Modellazione e Calibrazione CFD 1D/3D di un propulsore Opposed Piston convertito a Metano

Lo sviluppo di sistemi propulsivi flessibili e multi-fuel è un passaggio centrale per ridurre l'impatto ambientale del settore dei trasporti e della generazione stazionaria. In questo scenario, i motori a due tempi a pistoni contrapposti (Opposed Piston - OP) si prestano particolarmente bene all'uso di combustibili alternativi. Il presente lavoro esplora quindi la conversione a metano (CNG) di un propulsore monocilindrico OP, l'unità 'H2 Motor', in origine concepita e validata per funzionare a idrogeno. Lo scopo è caratterizzare in modo predittivo le dinamiche di lavaggio (uniflow scavenging), iniezione e combustione, così da valutare le prestazioni e la reale fattibilità operativa di questa conversione. L'analisi si basa su una metodologia di accoppiamento offline a cascata tra l'ambiente monodimensionale (1D) GT-Power e il solutore 3D CFD AVL FIRE M. Questa scelta permette di aggirare sia i limiti di risoluzione spaziale intrinseci ai codici 1D, sia i costi computazionali proibitivi tipici delle simulazioni 3D complete. Il lavoro è partito da un'ottimizzazione in ambiente 1D, dove la ricalibrazione della fasatura e delle geometrie di scarico (wave tuning) ha consentito di eliminare i riflussi, favorendo il lavaggio della carica e lo svuotamento dei gas residui. Questo primo layout è stato testato in ambiente 3D a flusso freddo (non reagente), sfruttando celle poliedriche e il modello di turbolenza k-\zeta-f. Dal confronto incrociato tra i due solutori è stato possibile calibrare il modello 1D, portando l'errore relativo sulla stima della massa intrappolata a valori inferiori all'1%. Successivamente, l'attenzione si è spostata su miscelazione e combustione. Per non sovrapporre le incertezze legate alla cinetica del gas naturale con la complessa geometria del motore OP, il modello di combustione a tre zone (ECFM-3Z) è stato prima tarato sui dati sperimentali di un motore commerciale convenzionale (tramite un approccio di Baseline Model Porting). Solo dopo questa validazione, i parametri sono stati trasferiti sul modello del propulsore OP. L'estrazione dell'Energia Cinetica Turbolenta (TKE) dal 3D ha infine fornito il riferimento fisico esatto per calibrare il modello di combustione predittiva (SITurb) nel 1D, chiudendo così l'accordatura 1D/3D. Le simulazioni 3D multi-ciclo confermano la stabilità transitoria del lavaggio e la ripetibilità dell'innesco a metano su cicli consecutivi. Il modello 1D finale, invece, ha permesso di esplorare l'intera mappa operativa, verificando il raggiungimento dei target prestazionali macroscopici: una IMEP al massimo di 10 bar, una potenza massima di 40 kW e un rendimento termico globale (BTE) che si attesta al 39%. Il risultato è un prototipo virtuale altamente predittivo che pone basi solide per la futura ottimizzazione pre-prototipale e, in prospettiva, per lo sviluppo di un digital twin necessario all'analisi e al controllo delle metriche durante la sperimentazione fisica al banco.