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

Indice Creazione Mesh Calcolo CFD Stazionario Fluido + Struttura 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 Analisi numerica fluido-struttura del collettore scarico di un motore turbo-compresso GDI

Motivi dell’Analisi fluido-struttura 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 La presenza del turbo-compressore aumenta le pressioni e le temperature allo scarico rispetto ad un motore aspirato. Il collettore di scarico svolge anche il compito di supportare il turbo-gruppo. 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. Analisi numerica fluido-struttura del collettore scarico di un motore turbo-compresso GDI

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 P, T, HTRA CFD FEM CFD Fluido+Solido Tw, Q Confronto con calcolo termostrutturale eseguito con software FEM Confronto con dati sperimentali Analisi numerica fluido-struttura del collettore scarico di un motore turbo-compresso GDI

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

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

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

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 Analisi numerica fluido-struttura del collettore scarico di un motore turbo-compresso GDI

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

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

Calcolo Stazionario Fluido + Struttura Analisi Termica: Confronto Temperature Calcolate e Misurate per avere valori di temperature corretti sulla flangia motore è necesario aggiungere la mesh della testa cilindri E’ preferibile avere la flangia turbina ed il turbine housing Analisi numerica fluido-struttura del collettore scarico di un motore turbo-compresso GDI

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

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

Calcolo Stazionario Fluido + Struttura 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 Analisi numerica fluido-struttura del collettore scarico di un motore turbo-compresso GDI

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

Calcolo Stazionario Fluido + Struttura CIL1 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. CIL2 CIL3 CIL4 Analisi numerica fluido-struttura del collettore scarico di un motore turbo-compresso GDI

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

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

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

Calcolo Stazionario Fluido + Struttura Valutazione differenti condizioni al contorno: Sforzi equivalenti quattro cilindri in scarico contemporaneamente Sovrapposizione degli effetti somma dei quattro cilindri in scarico uno alla volta Analisi numerica fluido-struttura del collettore scarico di un motore turbo-compresso GDI

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

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

Calcolo Transitorio Combinato CFD 1D-3D Modello di calcolo 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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Conclusioni Il calcolo transitorio combinato CFD 1D-3D ha mostrato: 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. 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: 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 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 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 Analisi numerica fluido-struttura del collettore scarico di un motore turbo-compresso GDI