L’ attività di ricerca si è sviluppata in diversi ambiti:
1. Modellazione monodimensionale:
a. di sistemi pneumatici ed oleodinamici per applicazioni industriali ed automobilistiche: sistemi di iniezione Common Rail, pompe oleodinamiche, forcelle motociclistiche.
b. Modellazione monodimensionale di motori alimentati a benzina ed a combustibili alternativi (incluso idrogeno) per lo studio del processo di combustione, incluso l'avviamento a freddo.
2. Modellazione fluidodinamica tridimensionale di:
a. processo di combustione per motori a benzina ad elevate prestazioni, con particolare riferimento alla accensione;
b. studio di flussi altamente turbolenti;
c. studio della formazione di moti organizzati della carica nel cilindro (Tumble).
d. Analisi dell'iniezione d'acqua nei moderni motori GDI.
e. Modellazione del processo di KNOCK nei moderni motori GDI e PFI.
f. Iniezione diretta di idrogeno: getti fortemente sotto-espansi.
3. Modellazione 0D / 3D CFD del sistema cardiocircolatorio. Modellazione con fluido non-newtoniano (sangue) e per flusso laminare / turbolento, con interazione lume-sangue (interazione fluido-struttura) se di pertinenza.
1. Modellazione monodimensionale. La attività di ricerca è stata mirata allo sviluppo di modelli di simulazione numerica monodimensionale:
Sistemi di iniezione ad elevata velocità di attuazione e ad alta pressione per motori a combustione interna ad accensione spontanea di tipo Common Rail. È stato sviluppato un primo modello di simulazione elettro-fluido-meccanica dello iniettore ed è stata concepita e realizzata una centralina avanzata di gestione dello iniettore stesso in collaborazione con la VM Motori. Successivamente la ricerca si è concentrata sullo sviluppo e sulla validazione sperimentale di una metodologia di studio basata sullo utilizzo integrato della modellazione monodimensionale e della modellazione tridimensionale al fine di ottenere un modello monodimensionale completamente predittivo, in collaborazione con la Magneti Marelli Powertrain Systems. Ciò ha consentito lo studio approfondito non solo della dinamica dello iniettore ma anche della interazione dei singoli iniettori fra loro e con il sistema di iniezione in caso fossero adottate strategie di iniezioni multiple.
Pompe oleodinamiche ad ingranaggi esterni. Sviluppo di modelli monodimensionali di simulazione finalizzati allo studio ed alla progettazione di pompe oleodinamiche ad ingranaggi esterni ad uguale numero di denti. In questo ambito era di particolare interesse lo studio delle pressioni nei vani fra i denti in funzione della geometria della pompa, del numero dei denti e del loro profilo al fine di ridurre il rumore di funzionamento. In particolare, è stato oggetto di studio lo sviluppo di un modello che tenesse conto dello effetto della usura sulle prestazioni delle pompe.
Rivettatrici ed insertatrici manuali oleopneumatiche. Sviluppo di modelli numerici monodimensionali per la simulazione finalizzata alla progettazione di rivettatrici ed insertatrici manuali oleopneumatiche. Scopo della ricerca era di modellare la interazione dinamica fra i diversi componenti per temporizzarli accuratamente.
Forcelle oleodinamiche per applicazioni motociclistiche. Sviluppo di modelli monodimensionali per la simulazione delle forcelle oleodinamiche di scooter e motociclette: scopo di tale studio era la comprensione dello effetto della cavitazione sulle prestazioni di tali forcelle. Sviluppo di modelli monodimensionali per la simulazione delle forcelle oleodinamiche a cartuccia per motociclette da strada di alta gamma: scopo di tale studio era la comprensione della dinamica interna della forcella per aumentarne le prestazioni in termini di sicurezza e comfort di guida.
Avviamento a bassa temperatura di un motore a combustione interna alimentato ad etanolo puro: l'obiettivo era lo studio termo fluidodinamico dell'avviamento di un veicolo equipaggiato con un motore ad accensione comandata ed alimentato con etanolo puro in condizioni di temperature esterne inferiori a 10°C. In particolare, il lavoro di ricerca si è incentrato dapprima sull'identificazione delle criticità connesse all'avviamento “a freddo”, legate alle caratteristiche del carburante. Successivamente sono state individuate possibili soluzioni progettuali, che sono state investigate con idonee tecniche di simulazione numerica.
2. Modellazione tridimensionale. In questo ambito l’attività di ricerca si è concentrata sullo studio e sulla modellazione del processo di combustione nei motori a benzina ad elevate prestazioni con il codice KIVA-3 sviluppato con la implementazione di numerosi modelli alla Università di Bologna. In particolare, sono state analizzate le problematiche connesse alla accensione ed è stato sviluppato un modello in grado di simulare tale processo. Questo è un punto critico nella modellazione 3D CFD perché è necessario predire correttamente il funzionamento del sistema di accensione nei motori a benzina. In particolare, sono critici il criterio usato per il deposito della fiamma e la successiva inizializzazione della fase di combustione vera e propria. Ovviamente una modellazione accurata di tale processo richiederebbe la soluzione di time-steps e lunghezze molto minori di quelle tipiche delle simulazioni CFD RANS, il che aumenterebbe troppo i tempi di calcolo. Il modello sviluppato durante questa attività di ricerca è un modello monodimensionale di accensione, che è poi accoppiato al modello 3D CFD, e che tiene conto degli effetti della convezione, della turbolenza e dello indice di miscela sullo sviluppo del kernel di fiamma e poi sulla combustione di fiamme premiscelate.
