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Arese, Data

Angelo Rosetti – Gianluca Consentino Gattere Mario – Kyriazis Fredy

Product Engineering Tesi di laureaGasoline Engine Design Arese

Analisi Numerica Fluido-Struttura del Analisi Numerica Fluido-Struttura del Collettore di Scarico di un Motore Collettore di Scarico di un Motore Turbo-Compresso GDITurbo-Compresso GDI

Analisi numerica fluido-struttura del collettore scarico di un motore turbo-compresso GDI 2Ottobre 15, 2007

Motivi dell’Analisi

Creazione Mesh

Calcolo CFD Stazionario Fluido + Struttura

Analisi Termica e confronto con Misure Sperimentali

Analisi Termo-Strutturale

Valutazione differenti condizioni al contorno

Valutazione differenti mesh

Calcolo Transitorio combinato CFD 1D-3D

Conclusioni

Indice


1. Il motore oggetto dello studio è un 4 cilindri in linea GDI TC ad alto carico termico:

Potenza specifica: 90, 115 e 130 CV/l

Coppia specifica: 145, 180 e 195 Nm/l

2. La presenza del turbo-compressore aumenta le pressioni e le temperature allo scarico rispetto ad un motore aspirato.

3. Il collettore di scarico svolge anche il compito di supportare il turbo-gruppo.

4. I tempi per lo sviluppo di questo motore sono stati praticamente dimezzati rispetto agli standard precedenti.

Risulta necessario modellare accuratamente il collettore e diventa fondamentale effettuare un calcolo predittivo per garantire allo stesso tempo le prestazioni e l’affidabilità.

Motivi dell’Analisi fluido-struttura


Motivi dell’Analisi fluido-struttura

Stato dell’arte attuale Calcolo in più fasi:

Mappaggio e scambio dati tra analisi CFD e analisi FEM, necessità di più iterazioni di calcolo

Nuova metodologia Calcolo unico:

Accoppiamento fluido-solido con calcolo termostrutturale eseguito in una sola iterazione

Confronto con dati sperimentaliConfronto con calcolo

termostrutturale eseguito con software FEM

FEM CFD

P, T, HTRA

Fluido+Solido

CFD

Tw, Q


Creazione Mesh: poliedrica

Caratteristiche mesh generata Corrispondenza

fluido - solido 2 Extrusion Layer 300K celle


Creazione Mesh: tetraedrica

Caratteristiche mesh generata Corrispondenza

fluido - solido 2 Extrusion Layer 300K celle Nel fluido mesh ibrida

tetra ed esaedri


Creazione Mesh: esaedrica

Mancata Corrispondenza

fluido - solido


Calcolo Stazionario Fluido + Struttura

Analisi TermicaProprietà fisiche fluido: CO2 Densità f=f(T,p) Viscosità molecolare, conduttività termica e

calore specifico f=f(T) Modello di turbolenza k-epsilon Hi-Re

Proprietà fisiche solido Densità, conduttività termica e calore

specifico Abilitazione scambio fluido-solido Condizioni al contorno: boundary

Fluido: Pressure Solido: Wall



Analisi Termica: Campo di moto ed Y+



Analisi Termica: Confronto Temperature a parete Fluido e Solido

Mesh poliedrica

FEM Abaqus



Analisi Termica: Confronto Temperature Calcolate e Misurate

1. per avere valori di temperature corretti sulla flangia motore è necesario aggiungere la mesh della testa cilindri

2. E’ preferibile avere la flangia turbina ed il turbine housing


Abilitazione calcolo sforzi● Condizioni di vincolo● Proprietà meccaniche materiale● Parametri controllo● Qualità celle


Analisi Termo-Strutturale


Condizioni di vincolo● Mixed

● Displacement

● Pressure

● Traction



Proprietà meccaniche materiale: Materiale elastico lineare

● modulo di Young [Pa]● coefficiente di Poisson● coefficiente di espansione termica [1/K]● temperatura di riferimento [K]

Parametri controllo● Scelta tipo di analisi

Qualità celle● Celle di bassa qualità



Mesh poliedrica

Risultati Abaqus


Analisi Termo-Strutturale: Sforzo equivalente di Von Mises


Valutazione differenti condizioni al contorno

Mantenendo le stesse boundary condition per l’analisi termo-strutturale, si simula la condizione di un solo cilindro in fase di scarico.

