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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
Analisi numerica fluido-struttura del collettore scarico di un motore turbo-compresso GDI 3Ottobre 15, 2007
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
Analisi numerica fluido-struttura del collettore scarico di un motore turbo-compresso GDI 4Ottobre 15, 2007
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
Analisi numerica fluido-struttura del collettore scarico di un motore turbo-compresso GDI 5Ottobre 15, 2007
Creazione Mesh: poliedrica
Caratteristiche mesh generata Corrispondenza
fluido - solido 2 Extrusion Layer 300K celle
Analisi numerica fluido-struttura del collettore scarico di un motore turbo-compresso GDI 6Ottobre 15, 2007
Creazione Mesh: tetraedrica
Caratteristiche mesh generata Corrispondenza
fluido - solido 2 Extrusion Layer 300K celle Nel fluido mesh ibrida
tetra ed esaedri
Analisi numerica fluido-struttura del collettore scarico di un motore turbo-compresso GDI 7Ottobre 15, 2007
Creazione Mesh: esaedrica
Mancata Corrispondenza
fluido - solido
Analisi numerica fluido-struttura del collettore scarico di un motore turbo-compresso GDI 8Ottobre 15, 2007
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 numerica fluido-struttura del collettore scarico di un motore turbo-compresso GDI 9Ottobre 15, 2007
Calcolo Stazionario Fluido + Struttura
Analisi Termica: Campo di moto ed Y+
Analisi numerica fluido-struttura del collettore scarico di un motore turbo-compresso GDI 10Ottobre 15, 2007
Calcolo Stazionario Fluido + Struttura
Analisi Termica: Confronto Temperature a parete Fluido e Solido
Mesh poliedrica
FEM Abaqus
Analisi numerica fluido-struttura del collettore scarico di un motore turbo-compresso GDI 11Ottobre 15, 2007
Calcolo Stazionario Fluido + Struttura
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
Analisi numerica fluido-struttura del collettore scarico di un motore turbo-compresso GDI 12Ottobre 15, 2007
Abilitazione calcolo sforzi● Condizioni di vincolo● Proprietà meccaniche materiale● Parametri controllo● Qualità celle
Calcolo Stazionario Fluido + Struttura
Analisi Termo-Strutturale
Analisi numerica fluido-struttura del collettore scarico di un motore turbo-compresso GDI 13Ottobre 15, 2007
Condizioni di vincolo● Mixed
● Displacement
● Pressure
● Traction
Calcolo Stazionario Fluido + Struttura
Analisi numerica fluido-struttura del collettore scarico di un motore turbo-compresso GDI 14Ottobre 15, 2007
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
Calcolo Stazionario Fluido + Struttura
Analisi numerica fluido-struttura del collettore scarico di un motore turbo-compresso GDI 15Ottobre 15, 2007
Mesh poliedrica
Risultati Abaqus
Calcolo Stazionario Fluido + Struttura
Analisi Termo-Strutturale: Sforzo equivalente di Von Mises
Analisi numerica fluido-struttura del collettore scarico di un motore turbo-compresso GDI 16Ottobre 15, 2007
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
Calcolo Stazionario Fluido + Struttura
Analisi numerica fluido-struttura del collettore scarico di un motore turbo-compresso GDI 17Ottobre 15, 2007
Valutazione differenti condizioni al contorno: Campo di moto
Calcolo Stazionario Fluido + Struttura
Analisi numerica fluido-struttura del collettore scarico di un motore turbo-compresso GDI 18Ottobre 15, 2007
Valutazione differenti condizioni al contorno: Temperature di parete
Calcolo Stazionario Fluido + Struttura
Analisi numerica fluido-struttura del collettore scarico di un motore turbo-compresso GDI 19Ottobre 15, 2007
Valutazione differenti condizioni al contorno: Sforzi equivalenti
1 cilindro si e 3 no Sovrapposizione degli effetti
Calcolo Stazionario Fluido + Struttura
Analisi numerica fluido-struttura del collettore scarico di un motore turbo-compresso GDI 20Ottobre 15, 2007
Valutazione differenti condizioni al contorno: Sforzi equivalenti
Sovrapposizione degli effetti somma dei quattro cilindri in scarico uno alla volta
quattro cilindri in scarico contemporaneamente
Calcolo Stazionario Fluido + Struttura
Analisi numerica fluido-struttura del collettore scarico di un motore turbo-compresso GDI 21Ottobre 15, 2007
Valutazione differenti mesh: Coefficienti di scambio termico
Calcolo Stazionario Fluido + Struttura
Mesh poliedrica
Mesh tetraedrica
Analisi numerica fluido-struttura del collettore scarico di un motore turbo-compresso GDI 22Ottobre 15, 2007
Valutazione differenti mesh: Temperature di parete
Calcolo Stazionario Fluido + Struttura
Mesh poliedrica
Mesh tetraedrica
Analisi numerica fluido-struttura del collettore scarico di un motore turbo-compresso GDI 23Ottobre 15, 2007
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.
Analisi numerica fluido-struttura del collettore scarico di un motore turbo-compresso GDI 24Ottobre 15, 2007
Modello CFD 1D
Calcolo Transitorio Combinato CFD 1D-3D
Analisi numerica fluido-struttura del collettore scarico di un motore turbo-compresso GDI 25Ottobre 15, 2007
Risultati: Campo di moto
Calcolo Transitorio Combinato CFD 1D-3D
Analisi numerica fluido-struttura del collettore scarico di un motore turbo-compresso GDI 26Ottobre 15, 2007
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
Calcolo Transitorio Combinato CFD 1D-3D
Analisi numerica fluido-struttura del collettore scarico di un motore turbo-compresso GDI 27Ottobre 15, 2007
Risultati: Campo di Moto, Fase di scarico Cil 1 (int. Cil.2)Calcolo Transitorio Combinato CFD 1D-3D
Analisi numerica fluido-struttura del collettore scarico di un motore turbo-compresso GDI 28Ottobre 15, 2007
Risultati: Campo di Moto, Fase di scarico Cil 2 (int. Cil.4)Calcolo Transitorio Combinato CFD 1D-3D
Back-flow gas nel cilindro 4!!!
Analisi numerica fluido-struttura del collettore scarico di un motore turbo-compresso GDI 29Ottobre 15, 2007
Risultati: Campo di Moto, Fase di scarico Cil 3 (int. Cil.1)Calcolo Transitorio Combinato CFD 1D-3D
Scarico poco efficiente!
Analisi numerica fluido-struttura del collettore scarico di un motore turbo-compresso GDI 30Ottobre 15, 2007
Risultati: Campo di Moto, Fase di scarico Cil 4 (int. Cil.3)Calcolo Transitorio Combinato CFD 1D-3D
Scarico poco efficiente!
Analisi numerica fluido-struttura del collettore scarico di un motore turbo-compresso GDI 31Ottobre 15, 2007
Risultati: Temperatura sulla parete solida esterna
Calcolo Transitorio Combinato CFD 1D-3D
Analisi numerica fluido-struttura del collettore scarico di un motore turbo-compresso GDI 32Ottobre 15, 2007
Risultati: Temperatura sulla parete solida interna
Calcolo Transitorio Combinato CFD 1D-3D
Analisi numerica fluido-struttura del collettore scarico di un motore turbo-compresso GDI 33Ottobre 15, 2007
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