Computational Fluid Dynamics Methods for Performance Prediction of Automotive Positive Displacement Pumps

L'uso sistematico delle simulazioni nei processi di sviluppo del prodotto è un approccio all'avanguardia nel moderno settore automotive. I modelli consentono una conoscenza più dettagliata dei prodotti consegnati, fornendo effetti benefici in termini di mitigazione del rischio di guasto e riduzione del time-to-market. In questo quadro, questa tesi affronta il tema della modellazione fluidodinamica computazionale tridimensionale transitoria delle pompe volumetriche automobilistiche. Sviluppa una serie di approcci di simulazione e modellazione e li applica a casi di studio industriali. Tali indagini sono state affrontate durante un corso di dottorato offerto dall'Università di Ferrara (Ferrara, Italia) in collaborazione con ZF Automotive Italia S.r.l. (San Giovanni di Ostellato, Italia), azienda leader mondiale nella tecnologia delle trasmissioni. A parziale soddisfazione dei requisiti per il dottorato, questa tesi tratta varie architetture di macchine (pompe a palette, pompe a pendoli, pompe gerotor e pompe a crescente) come parte di diverse applicazioni automotive per scopi quali lubrificazione, raffreddamento e azionamento idraulico. L'obiettivo industriale delle attività è quello di sviluppare modelli di simulazione in grado di fornire previsioni quantitative affidabili delle prestazioni di tali pompe in relazione a efficienza, durata e comportamento noise-vibration-harshness. Tuttavia, l'obiettivo principale è quello di studiare questi argomenti sviluppando aspetti dei metodi proposti che potrebbero essere considerati rilevanti dal punto di vista accademico, come l'uso innovativo di modelli esistenti, l'adozione di analisi numeriche per caratterizzazioni non convenzionali, l'uso di approcci di meshing all'avanguardia per la discretizzazione di geometrie raramente affrontate in letteratura e lo sviluppo di nuovi metodi multidominio basati sulla fluidodinamica computazionale. La politica è quella di concentrarsi su argomenti che hanno il potenziale per un rapido trasferimento tecnologico. Per questo motivo, i modelli numerici vengono sviluppati utilizzando moderni software commerciali. Per ogni studio sono presentate campagne di test fisici dedicate per la validazione del modello, discutendo i limiti degli approcci proposti su base sperimentale. I risultati descrivono le attuali capacità dei metodi numerici presentati per prevedere le prestazioni delle pompe volumetriche automotive in scenari realistici a livello industriale.

The systematic use of simulations throughout the product development processes is a state-of-the-art approach in the modern automotive industry. Models are enablers of more detailed knowledge of the delivered products, providing beneficial effects in terms of failure risk mitigation and time-to-market shortening. Within this framework, this thesis addresses the topic of the transient three-dimensional computational fluid dynamics modeling of automotive positive-displacement pumps. It develops a series of simulation and modeling approaches and applies them to industrial case studies. Those investigations have been addressed during a doctoral course offered by the University of Ferrara (Ferrara, Italy) in partnership with ZF Automotive Italia S.r.l. (San Giovanni di Ostellato, Italy), a global leader company in driveline technology. In partial fulfillment of the requirements for the doctoral degree, this thesis deals with various machine architectures (vane pumps, pendulum pumps, gerotor pumps, and crescent pumps) as part of several automotive applications for purposes like lubrication, cooling, and hydraulic actuation. The industrial goal of the activities is to develop simulation models capable of providing reliable quantitative predictions of the performance of those pumps in relation to efficiency, durability, and noise-vibration-harshness behavior. However, the main objective is to study those topics while developing aspects of the proposed methods that could be deemed relevant from the academic viewpoint, like the innovative use of existing models, the adoption of numerical analyses for unconventional characterizations, the usage of state-of-the-art meshing approaches for discretizing geometries rarely addressed in the literature, and the development of new multi-domain methods based on computational fluid dynamics. The policy is to focus on topics that have the potential for a quick technological transfer. For that reason, the numerical models are developed using up-to-date commercial software. Dedicated physical testing campaigns for model validation are presented for each study, discussing the limitations of the proposed approaches on an experimental basis. The results describe the current capabilities of the presented numerical methods to predict the performance of automotive positive-displacement pumps in industrially realistic scenarios.