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Arese, Data Angelo Rosetti – Gianluca Consentino Gattere Mario – Kyriazis Fredy Product Engineering Tesi di laurea Gasoline Engine Design Arese Analisi.

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Presentazione sul tema: "Arese, Data Angelo Rosetti – Gianluca Consentino Gattere Mario – Kyriazis Fredy Product Engineering Tesi di laurea Gasoline Engine Design Arese Analisi."— Transcript della presentazione:

1 Arese, Data Angelo Rosetti – Gianluca Consentino Gattere Mario – Kyriazis Fredy Product Engineering Tesi di laurea Gasoline Engine Design Arese Analisi Numerica Fluido-Struttura del Collettore di Scarico di un Motore Turbo-Compresso GDI

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

3 Ottobre 15, 2007 Analisi numerica fluido-struttura del collettore scarico di un motore turbo-compresso GDI 3 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 laffidabilità. Motivi dellAnalisi fluido-struttura

4 Ottobre 15, 2007 Analisi numerica fluido-struttura del collettore scarico di un motore turbo-compresso GDI 4 Motivi dellAnalisi fluido-struttura Stato dellarte 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 sperimentali Confronto con calcolo termostrutturale eseguito con software FEM FEMCFD P, T, HTRA Fluido+Solido CFD Tw, Q

5 Ottobre 15, 2007 Analisi numerica fluido-struttura del collettore scarico di un motore turbo-compresso GDI 5 Creazione Mesh: poliedrica Caratteristiche mesh generata Corrispondenza fluido - solido 2 Extrusion Layer 300K celle

6 Ottobre 15, 2007 Analisi numerica fluido-struttura del collettore scarico di un motore turbo-compresso GDI 6 Creazione Mesh: tetraedrica Caratteristiche mesh generata Corrispondenza fluido - solido 2 Extrusion Layer 300K celle Nel fluido mesh ibrida tetra ed esaedri

7 Ottobre 15, 2007 Analisi numerica fluido-struttura del collettore scarico di un motore turbo-compresso GDI 7 Creazione Mesh: esaedrica Mancata Corrispondenza fluido - solido

8 Ottobre 15, 2007 Analisi numerica fluido-struttura del collettore scarico di un motore turbo-compresso GDI 8 Calcolo Stazionario Fluido + Struttura Analisi Termica Proprietà 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

9 Ottobre 15, 2007 Analisi numerica fluido-struttura del collettore scarico di un motore turbo-compresso GDI 9 Calcolo Stazionario Fluido + Struttura Analisi Termica: Campo di moto ed Y+

10 Ottobre 15, 2007 Analisi numerica fluido-struttura del collettore scarico di un motore turbo-compresso GDI 10 Calcolo Stazionario Fluido + Struttura Analisi Termica: Confronto Temperature a parete Fluido e Solido Mesh poliedrica FEM Abaqus

11 Ottobre 15, 2007 Analisi numerica fluido-struttura del collettore scarico di un motore turbo-compresso GDI 11 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

12 Ottobre 15, 2007 Analisi numerica fluido-struttura del collettore scarico di un motore turbo-compresso GDI 12 Abilitazione calcolo sforzi Condizioni di vincolo Proprietà meccaniche materiale Parametri controllo Qualità celle Calcolo Stazionario Fluido + Struttura Analisi Termo-Strutturale

13 Ottobre 15, 2007 Analisi numerica fluido-struttura del collettore scarico di un motore turbo-compresso GDI 13 Condizioni di vincolo Mixed Displacement Pressure Traction Calcolo Stazionario Fluido + Struttura

14 Ottobre 15, 2007 Analisi numerica fluido-struttura del collettore scarico di un motore turbo-compresso GDI 14 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

15 Ottobre 15, 2007 Analisi numerica fluido-struttura del collettore scarico di un motore turbo-compresso GDI 15 Mesh poliedrica Risultati Abaqus Calcolo Stazionario Fluido + Struttura Analisi Termo-Strutturale: Sforzo equivalente di Von Mises

16 Ottobre 15, 2007 Analisi numerica fluido-struttura del collettore scarico di un motore turbo-compresso GDI 16 Valutazione differenti condizioni al contorno Mantenendo le stesse boundary condition per lanalisi 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

17 Ottobre 15, 2007 Analisi numerica fluido-struttura del collettore scarico di un motore turbo-compresso GDI 17 Valutazione differenti condizioni al contorno: Campo di moto Calcolo Stazionario Fluido + Struttura

18 Ottobre 15, 2007 Analisi numerica fluido-struttura del collettore scarico di un motore turbo-compresso GDI 18 Valutazione differenti condizioni al contorno: Temperature di parete Calcolo Stazionario Fluido + Struttura

