Simulazione Fluidodinamica Nei Motori 004 Testata Motoristica Analisi Termica

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1.8 Testata motoristicaIn questa esercitazione si vuole effettuare una simulazione termofluidodinamina di una testata completa di raffreddamento a liquido. La particolarit in questo caso quella per cui oltre alla solita regione fluida, necessario considerare e discretizzare anche la regione solida in quanto si vuole indagare anche la trasmissione di calore interna. Naturalmente sar necessario generare delle interfaccie in modo tale da far capire al software dove finisce il dominio fluido e dove inizia quello solido per poter mantenere corretto lo scambio dinformazioni.

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Innanzitutto necessario definire ed organizzare le Regions: queste in particolare possono essere definite dividendole anzitutto in funzione delgli angoli o della non continuit, per poi riorganizzarle

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come pi comodo. Il problema per che la geometria 3D ora quella della sola zona occupata dal solido: quindi necessario andare a costruire il dominio fluido andando a chiudere le aperture dei condotti mediante lapposito comando presente in Star-CCM+ Fill All Holes sotto il comando Feature curves. Nel men boundary ritroveremo, a questo punto, delle apposite voci che rappresentano le nuove superfici realizzate proprio partendo dal riempimento degli spazi vuoti. Dora in poi questultime potranno essere trattate come delle qualsiasi Boundaries, per cui occorrer definirne il tipo ed i parametri fisici corrispondenti (Velocit, Pressione, ecc) Un passo importante ancora una volta quello relativo alla definizione delle Feature Curves, per evitare che geometrie e spigoli importanti vengano tralasciati durante la creazione della mesh. Per questo motivo eseguiamo il comando apposito con un parametro discrimante sullangolo pari a 45, avendo cura di ricontrollare che il software interpreti bene ogni zona della geometria. A questo punto occorre definire la divisione tra dominio fluido e dominio solido mediante le Interfacce. Questo possibile convertendo da Boundary ad Interface le superfici che rappresentano il confine tra i due domini fisici: il software gestisce ora in modo automatico le nuove boundary assegnando per ogni dominio interessato la relativa interfaccia generata. Il passaggio successivo la generazione della mesh: come al solito si sceglie una mesh di tipo Poliedrico con Surface remesher e Prism Layer ( con opzione stretching mode). Impostiamo inoltre le basi per il trattamento in parete scegliendo il numero di strati di celle e lo spessore del primo strato per avere una corretta interpretazione dello strato limite. Scegliendo in particolare lopzione Wall Thickness si pu definire il tutto semplicemente indicando il numero di strati totali, laltezza complessiva, e laltezza del primo strato, per cui il tutto pu risultare pi comodo e pratico. Per meglio gestire il passaggio dinformazioni tra dominio solido e dominio fluido, scegliamo di realizzare degli strati ordinati di celle anche sullinterfaccia: per questo motivo impostiamo in on il comando Prism Layer nella boundary relativa allInterface. Impostiamo anche i valori di riferimento validi per tutta la simulazione; in particolare definiamo: Base Size -> 10 mm Surface siza -> min 2,5 -> target 10 (assoluti) Number of prism Layers -> 2 Absolute Prism Layers Thickness -> 1 mm Near Wall Prism Layer Thickness -> 0,4 mm

Per il resto della regione fluida impostiamo invece un valore della Surface Size pari a 1,25 mm per il minimo e 5 mm per il massimo, sempre rispetto al valore assoluto. A questo punto, avendo a che fare con due Domini differenti in propriet e comportamento, occorre definire le caratteristiche per ognuno dei due. Abbiamo quindi: PHYSICS = LIQUIDO - Tridimensionale - Stazionario - Liquido (H2O)

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Segregated Flow Costant Density Steady Turbolent Model k- Two-Layer all Y+ Segregated Fluid Temperature (opzionale) Gravity (opzionale)

PHYSICS = SOLIDO - Tridimensionale - Stazionario - Solido (Al) - Segregated Flow - Constant density Per quanto riguarda le condizioni iniziali sia al dominio solido che quello fluido viene imposta una temperatura di 90C, temperatura prossima a quelle che sono le condizioni di utilizzo e quindi di regime che ci aspettiamo; al fluido, inoltre, viene assegnata una pressione iniziale statica nulla rispetto al valore di riferimento di 101325 Pa. Passo successivo la definizione delle conzioni al Contorno: esse devono essere definite sulle superfici dingresso e duscita del fluido. In particolare definiamo: INLET BASAMENTO -> Temperatura = 90C, Velocit = 1,5 m/s INLET TRASVERSALE -> Temperatura = 90C, Velocit = 0,6 m/s OUTLET -> Portata pari al 100% della Portata entrante

