Simulazione Fluidodinamica Nei Motori 006 Flussaggio Stazionario Valvola F1

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Simulazione Fluidodinamica Nei Motori 006 Flussaggio Stazionario Valvola F1

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  • Capitolo 3

    Flussaggio Stazionario di una Valvola Formula 1 3.1 Introduzione al problema In questa simulazione si vuole verificare il comportamento del fluido nel passaggio attraverso una valvola motoristica ad alte prestazioni. Lo studio della miglior geometria di condotti e valvole, e soprattutto la ricerca delle prestazioni in questo campo sono stati studiati da molto tempo grazie ai banchi di flussaggio stazionari, ovvero grazie a simulazioni sperimentali che prevedevamo lutilizzo di testate reali o di manichini che ne riproducevano le geometrie, allo scopo si far passare un flusso stazionario per verificare caratteristiche quali il coefficiente di efflusso e la capacit di realizzare moti organizzati nel cilindro (Swirl e Tumble). I problemi principali legati alla simulazione sperimentale erano tuttavia notevoli, e legati soprattutto allincapacit di misurare le grandezze volute nei punti esatti in cui la teoria indicava di misurarle: questo ha portato alladozione dapprossimazioni che risultano essere la causa principale degli errori riscontrati poi nei risultati finali: per esempio, nel caso di simulazione in aspirazione, si approssimava la pressione sulla valvola con la pressione nel cilindro non potendo porre un trasduttore proprio a ridosso della valvola stessa. Lutilizzo della CFD in questo campo presenta quindi vantaggi molto importanti in quanto permette di estrarre le grandezze necessarie nei punti esatti in cui esse dovrebbero essere misurate nella realt, per cui indagare il flusso attorno alla valvola o la pressione che si ha in tale zona non pi un problema. Lobiettivo di questa simulazione proprio quello di riprodurre una prova di flussaggio stazionario ricavando i parametri pi significativi per la motoristica, ovvero il Coefficiente dEfflusso della valvola e lintensit del voltice di Tumble che si genera nel cilindro. Per quanto riguarda la geometria fornita, essa data da un semicilindro completo di valvola di aspirazione e condotto. Si tratta quindi dello stesso assemblato che si disporrebbe nel caso di una simulazione sperimentale. Per simmetria, il modello pu essere studiato in una sola delle sue met estendendo poi i risultati anche sulla restante parte del pezzo reale.

  • Per poter analizzare in modo completo la fase di aspirazione, e per tracciare i grafici di coefficiente defflusso e di intensit del vortice di tumble, la geometria di cui si dispone rappresentata da differenti modelli con differenti valori di alzata della valvola. In tal modo, impostando il flussaggio su ognuno, possibile ricostruire il comportamento del fluido durante tutta lalpirazione. In particolare, le alzate di cui si dispone sono:

    2 mm 4 mm 6 mm 8 mm 10 mm 12 mm 14 mm 16 mm

    Queste verranno indagate in modo completo al fine di ottenere una simulazione il pi possibile esplicativa del comportamento reale del componente. 3.2 Generazione della mesh e controllo Y+ Per quanto riguarda la generazione della mesh necessaria al calcolo, dato che si dispone di differenti geometrie date dalle differenti alzate della valvola, che comunque risultano essere molto simili tra

  • di loro, possibile cercare di ottimizzare una mesh riferita ad una geometria significativa per poi utilizzarla come base per la creazione delle altre griglie di calcolo. In particolare, si scelto come geometria significativa quella corrispondente ad una alzata di 6mm in quanto questo risulta un valore intermedio tra alzata minima e massima. Naturalmente, per ogni geometria verr effettuato un controllo ed eventualmente si cercher di ottimizzare in modo particolare eventuali problemi che possono insorgere.

    Inizialmente, il primo obiettivo risulta quello di realizzare una meshatura particolarmente curata per quanto riguarda i layer in parete. Uno dei parametri fondamentali che determinano la bont di una mesh, infatti, il valore delle Y+ in parete, che dipendono direttamente dallaltezza delle celle a ridosso delle superfici solide. Il metodo utilizzato, infatti, non in grado di risolvere correttamente il substrato viscoso dello strato limite, per cui necessario realizzare un primo strato di celle tali da inglobarlo completamente. Il controllo viene fatto direttamente sul valore fornito dal software per le Y+, che deve essere almeno maggiore di 30 e preferibilmente inferiore a 100. stata quindi realizzata una mesh avente un numero di celle di volume non eccessivamente grande per non pesare sul costo computazionale, sulla quale si curato per in modo particolare gli strati di celle a ridosso delle superfici. Con tale geometria stata condotta la prima simulazione volta proprio a ricercare la miglior configurazione dei layer superficiali, dato che, infittendo poi la mesh di volume, questi non vengono, comunque, modificati. Nelle immagini seguenti riportiamo alcune viste per visualizzare i risultati.

