Sviluppo di una metodologia CFD in ambiente open source per l’analisi termo-fluidodinamica del raffreddamento di motori ad alte prestazioni

The proper design of the cooling circuit is a key aspect in the development of high-performance engines, where high thermal loads require accurate control of both component temperatures and coolant distribution. In this context, three-dimensional CFD simulations make it possible to analyse the behaviour of the cooling circuit and to obtain useful information from both a fluid-dynamic and a thermal point of view. The present thesis is focused on the development of a 3D CFD methodology for the thermo-fluid analysis of engine cooling circuits using the open-source software OpenFOAM. The activity covered the entire simulation workflow, from geometry preparation and mesh generation to the definition of physical models, boundary conditions and post-processing procedures. In a first stage, the fluid-dynamic behaviour of the cooling circuit was analysed by evaluating the coolant flow distribution, pressure losses and the influence of the main numerical and modelling choices. The analysis was then further developed from a thermal point of view, with particular attention to the evaluation of local heat transfer coefficients and to the identification of the regions subjected to the highest thermal loads. The work was then completed through the introduction of a Conjugate Heat Transfer simulation, including the main solid engine components in the computational domain and modelling the heat transfer between the combustion chamber, the solid structures and the cooling circuit. Particular attention was also devoted to the treatment of non-conformal interfaces, which made it possible to develop a multi-region model capable of simultaneously describing the temperature field within the solid components and the behaviour of the coolant. The developed workflow therefore provides a complete procedure for the CFD analysis of cooling systems for high-performance engines and represents a basis for the use and further development of open-source tools within the industrial design process.

La corretta progettazione del circuito di raffreddamento rappresenta un aspetto fondamentale nello sviluppo di motori ad elevate prestazioni, nei quali gli elevati carichi termici richiedono un controllo accurato delle temperature dei componenti e della distribuzione del refrigerante. In questo ambito, le simulazioni CFD tridimensionali permettono di analizzare il comportamento del circuito e di ottenere informazioni utili sia dal punto di vista fluidodinamico sia termico. Il presente lavoro di tesi è finalizzato allo sviluppo di una metodologia CFD 3D per l’analisi termo-fluidodinamica dei circuiti di raffreddamento motore mediante il software open source OpenFOAM. L’attività ha riguardato l’intero workflow di simulazione, dalla preparazione della geometria e dalla generazione della mesh fino alla definizione dei modelli fisici, delle condizioni al contorno e delle procedure di post-processing. In una prima fase è stato analizzato il comportamento fluidodinamico del circuito di raffreddamento, valutando la distribuzione delle portate, le perdite di carico e l’influenza delle principali scelte numeriche e di modellazione. L’analisi è stata successivamente approfondita dal punto di vista termico, con particolare attenzione alla determinazione dei coefficienti di scambio termico locali e alla caratterizzazione delle regioni maggiormente sollecitate. Il lavoro è stato poi completato mediante l’introduzione di una simulazione Conjugate Heat Transfer, includendo nel dominio computazionale i principali componenti solidi del motore e modellando il trasferimento di calore tra camera di combustione, strutture solide e circuito di raffreddamento. Particolare attenzione è stata inoltre dedicata alla gestione delle interfacce non conformi, che ha consentito di realizzare un modello multi-regione capace di descrivere simultaneamente il campo termico dei componenti solidi e il comportamento del refrigerante. Il workflow sviluppato costituisce quindi una procedura completa per l’analisi CFD dei sistemi di raffreddamento di motori ad elevate prestazioni e rappresenta una base per l’impiego e l’ulteriore sviluppo di strumenti open source all’interno del processo di progettazione aziendale.