Occorre poi definire tutte le condizioni al contorno riferite alle superfici del lato solido: queste infatti contribuiscono in maniera massiccia al trasporto di calore, sia assorbendone, come per esempio dalla zona della camera di scoppio, sia cedendone allambiente, se si considera il flusso termico uscente attraverso gli scarichi. Una parte del calore generato nella combustione, quindi, interessa la testata perch questo in parte va a scaldare il liquido di raffreddamento, ed in parte viene scaricato direttamente nellambiente. Impostiamo quindi per ogni superficie il valore corrispondente del flusso termico o della temperatura con il rispettivo coefficiente di scambio termico, sfruttando dati noti sia dalle sperimentazioni che dalla pratica. EXHAUST -> Convection, Taria = 800K, h = 400 W/(m2K) EXHAUST VALVE -> Convection, Taria = 800K, h = 400 W/(m2K) EXTERNALS -> Convection, Taria = 300K, h = 10 W/(m2K) [Basso perch aria ferma] BASE -> Temperatura = 500K, h = 10 W/(m2K)

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INTAKE -> Convection, Taria = 320K, h = 400 W/(m2K) INTKE VALVE -> Convection, Taria = 320K, h = 400 W/(m2K) OIL -> Convection, Temperatura = 140 C, h = 10 W/(m2K)

Per quanto riguarda prigionieri e candele, questi vengono considerati adiabatici in quanto lo scambio termico viene abbattuto per effetto dei giochi creati dalle intercapedini che contengono aria. Aggiungiamo inoltre le condizioni al contorno per le zone di contatto solido, per le quali si ha: SOLID CONTACT -> Temperatura = 300K, h = 40 W/(m2K)

A questo punto necessario definire la condizione al contorno sulla superficie della camera ci combustione: questa particolarmente importante in quanto rappresenta la zona dalla quale arriva il flusso termico generato proprio dalla combustione della carica nel cilindro. Per quanto riguarda questa condizione, quindi, dato che stiamo considerando un caso stazionario, mentre il motore ha tipicamente un funzionamento ciclico, occorre definire un flusso medio di calore calcolato proprio stimando una media del calore che viene ceduto alle pareti in un ciclo completo del motore. Dalla letteratura si pu verificare che tale valore pari a 5000 W/m2. necessario, comunque, calcolare larea della superficie in esame per poter inserire un dato corretto. Per far questo sfruttiamo la possibilit presente in Star-CCM+ di poter realizzare funzioni date da particolari operazioni eseguite sulla geometria o sulle grandezze presenti nella simulazione: in particolare nel nostro caso occorre calcolare larea della superficie della camera di combustione, per cui occorre effettuare una somma di facce sulle celle che si affacciamo proprio sulla camera. Creiamo quindi un Report di tipo Sum, avente come funzione Area Magnitude, e come parte interessata il Dome, ovvero proprio la superficie di interesse. Una volta noto tale valore, facile inserire la condizione al contorno come un nuovo valore scalare, per cui grazie al men Tools selezioniamo New Scalar e definiamo questo come segue. New Scalar -> 5000 / Area Dome Report Dimension -> Power / (Lenght2-Time)

Ed imponiamo tale scalare proprio nella definizione delle Boundaries per la superficie analizzata. Una volta impostate le condizioni al contorno, necessario definire i criteri di convergenza da applicare al modello: in particolare, come sempre, oltre ai soliti criteri sui residui delle equazioni, scegliamo di applicare anche altri criteri dati dalle grandezze dinteresse della simulazione stessa. In particolare, quello che cinteressa la portata di massa in uscita, in modo da verificare che sia pari a quella in ingresso per verificare che effettivamente si sia raggiunto la condizione a regime, la temperatura, e i calori scambiati tra le interfacce in modo da verificare che anche questi, come ovvio, siamo dugual valore. Definiamo quindi grazie alla funzione report le grandezze:

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MassFlowOUT TmaxLiquido (del tipo maximum della funzione temperatura del liquido) Wsolido (potenza termica scambiata dal solido: occorre definirla come Surface Integral della funzione Boundary Heat Flux sul dominio Interface Solida) Wliquido (come sopra, ma riferita al liquido)

Di questi Report ora a disposizione, creiamo i relativi Monitor e Plot per permettere al software di creare un monitoraggio e una visualizzazione degli stessi. Grazie ai Monitor siamo ora in grado di definire gli Stopping Criteria basati proprio su queste grandezze, e quindi procediamo definendo: MassFlowOUT -> Asintotico, 0,001 Kg/s in 50 iterazioni successive; Wliquido -> Asintotico, 1 w/m2 in 50 iterazioni successive; Wsolido -> Asintotico, 1 w/m2 in 50 iterazioni successive; Continuity -> minore di 1e-4; Energy -> minore di 1e-4.

I criteri su continuit ed energia risultano importanti proprio in questo tipo di simulazione in quanto si ha a che fare con uno scambio termico tra solido e liquido. Prima di lanciare la simulazione, creiamo tutti gli strumenti quali Scene scalari e vettoriali