela in modo da giungere ad una configurazione ottimale. Inizialmente sarà utilizzata una geometria con un iniettore a foro singolo posizionato centralmente, la quale progressivamente verrà modificata allo scopo di ottenere una rappresentazione sempre più simile alla condizione reale.

Sviluppo e validazione di un modello di film fluido per simulazioni CFD di motori a combustione interna

A wall film model has been implemented in a customized version of KIVA code developed at University of Bologna. Under the hypothesis of `thin laminar ow' the model simulates the dynamics of a liquid wall film generated by impinging sprays. Particular care has been taken in numerical implementation of the model. The major phenomena taken into account in the present model are: wall film formation by impinging spray; body forces, such as gravity or acceleration of the wall; shear stress at the interface with the gas and no slip condition on the wall; momentum contribution and dynamic pressure generated by the tangential and normal component of the impinging drops; film evaporation by heat exchange with wall and surrounding gas. The model doesn't consider the effect of the wavy film motion and suppose that all the impinging droplets adhere to the film. The governing equations have been integrated in space by using a finite volume approach with a first order upwind differencing scheme and they have been integrated in time with a fully explicit method. The model is validated using two different test cases reproducing PFI gasoline and DI Diesel engine wall film conditions.

Studio della fluidodinamica e della reazione chimica in un reattore agitato tramite modellazione cfd

L’attività di tesi è stata rivolta a realizzare l’accoppiamento tra modelli di reazione chimica e modelli di fluidodinamica per una reazione eterogenea solido-liquido in un reattore agitato, in ambito di un codice commerciale di fluidodinamica numerica. Lo studio ha avuto come punto di partenza la definizione e la discretizzazione del dominio di calcolo tramite un apposito programma. Per una trattazione completa, si sono svolti studi preliminari volti ad identificare le incertezze dovute ai metodi numerici e i limiti dovuti alla formulazione dei modelli per la descrizione del sistema. Lo studio si è svolto considerando sistemi di complessità crescente, partendo da simulazioni monofase fino ad arrivare allo studio di diverse soluzioni per sistemi reagenti con reazioni eterogenee solido-liquido. Questi ultimi esempi applicativi sono serviti come verifica del modello sviluppato (dove con modello si è indicato l’insieme dei modelli relativi alla fluidodinamica accoppiati al modello di reazione). Questa attività ha contribuito ad affrontare un problema di simulazione completa e completamente predittiva dei reattori chimici, essendo la letteratura a riguardo limitata, a differenza di quella relativa alle simulazioni puramente fluidodinamiche.

Studio e ricostruzione delle distribuzioni granulometriche interne al grano in motori a propellente solido

The main purposes of this essay were to investigate in detail the burning rate anomaly phenomenon, also known as "Hump Effect", in solid rocket motors casted in mandrel and the mechanisms at the base of it, as well as the developing of a numeric code, in Matlab environment, in order to obtain a forecasting tool to generate concentration and orientation maps of the particles within the grain. The importance of these analysis is due to the fact that the forecasts of ballistics curves in new motors have to be improved in order to reduce the amount of experimental tests needed for the characterization of their ballistic behavior. This graduate work is divided into two parts. The first one is about bidimensional and tridimensional simulations on z9 motor casting process. The simulations have been carried out respectively with Fluent and Flow 3D. The second one is about the analysis of fluid dynamic data and the developing of numeric codes which give information about the concentration and orientation of particles within the grain based on fluid strain rate information which are extrapolated from CFD software.

