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

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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

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Creazione Mesh: poliedrica

Caratteristiche mesh generata Corrispondenza

fluido - solido 2 Extrusion Layer 300K celle

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Creazione Mesh: tetraedrica

Caratteristiche mesh generata Corrispondenza

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

tetra ed esaedri

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Creazione Mesh: esaedrica

Mancata Corrispondenza

fluido - solido

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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

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Calcolo Stazionario Fluido + Struttura

Analisi Termica: Campo di moto ed Y+

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Calcolo Stazionario Fluido + Struttura

Analisi Termica: Confronto Temperature a parete Fluido e Solido

Mesh poliedrica

FEM Abaqus

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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

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

Calcolo Stazionario Fluido + Struttura

Analisi Termo-Strutturale

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Condizioni di vincolo● Mixed

● Displacement

● Pressure

● Traction

Calcolo Stazionario Fluido + Struttura

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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

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Mesh poliedrica

Risultati Abaqus

Calcolo Stazionario Fluido + Struttura

Analisi Termo-Strutturale: Sforzo equivalente di Von Mises

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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

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Valutazione differenti condizioni al contorno: Campo di moto

Calcolo Stazionario Fluido + Struttura

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Valutazione differenti condizioni al contorno: Temperature di parete

Calcolo Stazionario Fluido + Struttura

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Valutazione differenti condizioni al contorno: Sforzi equivalenti

1 cilindro si e 3 no Sovrapposizione degli effetti

Calcolo Stazionario Fluido + Struttura

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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

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Valutazione differenti mesh: Coefficienti di scambio termico

Calcolo Stazionario Fluido + Struttura

Mesh poliedrica

Mesh tetraedrica

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Valutazione differenti mesh: Temperature di parete

Calcolo Stazionario Fluido + Struttura

Mesh poliedrica

Mesh tetraedrica

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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.

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Modello CFD 1D

Calcolo Transitorio Combinato CFD 1D-3D

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Risultati: Campo di moto

Calcolo Transitorio Combinato CFD 1D-3D

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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

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

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Risultati: Campo di Moto, Fase di scarico Cil 2 (int. Cil.4)Calcolo Transitorio Combinato CFD 1D-3D

Back-flow gas nel cilindro 4!!!

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

Scarico poco efficiente!

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Risultati: Campo di Moto, Fase di scarico Cil 4 (int. Cil.3)Calcolo Transitorio Combinato CFD 1D-3D

Scarico poco efficiente!

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Risultati: Temperatura sulla parete solida esterna

Calcolo Transitorio Combinato CFD 1D-3D

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Risultati: Temperatura sulla parete solida interna

Calcolo Transitorio Combinato CFD 1D-3D

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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