Quattro calcoli differenti.

CIL1

CIL2

CIL3

CIL4



Valutazione differenti condizioni al contorno: Campo di moto



Valutazione differenti condizioni al contorno: Temperature di parete



Valutazione differenti condizioni al contorno: Sforzi equivalenti

1 cilindro si e 3 no Sovrapposizione degli effetti



Valutazione differenti condizioni al contorno: Sforzi equivalenti

Sovrapposizione degli effetti somma dei quattro cilindri in scarico uno alla volta

quattro cilindri in scarico contemporaneamente



Valutazione differenti mesh: Coefficienti di scambio termico


Mesh poliedrica

Mesh tetraedrica


Valutazione differenti mesh: Temperature di parete


Mesh poliedrica

Mesh tetraedrica


Modello di calcolo

Calcolo Transitorio Combinato CFD 1D-3D

Il calcolo è svolto in condizioni di pieno carico (WOT) ed al regime di POTENZA MAX.

Il modello 1D CFD comprende tutto il motore, mentre il collettore di scarico (studiato in dettaglio) viene modellato mediante codice tridimensionale.

La mesh 3D utilizzata è la stessa del calcolo stazionario effettuato con mesh poliedrica e quindi è presente sia il solido che il fluido.

Le condizioni al contorno imposte nel modello 3D sono del tutto simili a quelle impostate per i calcoli stazionari, a parte il modello di turbolenza che è il K-eps RNG.


Modello CFD 1D



Risultati: Campo di moto



Cil.3 int.1 Cil.4 int. 3 Cil.2 int.4 Cil.1 int. 2

Cil.1 ASPIRAZ. COMPR. ESPANS. SCARICO

Cil.2COMPR. ESPANS. SCARICO

ASPIRAZ.

Cil.3SCARICO ASPIRAZ. COMPR. ESPANS.

Cil.4ESPANS. SCARICO ASPIRAZ. COMPR.

Ordine accensione e “interferenza” Cilindri



Risultati: Campo di Moto, Fase di scarico Cil 1 (int. Cil.2)Calcolo Transitorio Combinato CFD 1D-3D



Back-flow gas nel cilindro 4!!!



Scarico poco efficiente!


Risultati: Temperatura sulla parete solida esterna



Risultati: Temperatura sulla parete solida interna



Conclusioni

Il calcolo transitorio combinato CFD 1D-3D ha mostrato:

1. La presenza di fenomeni fluidodinamici altamenti instazionari che hanno effetti importanti sulle prestazioni del motore e quindi possono essere accuratamente modellati soltanto con un’analisi non-stazionaria.

2. I fenomeni termici sono stazionari sulla parete esterna del collettore di scarico, mentre sono parzialmente stazionari sulla parete interna.

L’analisi Stazionaria Termo-Strutturale Fluido-Struttura ha mostrato:

1. L’utilizzo di mesh differenti non influenza I risultati termici, mentre per il calcolo Termo-strutturale con il codice CFD è consigliabile l’utilizzo di una mesh poliedrica

2. L’utilizzo delle condizioni al contorno che impongono la fase di scarico contemporanea di tutti I cilindri è equivalente alla sovrapposizione degli effetti di quattro calcoli differenti in cui ogni cilindro scarica singolarmente

3. I risultati dell’analisi Termica sono in buon accordo con le misure di temperatura effettuate sul collettore.

La nuova metodologia di calcolo termostrutturale risulta quindi applicabile

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