19 Ottobre 15, 2007 Analisi numerica fluido-struttura del collettore scarico di un motore turbo-compresso GDI 19 Valutazione differenti condizioni al contorno: Sforzi equivalenti 1 cilindro si e 3 no Sovrapposizione degli effetti Calcolo Stazionario Fluido + Struttura

20 Ottobre 15, 2007 Analisi numerica fluido-struttura del collettore scarico di un motore turbo-compresso GDI 20 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

21 Ottobre 15, 2007 Analisi numerica fluido-struttura del collettore scarico di un motore turbo-compresso GDI 21 Valutazione differenti mesh: Coefficienti di scambio termico Calcolo Stazionario Fluido + Struttura Mesh poliedrica Mesh tetraedrica

22 Ottobre 15, 2007 Analisi numerica fluido-struttura del collettore scarico di un motore turbo-compresso GDI 22 Valutazione differenti mesh: Temperature di parete Calcolo Stazionario Fluido + Struttura Mesh poliedrica Mesh tetraedrica

23 Ottobre 15, 2007 Analisi numerica fluido-struttura del collettore scarico di un motore turbo-compresso GDI 23 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.

24 Ottobre 15, 2007 Analisi numerica fluido-struttura del collettore scarico di un motore turbo-compresso GDI 24 Modello CFD 1D Calcolo Transitorio Combinato CFD 1D-3D

25 Ottobre 15, 2007 Analisi numerica fluido-struttura del collettore scarico di un motore turbo-compresso GDI 25 Risultati: Campo di moto Calcolo Transitorio Combinato CFD 1D-3D

26 Ottobre 15, 2007 Analisi numerica fluido-struttura del collettore scarico di un motore turbo-compresso GDI 26 Cil.3 int.1Cil.4 int. 3Cil.2 int.4Cil.1 int. 2 Cil.1ASPIRAZ.COMPR.ESPANS.SCARICO Cil.2 COMPR.ESPANS.SCARICO ASPIRAZ. Cil.3 SCARICOASPIRAZ.COMPR.ESPANS. Cil.4 ESPANS.SCARICOASPIRAZ.COMPR. Ordine accensione e interferenza Cilindri Calcolo Transitorio Combinato CFD 1D-3D

27 Ottobre 15, 2007 Analisi numerica fluido-struttura del collettore scarico di un motore turbo-compresso GDI 27 Risultati: Campo di Moto, Fase di scarico Cil 1 (int. Cil.2) Calcolo Transitorio Combinato CFD 1D-3D

28 Ottobre 15, 2007 Analisi numerica fluido-struttura del collettore scarico di un motore turbo-compresso GDI 28 Risultati: Campo di Moto, Fase di scarico Cil 2 (int. Cil.4) Calcolo Transitorio Combinato CFD 1D-3D Back-flow gas nel cilindro 4!!!

29 Ottobre 15, 2007 Analisi numerica fluido-struttura del collettore scarico di un motore turbo-compresso GDI 29 Risultati: Campo di Moto, Fase di scarico Cil 3 (int. Cil.1) Calcolo Transitorio Combinato CFD 1D-3D Scarico poco efficiente!

30 Ottobre 15, 2007 Analisi numerica fluido-struttura del collettore scarico di un motore turbo-compresso GDI 30 Risultati: Campo di Moto, Fase di scarico Cil 4 (int. Cil.3) Calcolo Transitorio Combinato CFD 1D-3D Scarico poco efficiente!

31 Ottobre 15, 2007 Analisi numerica fluido-struttura del collettore scarico di un motore turbo-compresso GDI 31 Risultati: Temperatura sulla parete solida esterna Calcolo Transitorio Combinato CFD 1D-3D

32 Ottobre 15, 2007 Analisi numerica fluido-struttura del collettore scarico di un motore turbo-compresso GDI 32 Risultati: Temperatura sulla parete solida interna Calcolo Transitorio Combinato CFD 1D-3D

33 Ottobre 15, 2007 Analisi numerica fluido-struttura del collettore scarico di un motore turbo-compresso GDI 33 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 unanalisi non-stazionaria. 2.I fenomeni termici sono stazionari sulla parete esterna del collettore di scarico, mentre sono parzialmente stazionari sulla parete interna. Lanalisi Stazionaria Termo-Strutturale Fluido-Struttura ha mostrato: 1.Lutilizzo di mesh differenti non influenza I risultati termici, mentre per il calcolo Termo-strutturale con il codice CFD è consigliabile lutilizzo di una mesh poliedrica 2.Lutilizzo 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 dellanalisi 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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