Simulazioni multifase del flusso di iniettori per applicazioni a motori gdi

Questo lavoro si concentra sullo studio fluidodinamico del flusso multifase cavitante di un iniettore per applicazioni a motori ad iniezione diretta (GDI). L’analisi è stata svolta tramite l’uso del software CFD (Computational Fluid Dynamics) Star-CCM+^® sviluppato da CD-ADAPCO. L’obiettivo di questo studio è investigare i motivi che portano ad un diverso comportamento tra i rilievi della prova sperimentale di caratterizzazione dell’iniettore e quanto atteso dai valori nominali dettati dalla specifica dell’iniettore, con particolare riferimento alla distribuzione di portata fra i diversi ugelli. Il presente lavoro fa parte di una coppia di elaborati collegati tra loro e, pertanto, ha inoltre lo scopo di fornire dati utili allo sviluppo dell’altro tema di analisi mirato alla individuazione di parametri di qualità della miscela aria-combustibile non reagente utili alla previsione della formazione del particolato prodotto dalla combustione di un motore GDI. L’elaborato, costituito di 5 capitoli, è strutturato secondo lo schema sottostante. Nel capitolo 1 vengono presentate le motivazioni che lo hanno avviato e viene esposto lo stato dell’arte della tecnologia GDI. Il capitolo 2 è a sfondo teorico: in esso vengono riportati i fondamenti del processo di cavitazione nella prima parte e i modelli numerici utilizzati nell’analisi nella seconda. Il capitolo 3 descrive la modellazione e successiva validazione dei modelli tramite confronto con il test case ‘Comprensive hydraulic and flow field documentation in model throttle experiments under cavitation conditions’ (E. Winklhofer, 2001). Nella scelta dei modelli e dei parametri relativi, l’analisi si è basata su precedenti lavori trovati in letteratura. Successivamente è stato svolto uno studio di sensibilità per valutare la stabilità della soluzione a piccole variazioni nei valori dei parametri. La scelta dei parametri modellistici nel caso di interesse, l’iniettore multihole, si è basata inizialmente sui valori ‘ottimali’ ottenuti nel test case ed è l’argomento del capitolo 4. All’interno del capitolo si parla inoltre dell’analisi di sensibilità successiva, svolta con lo scopo di comprendere i motivi che portano allo sbilanciamento tra fori corrispondenti e al maggiore sviluppo del getto centrale rispetto agli altri. Nel capitolo 5 dopo un breve riepilogo dei punti fondamentali trattati nello svolgimento dell’elaborato, si tirano le conclusioni sull’analisi e si espongono gli sviluppi futuri.

Analisi del comportamento di serbatoi di gas naturale liquefatto per applicazioni di propulsione navale in scenari di incendio

Il presente lavoro di tesi vuole focalizzare l’attenzione sull’impiego del GNL per la propulsione navale, analizzando aspetti legati alla sicurezza delle infrastrutture necessarie a tale scopo. Si sono considerati due diversi casi di studio: il primo riguarda un deposito costiero attrezzato per poter svolgere attività di rifornimento per imbarcazioni, mentre il secondo caso interessa una nave da trasporto passeggeri alimentata a GNL. È stata condotta un’analisi del rischio: l’identificazione dei pericoli ha seguito le linee guida proposte dalla metodologia MIMAH, oltre a sfruttare risultati di analisi HAZOP e HAZID. La stima delle frequenze di rilascio è stata effettuata con la tecnica della parts count, sulla base di valori ottenuti da database affidabilistici. La valutazione delle conseguenze è stata realizzata con il supporto del software DNV PHAST, utilizzando come riferimento i valori soglia proposti dal D.M. 9/5/2001. È stata infine impostata una modellazione fluidodinamica con lo scopo di valutare la possibilità di rottura catastrofica dei serbatoi di stoccaggio dovuta ad un’eccessiva pressurizzazione causata da una situazione di incendio esterno. Le simulazioni sono state condotte con il supporto del software CFD ANSYS® FLUENT® 17.2. Si è modellata una situazione di completo avvolgimento dalle fiamme considerando due geometrie di serbatoio diverse, nel caso di materiale isolante integro o danneggiato. I risultati ottenuti dall’analisi del rischio mostrano come i danni derivanti da un ipotetico scenario incidentale possano avere conseguenze anche significative, ma con valori di frequenze di accadimento tipici di situazioni rare. Lo studio fluidodinamico del comportamento di serbatoi di stoccaggio avvolti dalle fiamme ha evidenziato come questi siano capaci di resistere a condizioni gravose di incendio per tempi prolungati senza che si abbia una pressurizzazione tale da destare preoccupazione per l’integrità strutturale delle apparecchiature.