Successivamente l’attività di ricerca si è concentrata sull'analisi dei flussi nei motori a combustione interna, con particolare attenzione alla formazione di moti della carica organizzati. Infatti, la continua richiesta di motori a basso impatto ambientale e quindi a ridotti consumi ed elevate efficienza, implica la necessità di combustioni rapide e a ridotta variabilità ciclica. Nei motori PFI, che sono ancora i più usati, è assolutamente necessario ottenere all'atto del riempimento un moto della carica organizzato per incrementare l'efficienza. In particolare, la formazione di un vortice di tumble coerente ed avente dimensioni comparabili con la corsa del pistone tende a promuovere la formazione di un elevato livello di turbolenza alla fine della fase di compressione, il che accelera il processo di combustione e consente l'adozione di strategie anche “lean-burn”, che altrimenti sono caratterizzate da elevata variabilità ciclica a causa dell'instabilità di combustione. In particolare, per applicazioni motociclistiche o per scooter, il moto di tumble è considerato ancora più importante per aumentare l'efficienza del motore perché i pesi ridotti ed i limiti di ingombro, nonché di costo, limitano in tale campo l'adozione di sistemi che invece sono largamente in uso in campo automobilistico. Attualmente è in corso uno studio mirato a verificare l'influenza che alcuni parametri geometrici e di funzionamento hanno sulla generazione del moto di tumble durante la fase di aspirazione, nonché della produzione di turbolenza durante la fase di compressione, considerando però anche l'importanza del riempimento del cilindro e quindi non trascurando questo aspetto rispetto al resto.
Infine, la ricerca si è focalizzata sulla modellazione 3D di getti altamente sotto-espansi per la corretta predizione del comportamento dell'idrogeno iniettato direttamente in camera di combustione.
Il codice CFD di riferimento per le simulazioni è AVL Fire.
Ha condotto la sua attività di ricerca in collaborazione con: VM Motori, Magneti Marelli Bologna, Ferrari, PIAGGIO, FAR, PAIOLI, BUCHER HYDRAULICS.
3. Modellazione 0D / 3D CFD del sistema cardiocircolatorio. Modellazione dell'emodinamica del sistema cardiocircolatorio con approccio zero-D (Phyton) e con approccio 3D (codice OpenFoam), considerando il sangue un fluido NON-NEWTONIANO e modellando anche l'INTERAZIONE LUME-SANGUE (interazione fluido-struttura) dove applicabile. Il codice di riferimento per le simulazioni 3D è OpenFoam.
Negli ultimi anni l’attività di ricerca si è concentrata in:
1. Analisi dinamica dei processi di aspirazione e scarico in motori a benzina, volte alla massimizzazione del riempimento ed alla minimizzazione del lavoro di pompaggio.
2. Studio del processo di combustione per motori a benzina, con particolare attenzione alla modellazione previsionale dell'insorgere del processo detonante.
3. Analisi CFD dell'iniezione d'acqua nei motori GDI di ultima generazione, volta al contenimento della temperatura della carica a IVC e a TDC.
4. Analisi CFD dei cicli Miller/Atkinson moderni applicati ai moderni motori GDI turbo-compressi.
5. Analisi termica di un metanatore.
6. Studio fluido-termodinamico di motori benzina di ultima generazione tipo 'SACI'.
7. Analisi dell'orientamento in fase di montaggio di un iniettore PFI per ridurre al minimo le emissioni inquinanti a freddo per applicazioni motociclistiche.
8. Studio della combustione GCI e del relativo processo di iniezione.
9. Simulazioni di cinetica chimica volte a definire la velocità laminare di fiamma ed il tempo di auto-accensione per miscele di differenti combustibili (per esempio idrogeno, metano, ammoniaca) in condizioni operative di interesse motoristico.
10. Analisi del processo evaporativo dell'olio lubrificante in motori a combustione interna di ultima generazione.
11. Analisi energetica Well-to-Miles di moderni powertrain.
12. Utilizzo dell'idrogeno in moderni motori a combustione.
13. Modellazione 1D del powertrain ibrido a fuel cells.
14. Studio del NOTIONAL NOZZLE in getti gassosi fortemente sotto-espansi (idrogeno).
15. Modello 0D di svuotamento di un serbatoio di idrogeno a 700 bar.
16. Analisi CFD del TPRD per applicazioni ad idrogeno stoccato a 700 bar.
17. Analisi di "esplosione" di getti di idrogeni uscenti da un TPRD.
18. Sviluppo di un motore a combustione interna accoppiato ad una cella a combustibile solida (SOFC) per applicazioni navali (SOFFHICE Project, Prot. P2022K3TMP, funded by the European Union – NextGenerationEU, under the National Recovery and Resilience Plan PNRR, Mission 4 Component 2 Investment 1.1 – National Program of Research (PNR) and Research Projects of Relevant National Interest (PRIN), Call for tender n. 1409 of 14-9-2022 of University and Research Ministry MUR):
- dallo scarico della SOFC il motore riceve in ingresso una portata definita di Anod Off-Gases (AOGs), contenenti piccole percentuali di idrogeno, monossido di carbonio ed anidride carbonica,
- definizione delle caratteristiche chimiche del combustibile utilizzato (metano, ammoniaca), con e senza idrogeno (contenuto negli AOGs e che può fungere da accelerante per una combustione molto magra),
- ottimizzazione delle dimensioni del motore sulla base dello spazio disponibile e delle prestazioni legate al tipo di "viaggio", in termini di potenza ma anche di contenimento dei consumi (quindi massimizzazione del rendimento),
- studio della geometria del motore (a precamera attiva) con modellazione CFD,
- accoppiamento dinamico del modello con un modello della SOFC.
19. Modellazione dell'emodinamica del sistema cardiocircolatorio con approccio zero-D (Phyton) e con approccio 3D (codice OpenFoam).
