Sviluppo di una metodologia di accoppiamento CHT-Combustione mediante super-cycling per la simulazione del campo termico della testa in motori GDI ad alte prestazioni

Accurate evaluation of the thermal field in internal combustion engines is a key aspect during the design and development stages, especially for high-performance units subjected to severe mechanical and thermal loads. A reliable prediction of component temperatures is essential to ensure the mechanical and thermal integrity of the engine, while also providing useful information for the optimization of combustion, heat transfer and the cooling system. In this context, three-dimensional CFD simulations represent an essential tool for the analysis of in-cylinder phenomena and for the evaluation of the thermal loads transferred to the combustion chamber walls. However, in conventional design procedures, combustion simulations and the thermal analysis of solid components are often treated as separate problems, requiring successive iterations between distinct models to achieve a consistent thermal condition. The aim of this thesis is to develop a coupling methodology between combustion simulation and Conjugate Heat Transfer (CHT) through the super-cycling technique available in CONVERGE. This approach allows the description of in-cylinder processes and the thermal evolution of solid components to be integrated within a single computational procedure, while efficiently handling the different characteristic time scales of the fluid and solid domains. The methodology was applied to a high-performance GDI engine, starting from a reference in-cylinder model and progressively developing a coupled fluid-solid configuration for the prediction of the thermal field in the engine head. The activity included the setup of the CHT calculation, the definition of the super-cycling procedure and the analysis of the influence of selected numerical and geometrical choices on the resulting solution. The results show that super-cycling can represent an effective solution for coupling combustion and CHT simulations in internal combustion engine applications, reducing the dependence on prescribed thermal boundary conditions and fully decoupled procedures. The developed workflow therefore provides a methodological basis for future extensions and for the application of coupled thermo-fluid dynamic simulations to high-performance internal combustion engines.

La valutazione accurata del campo termico nei motori a combustione interna rappresenta un aspetto fondamentale nelle fasi di progettazione e sviluppo, soprattutto nel caso di motori ad alte prestazioni, caratterizzati da elevate sollecitazioni meccaniche e termiche. Una corretta previsione delle temperature dei componenti consente infatti di garantire l’affidabilità meccanica e termica del motore, fornendo al tempo stesso indicazioni utili per l’ottimizzazione della combustione, dello scambio termico e del sistema di raffreddamento. In questo contesto, le simulazioni CFD-3D costituiscono uno strumento essenziale per l’analisi dei fenomeni in-cylinder e per la valutazione dei flussi termici trasferiti alle pareti della camera di combustione. Tuttavia, nei flussi di lavoro tradizionali, le simulazioni di combustione e l’analisi termica dei componenti solidi sono spesso trattate come problemi separati, richiedendo iterazioni successive tra modelli distinti per ottenere una condizione termica coerente. Il presente lavoro di tesi si propone di sviluppare una metodologia di accoppiamento tra simulazione di combustione e Conjugate Heat Transfer (CHT) mediante la tecnica del super-cycling disponibile in CONVERGE. Tale approccio consente di integrare in un’unica procedura di calcolo la descrizione dei fenomeni in-cylinder e l’evoluzione termica dei componenti solidi, gestendo in modo più efficiente la differenza tra le scale temporali caratteristiche del fluido e del solido. La metodologia è stata applicata a un motore GDI ad alte prestazioni, partendo da un modello in-cylinder di riferimento e sviluppando progressivamente una configurazione accoppiata fluido-solido per la previsione del campo termico nella testa motore. L’attività ha previsto l’impostazione del calcolo CHT, la definizione della procedura di super-cycling e l’analisi dell’influenza di alcune scelte numeriche e geometriche sulla soluzione ottenuta. I risultati mostrano come il super-cycling possa rappresentare una soluzione efficace per accoppiare simulazioni di combustione e CHT in ambito motoristico, riducendo la dipendenza da condizioni termiche imposte e da procedure completamente disaccoppiate. Il workflow sviluppato costituisce quindi una base metodologica per successive estensioni e per l’applicazione di simulazioni termo-fluidodinamiche accoppiate a motori a combustione interna ad alte prestazioni.