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.

Studio dell'effetto dell'iniezione di acqua diretta in motori GDI mediante simulazioni CFD

L’introduzione di normative antinquinamento sempre più stringenti ha costretto le case automobilistiche a progettare motori sempre più efficienti e puliti, sviluppando propulsori downsized sovralimentati sottoposti a notevoli sollecitazioni termomeccaniche. L’iniezione di acqua è una tecnologia innovativa che sfrutta il calore latente di evaporazione dell’acqua per raffreddare la carica, allontanando il rischio di detonazione nei motori ad accensione comandata. Essa punta a sostituire l’attuale arricchimento della miscela nei punti di funzionamento critici, in modo da diminuire i consumi di carburante e contenere le emissioni di CO, sottoposte nel prossimo futuro a limitazioni più stringenti nei cicli di omologazione RDE. Il presente lavoro di tesi ha voluto indagare, tramite simulazioni CFD, gli effetti dell’iniezione diretta di acqua su un motore GDI sovralimentato, modellato virtualmente. Le simulazioni hanno coinvolto dapprima le fasi di aspirazione e compressione, valutando l’effetto di raffreddamento sulla carica, la dinamica di evaporazione dell’acqua immessa e l’interazione sia con la dinamica dell’aria all’interno del cilindro, sia con la miscelazione aria-combustibile. Presi come riferimento i casi con λ1 e λ0,75 senz’acqua, l’analisi è iniziata quindi valutando quale fosse la fasatura di iniezione ottimale ed è proseguita analizzando gli effetti di due sistemi di iniezione a 50 bar e 150 bar al variare della quantità di acqua immessa. Una volta trovati i casi migliori nelle due configurazioni, si è proceduto a simulare la combustione, verificando che i benefici ottenuti fossero sfruttati in questa importante fase. Il raffreddamento della miscela permette di aumentare gli anticipi di accensione e quindi avere sia un maggior margine alla detonazione, sia un aumento di lavoro indicato. L’acqua però, comportandosi da inerte, inibisce la propagazione della fiamma, generando combustioni molto lunghe, che influiscono negativamente sulle temperature di scarico.

Simulazione CFD di incendio in galleria: confronto tra modello e test in scala reale

Le tecniche di fluidodinamica computazionale vengono utilizzate in numerosi settori dell’ingegneria per risolvere in modo efficiente i problemi di flusso e di termodinamica nei fluidi. Uno di questi settori in cui si è diffuso l’utilizzo delle tecniche CFD (Computational Fluid Dynamics) è il settore dell’ingegneria antincendio. Tra i vari software di simulazione presenti, FDS (Fire Dynamics Simulator) è quello più diffuso nella comunità antincendio e utilizzato all’interno della presente analisi. L’elaborato introduce le basi dell’ingegneria antincendio spiegando le varie fasi attraverso il quale passa la metodologia prestazionale, passando poi ad approfondire le dinamiche d’incendio, in particolare nelle gallerie stradali e le tecniche di modellazione termo fluidodinamica degli incendi. L’analisi tratta il confronto tra delle prove d’incendio in scala reale effettuate all’interno di una galleria e le relative simulazioni fluidodinamiche realizzate al fine di verificare la corrispondenza tra la modellazione con software e l’effettiva evoluzione dell’incendio. Nell’analisi verranno confrontati diversi metodi di modellazione, evidenziando i vantaggi e i limiti incontrati nel corso delle simulazioni, confrontandoli al tempo stesso con i risultati ottenuti dai test in scala reale. I modelli ottenuti hanno permesso di estendere le simulazioni a focolari di potenza maggiore al fine di effettuare un’analisi delle prestazioni antincendio della galleria oggetto di studio.