  • 3.3 Parametri utilizzati nella simulazione In merito alle grandezze che verranno utilizzate in tutta la trattazione, come il Coefficiente di Efflusso e la Velocit Angolare del Vortice di Tumble, vogliamo precisare come stato possibile estrarre direttamente dal software i valori finali numerici, senza dover effettuare alcun calcolo esterno alla simulazione. Per quanto riguarda la teoria, sia Coefficiente dEfflusso che Tumble presentano trattazioni che permettono di trovare i valori trovati applicando semplici formule basate su alcune semplificazioni ed ipotesi. Tali ipotesi in particolare risultano spesso abbastanza grossolane, come per esempio il caso del vortice di tumble, per il quale si ipotizza un moto pressoch rigido attorno ad un asse ben fissato: questo non rispecchia ovviamente la realt dove le condizioni di funzionamento sono ben pi complesse e la riduzione ad un solo movimento rigido sicuramente restrittiva. In ogni caso, per questa simulazione cos come per le simulazioni sperimentali al banco di flussaggio, tale teoria ampliamente adottata, per cui anche noi la assumeremo come buona per la nostra simulazione numerica. Per quanto riguarda il Coefficiente dEfflusso, la sua definizione risulta essere il rapporto tra portata reale che attraversa la valvola e portata ideale che si potrebbe misurare dallattraversamento di un ugello ideale nelle stesse condizioni di geometria e differenza di pressione. Abbiamo quindi:

    La portata reale in kg/s quella fornita e misurata dalla simulazione.

    La portata ideale invece calcolabile dalle condizioni di geometria e pressione che si registrano nel caso reale, per cui si ha:

    Dove la densit totale in ingresso allugello, A larea minima di passaggio, a la velocit del suono totale calcolata dalle condizioni di ingresso, e la funzione di pressione, calcolata a sua volta come:

  • Nel nostro caso avremo naturalmente come valore di p1 il valore della pressione illingresso del condotto, e quindi la pressione atmosferica, e come p2 il valore di pressione media misurata sullarea di passaggio della valvola. Per quanto riguarda invece il calcolo della Velocit del Tumble, stato necessario definire una funzione apposita, basata sulla teoria trovata in bibliografia. La velocit angolare del vortice di Tumble viene in questo caso considerata come velocit angolare di un movimento rigido attorno ad un asse fisso, e viene calcolato come rapporto tra flusso della quantit di moto e flusso del momento di inerzia come segue.

    quindi necessario definire una funzione apposita (nel nostro caso abbiamo preferito, per un miglior controllo, definire due differenti funzioni per numeratore e denominatore della funzione) per poi effettuare una sommatoria sulle celle interessate. In particolare, proprio per definire tali celle, stato necessario definire un Treshold comprendente le celle che, considerando il fatto che il cilindro di provenienza Formula 1, potevano interessare la corsa totale del motore, stimata a partire dallalesaggio in circa 40 mm. Il modello stato quindi traslato in verticale in modo da far coincidere il centro del sistema di riferimento (e quindi lasse di rotazione del Tumble) esattamente al centro del cilindro e a met della corsa, ed il treshold stato definito raccogliendo le celle il cui centroide cadeva ad una distanza verticale compresa tra 20 mm e -20 mm dallorigine degli assi.

  • Grazie a questa operazione stato possibile definire le celle interessate al moto di Tumble, e quindi le celle sulle quali era necessario impostare il calcolo della funzione. Grazie a Starccm+ stato quindi possibile definire le Field Functions dinteresse, relative sia a grandezze impostate che a grandezze monitorate nella simulazione, per cui stato possibile calcolare in modo automatico il valore di ogni parametro ad ogni iterazione e su questo realizzare plot di evoluzione e criteri di convergenza. 3.4 Ricerca della Convergenza di mesh Una volta ottenuto un buon risultato per quanto riguarda i valori delle Y+, possibile indagare varie meshature caratterizzate da differenti dimensioni delle celle, per verificare la convergenza di mesh, ovvero il numero minimo di celle oltre il quale i risultati non sono pi condizionati dalla mesh stessa. Tale valore sar quello adottato poi anche per le altre alzate. Come detto, le differenti meshature influenzano solamente la mesh di volume e non i layer superficiali: questo fondamentale in quanto permette di mantenere praticamente inalterati i risultati ottenuti sulle Y+. La scelta fatta stata quella di partire da meshature piuttosto grossolane caratterizzate da un numero di celle poco elevato, per poi salire progressivamente fino ad un valore massimo indicativo di 115000 oltre il quale il costo computazionale comincia ad essere troppo elevato, rispetto alla potenza di calcolo disponibile.

  • Sono state quindi generate differenti meshature partendo da quella avente un numero di ce