Descrizione del modulo "Applicazioni di modellistica CFD avanzata con cinetica chimica dettagliata per l'analisi di sistemi di combustione innovativi (ET.P02.003.002)"

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  • Descrizione del modulo "Applicazioni di modellistica CFD avanzata con cinetica chimica dettagliata per l'analisi di sistemi di combustione innovativi (ET.P02.003.002)" (literal)
Potenziale impiego per bisogni individuali e collettivi
  • Come anticipato nei precedenti campi, la ricerca mira ad acquisire metodiche di calcolo avanzate da trasferire su tipologie di prodotto ad alta tecnologie competitive in mercati esteri. Da questo punto vista, la ricerca risponde all'esigenza nazionale di un miglioramento della competitività di aziende italiane ed a creare un quadro di sinergie con altre Istituzioni scientifiche. (literal)
Tematiche di ricerca
  • Le tematiche riguardano: - Studio/ottimizzazione dei sistemi di combustione avanzati e/o non convenzionali mediante applicazioni del codice in modalità di \"mixed combustion\" e/o \"partially premixed combustion\" e per l'ottimizzazione del disegno del sistema di combustione. - Studio dei sistemi di combustione Dual-fuel, che richiedono la descrizione contemporanea dell'evoluzione della autoaccensione e combustione diesel con la propagazione di un fronte di fiamma in una carica premiscelata con applicazioni ad un motore CFR a rapporti di compressione variabile. - Simulazione e validazione sperimentale della dinamica di uno spray di combustibile diesel per sistemi di iniezione di avanzata generazione e/o prototipali. - Simulazione numerica della combustione diesel, dell'autoaccensione, formazione dei precursori gassosi (PAH) e di particolato carbonioso in condizioni motoristiche convenzionali e alternative attraverso l'implementazione di schemi cinetici dettagliati. Validazione sperimentale dei modelli numerici utilizzati. -Studio dei modelli di simulazione dell'interazione cinetica-turbolenza per applicazioni alla combustione diesel. (literal)
Competenze
  • Da anni l'Istituto Motori lavora allo sviluppo di una più appropriata modellistica dei processi che caratterizzano la combustione nei motori, affinche' aumenti la capacità di predizione degli attuali codici multidimensionali. Le competenze acquisite riguardano la modellazione della formazione della miscela, dell'autoaccensione, della combustione e della formazione delle specie facendo largo uso della massa di dati sperimentali in possesso dell'IM. La complessa natura del fenomeno da modellare richiede non solo competenze fisico-chimiche (fenomeno di combustione di spray, modellazione di flussi reattivi, conoscenza dell'intero sistema-motore, esperienza sperimentale) e di tipo motoristico (ingegneria meccanica), ma anche specifiche competenze di fluidodinamica numerica (ingegneria aerospaziale, sviluppo dei codici di calcolo e approfondimento dei meccanismi di interazione cinetica-turbolenza), informatica e matematica numerica (applicazione di metodologie numeriche avanzate). (literal)
Potenziale impiego per processi produttivi
  • Attraverso l'uso di modelli numerici avanzati, validati sperimentalmente su motori allo stato dell'arte della tecnologia, è possibile esplorare modalità innovative di gestione della combustione in motori. In sostanza la modellazione numerica applicata può contribuire a sostenere specifiche tendenze di sviluppo industriale, fornendo previsioni e stime sia relativamente all'impiego di combustibili alternativi, che rispetto a realistiche prospettive di implementazione di soluzioni innovative (es. motorizzazioni dual fuel, adozione di iniettori innovativi etc.). (literal)
Tecnologie
  • Tecniche di modellizzazione e tecniche di programmazione in relazione alle piattaforme hardware. Cluster parallelo di PC Pentium IV-3GHz con Fast Ethernet Switch. Macchina di calcolo 4 x AMD processore 8-core. Codici di calcolo CFD e software di rappresentazione grafica tridimensionale dei campi all'interno delle camere di combustione. (literal)
Obiettivi
  • L'obiettivo primario è l'incremento di predittività della simulazione multidimensionale quale utile strumento di supporto ed interpretazione della sperimentazione attraverso: -Impiego della versione 2.0 di OpenFOAM che consente la parallelizzazione del calcolo, relativa sia ai modelli fluidodinamici che chimici del processo di combustione. -Simulazione della formazione ed ossidazione di particolato durante la combustione diesel con modelli specifici dettagliati . - Impiego di diversi schemi cinetici per l'analisi della combustione in modalità di iniezione indiretta (parziale premiscelazione della carica) e mista (contemporanea iniezione PFI e DI), per l'applicazione a modalità di combustione \"dual fuel\". - Studio delle soluzioni modellistiche più adatte alla caratterizzazione della modalità di combustione \"dual-fuel\". -Studio delle soluzioni modellistiche più adatte alla caratterizzazione di iniettori prototipali per motori ad accensione per compressione. (literal)
Stato dell'arte
  • Il calcolo CFD multidimensionale dei fenomeni transienti termofluidodinamici in motori a combustione interna risale nelle sua prime applicazioni all'inizio degli anni 70. A tutt'oggi, la simulazione numerica di motori a combustione interna richiede ulteriori sforzi per il miglioramento del livello di predittività del calcolo. La fluidodinamica di flussi reattivi turbolenti in condizioni fortemente instazionarie in geometrie di volume variabile presenta infatti un alto grado di complessità ed onerosità del calcolo. L'Istituto Motori ha investito negli ultimi anni in questo specifico settore avvalendosi anche della preziosa esperienza sperimentale, arrivando a sviluppare una piattaforma parallela originale con l'uso del codice KIVA 3V con cinetiche dettagliate e ad acquisire stabili competenze con tale codice. Parallelamente si è investito sull'impiego e lo sviluppo del codice open source OpenFOAM, di recente usato in ambito motoristico, mirando al trasferimento del know-how acquisito sulla simulazione numerica della combustione diesel. (literal)
Tecniche di indagine
  • Le tecniche d'indagine prevedono la realizzazione di simulazioni numeriche attraverso l'utilizzo e lo sviluppo di modelli di combustione e richiedono l'uso di tecniche di calcolo termo-fluidodinamico. A tali tecniche sono affiancate sia attività sperimentali di supporto specifico alle indagini teoriche che attività puramente numeriche, per l'analisi di singoli sottomodelli. La validazione sperimentale della predittività del codice viene eseguita con prove al banco su motori mono e pluricilindrici. La riproduzione del processo di combustione viene applicata sia a motori monocilindrici, allestiti per lo svolgimento di specifiche attività di ricerca, che motori pluricilindrici nella loro versione \"commerciale\". Ulteriore tecnica d'indagine è la sperimentazione numerica stessa: realizzando test teorici in condizioni limite, condizioni operative e/o geometrie è possibile valutare aspetti specifici, come, ad esempio, l'effetto della geometria della camera di combustione sulla dinamica di un certo spray etc. (literal)
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