Analisi Numerica Fluido-Struttura del Collettore di Scarico di un Motore Turbo-Compresso GDI Angelo Rosetti – Gianluca Consentino Product Engineering Gasoline Engine Design Arese Arese, Data Gattere Mario – Kyriazis Fredy Tesi di laurea Indice 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 Ottobre 15, 2007 Analisi numerica fluido-struttura del collettore scarico di un motore turbo-compresso GDI 2 Motivi dell’Analisi fluido-struttura 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. Ottobre 15, 2007 Analisi numerica fluido-struttura del collettore scarico di un motore turbo-compresso GDI 3 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 P, T, HTRA Nuova metodologia Calcolo unico: Accoppiamento fluido-solido con calcolo termostrutturale eseguito in una sola iterazione CFD FEM CFD Fluido+Solido Tw, Q Confronto con dati sperimentali Ottobre 15, 2007 Confronto con calcolo termostrutturale eseguito con software FEM Analisi numerica fluido-struttura del collettore scarico di un motore turbo-compresso GDI 4 Creazione Mesh: poliedrica Caratteristiche mesh generata Corrispondenza fluido - solido 2 Extrusion Layer 300K celle Ottobre 15, 2007 Analisi numerica fluido-struttura del collettore scarico di un motore turbo-compresso GDI 5 Creazione Mesh: tetraedrica Caratteristiche mesh generata Corrispondenza fluido - solido 2 Extrusion Layer 300K celle Nel fluido mesh ibrida tetra ed esaedri Ottobre 15, 2007 Analisi numerica fluido-struttura del collettore scarico di un motore turbo-compresso GDI 6 Creazione Mesh: esaedrica Mancata Corrispondenza fluido - solido Ottobre 15, 2007 Analisi numerica fluido-struttura del collettore scarico di un motore turbo-compresso GDI 7 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 Ottobre 15, 2007 Analisi numerica fluido-struttura del collettore scarico di un motore turbo-compresso GDI 8 Calcolo Stazionario Fluido + Struttura Analisi Termica: Campo di moto ed Y+ Ottobre 15, 2007 Analisi numerica fluido-struttura del collettore scarico di un motore turbo-compresso GDI 9 Calcolo Stazionario Fluido + Struttura Analisi Termica: Confronto Temperature a parete Fluido e Solido Mesh poliedrica FEM Abaqus 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 Calcolate e Misurate Ottobre 15, 2007 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 11 Calcolo Stazionario Fluido + Struttura Analisi Termo-Strutturale Abilitazione calcolo sforzi ● Condizioni di vincolo ● Proprietà meccaniche materiale ● Parametri controllo ● Qualità celle Ottobre 15, 2007 Analisi numerica fluido-struttura del collettore scarico di un motore turbo-compresso GDI 12 Calcolo Stazionario Fluido + Struttura Condizioni di vincolo ● Mixed ● Displacement ● Pressure ● Traction Ottobre 15, 2007 Analisi numerica fluido-struttura del collettore scarico di un motore turbo-compresso GDI 13 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 Ottobre 15, 2007 Analisi numerica fluido-struttura del collettore scarico di un motore turbo-compresso GDI 14 Calcolo Stazionario Fluido + Struttura Analisi Termo-Strutturale: Sforzo equivalente di Von Mises Mesh poliedrica Risultati Abaqus Ottobre 15, 2007 Analisi numerica fluido-struttura del collettore scarico di un motore turbo-compresso GDI 15 Calcolo Stazionario Fluido + Struttura CIL1 Valutazione differenti condizioni al contorno CIL2 Mantenendo le stesse boundary condition per l’analisi termo-strutturale, si simula la condizione di un solo cilindro in fase di scarico. CIL3 Quattro calcoli differenti. CIL4 Ottobre 15, 2007 Analisi numerica fluido-struttura del collettore scarico di un motore turbo-compresso GDI 16 Calcolo Stazionario Fluido + Struttura Valutazione differenti condizioni al contorno: Campo di moto Ottobre 15, 2007 Analisi numerica