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• Raffreddamento

Il presente lavoro di tesi ha come obiettivo l’analisi termica di una linea di scarico di un motore a combustione interna sottoposto a convezione esterna forzata tramite soffioni, utilizzati per il suo raffreddamento in sala prove: tale analisi verrà effettuata tramite software CFD-3D Siemens STAR-CCM+, al fine di valutare campo di temperatura e coefficienti di scambio termico.
L’analisi di tale problema risulta essere di fondamentale importanza per poter valutare in primo luogo l’effetto della convezione forzata sulla linea di scarico in termini di incremento del flusso termico uscente con conseguente perdita di performance e, in secondo luogo, tramite il campo di temperatura di individuare eventuali punti ad elevate temperature che possono causare l’innesco di rotture meccaniche.
Il problema che si delinea è del tipo Conjugate Heat Transfer, in cui coesistono scambio termico convettivo (tra i gas di scarico e le pareti del condotto e tra l’aria dei soffioni e la linea di scarico), conduttivo (all'interno degli elementi metallici e degli isolanti presenti) e radiativo (che acquisisce un ruolo fondamentale date le elevate temperature della linea di scarico).
A causa dei differenti tempi caratteristici del solido e del fluido, saranno necessarie due simulazioni distinte: una tempo-variante per i gas di scarico in cui utilizzando come condizioni al contorno i dati provenienti da simulazioni CFD-1D verrà valutato il calore ceduto dai gas di scarico alle pareti interne del collettore, ed una seconda stazionaria per la convezione esterna forzata lato aria-motore in cui utilizzando il risultato della precedente simulazione si otterrà il campo di temperatura. Data l’interdipendenza tra campo di temperatura e calore scambiato, è necessario un processo iterativo tra le due simulazioni.
La modellazione del problema è stata effettuata considerando una box che rappresenta la sala prove, in cui il motore è posto in posizione centrale ed i soffioni distano da quest’ultimo 30 cm. Nei primi calcoli è stata considerata una posizione fissa arbitraria dei soffioni in due diverse direzioni: una in direzione longitudinale al motore e l’altra in direzione trasversale.
Al fine di valutare la robustezza dei risultati ottenuti verranno effettuate varie analisi di sensibilità, variando ad esempio parametri di mesh, posizione dei soffioni, modelli di turbolenza, nonché l’impatto di semplificazioni inizialmente adottate alla modellazione del problema.

The aim of this thesis is the thermal analysis of an internal combustion engine exhaust line, subject to external forced convection through fans used to cool down the engine in the test room. The analysis will be carried out with the CFD-3D software Siemens STAR-CCM+, in order to evaluate the temperature field and heat transfer coefficients. The analysis of the problem is of fundamental importance for two main reasons. Firstly, to evaluate the effect of forced convection on the exhaust line in term of increase of the outgoing heat and consequently a loss of performance. Secondly, through the temperature field is possible to identify points at high temperature, which can cause mechanical breakdowns. The resulting problem is of the Conjugate Heat Transfer type, in which coexist convective heat exchange (between exhaust gases and the internal wall of the exhaust manifold and between the ambient air of the fans and the exhaust line), conductive heat exchange (inside the metal elements and the insulator) and radiative heat exchange (which acquires a fundamental role due to the high temperature which characterize an exhaust manifold). Due to the different characteristic time of the solid and fluid, two different simulations will be necessary. The first is a time dependent one for the exhaust gas, which use the CFD-1D simulations data as Boundary conditions, through which will be calculated the heat exchanged by the exhaust gases with the walls of the exhaust manifold. The second one is a steady simulation, for forced externa convection on the ambient air/exhaust line side, where using the results of the previous simulation, the temperature field will be obtained. Because of the interdependency between the temperature and the heat exchanged, an iterative process between the two simulations is necessary. The modelling of the problem has been carried out by considering a box that represents the test room, where the engine is placed in a central position and the fans are 30 cm away from the latter. In the first calculations, an arbitrary fixed position of the fans has been considered in two different directions: one in the longitudinal direction to the motor and the other in the transverse direction. In order to assess the accuracy of the results obtained, various sensitivity analyses will be carried out, for instance, varying mesh parameters, fans positions, turbulence models, as well as the impact of simplifications initially adopted to model the problem.