fluido-struttura del collettore scarico di un motore turbo-compresso GDI 17 Calcolo Stazionario Fluido + Struttura Valutazione differenti condizioni al contorno: Temperature di parete Ottobre 15, 2007 Analisi numerica fluido-struttura del collettore scarico di un motore turbo-compresso GDI 18 Calcolo Stazionario Fluido + Struttura Valutazione differenti condizioni al contorno: Sforzi equivalenti effetti Sovrapposizione 1 cilindro si edegli 3 no Ottobre 15, 2007 Analisi numerica fluido-struttura del collettore scarico di un motore turbo-compresso GDI 19 Calcolo Stazionario Fluido + Struttura Valutazione differenti condizioni al contorno: Sforzi equivalenti Sovrapposizione degli effetti somma dei quattro cilindri in scarico uno alla volta Ottobre 15, 2007 quattro cilindri in scarico contemporaneamente Analisi numerica fluido-struttura del collettore scarico di un motore turbo-compresso GDI 20 Calcolo Stazionario Fluido + Struttura Valutazione differenti mesh: Coefficienti di scambio termico Mesh poliedrica Mesh tetraedrica Ottobre 15, 2007 Analisi numerica fluido-struttura del collettore scarico di un motore turbo-compresso GDI 21 Calcolo Stazionario Fluido + Struttura Valutazione differenti mesh: Temperature di parete Mesh poliedrica Mesh tetraedrica Ottobre 15, 2007 Analisi numerica fluido-struttura del collettore scarico di un motore turbo-compresso GDI 22 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. Ottobre 15, 2007 Analisi numerica fluido-struttura del collettore scarico di un motore turbo-compresso GDI 23 Calcolo Transitorio Combinato CFD 1D-3D Modello CFD 1D Ottobre 15, 2007 Analisi numerica fluido-struttura del collettore scarico di un motore turbo-compresso GDI 24 Calcolo Transitorio Combinato CFD 1D-3D Risultati: Campo di moto Ottobre 15, 2007 Analisi numerica fluido-struttura del collettore scarico di un motore turbo-compresso GDI 25 Calcolo Transitorio Combinato CFD 1D-3D Ordine accensione e “interferenza” Cilindri Cil.1 Cil.2 Cil.3 Cil.4 Ottobre 15, 2007 Cil.3 int.1 Cil.4 int. 3 Cil.2 int.4 Cil.1 int. 2 ASPIRAZ. COMPR. ESPANS. SCARICO ASPIRAZ. COMPR. ESPANS. SCARICO SCARICO ASPIRAZ. COMPR. ESPANS. ESPANS. SCARICO ASPIRAZ. COMPR. Analisi numerica fluido-struttura del collettore scarico di un motore turbo-compresso GDI 26 Calcolo Transitorio Combinato CFD 1D-3D Risultati: Campo di Moto, Fase di scarico Cil 1 (int. Cil.2) Ottobre 15, 2007 Analisi numerica fluido-struttura del collettore scarico di un motore turbo-compresso GDI 27 Calcolo Transitorio Combinato CFD 1D-3D Risultati: Campo di Moto, Fase di scarico Cil 2 (int. Cil.4) Back-flow gas nel cilindro 4!!! Ottobre 15, 2007 Analisi numerica fluido-struttura del collettore scarico di un motore turbo-compresso GDI 28 Calcolo Transitorio Combinato CFD 1D-3D Risultati: Campo di Moto, Fase di scarico Cil 3 (int. Cil.1) Scarico poco efficiente! Ottobre 15, 2007 Analisi numerica fluido-struttura del collettore scarico di un motore turbo-compresso GDI 29 Calcolo Transitorio Combinato CFD 1D-3D Risultati: Campo di Moto, Fase di scarico Cil 4 (int. Cil.3) Scarico poco efficiente! Ottobre 15, 2007 Analisi numerica fluido-struttura del collettore scarico di un motore turbo-compresso GDI 30 Calcolo Transitorio Combinato CFD 1D-3D Risultati: Temperatura sulla parete solida esterna Ottobre 15, 2007 Analisi numerica fluido-struttura del collettore scarico di un motore turbo-compresso GDI 31 Calcolo Transitorio Combinato CFD 1D-3D Risultati: Temperatura sulla parete solida interna Ottobre 15, 2007 Analisi numerica fluido-struttura del collettore scarico di un motore turbo-compresso GDI 32 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 Ottobre 15, 2007 Analisi numerica fluido-struttura del collettore scarico di un motore turbo-compresso GDI 33