Riassunto analitico
Il moderno sviluppo delle motorizzazioni ibride sulle monoposto da Formula1 ha aperto nuovi fronti di studio in merito alla gestione termica delle Power-Unit. La necessità di garantire il duraturo funzionamento e la costanza di performance delle unità motrici, ha infatti reso fondamentale lo studio accurato dei loro sistemi di raffreddamento, con tutti i requisiti e vincoli tipici dell’ambiente delle corse. L’obiettivo di questo lavoro è lo studio di una strategia per il raffreddamento dei moduli di alta potenza dell’inverter.
Per procedere in maniera sistematica allo sviluppo di una soluzione lo studio si è sviluppato a partire dall’analisi di un generico circuito di raffreddamento completo in caso monodimensionale e non stazionario. Attraverso la modellazione in ambiente Matlab/Simulink si sono definite le relazioni fondamentali per la descrizione del problema, e verificato il comportamento nel tempo del sistema.
Si è quindi passati all’analisi dettagliata del sistema di raffreddamento attualmente impiegato a bordo vettura, composto da: chips, piastra di rame, piastra di ceramica e scambiatore di alluminio; mentre come liquido refrigerante si utilizza della comune acqua. L’obiettivo dell’analisi è stato quello di individuare i punti di forza e le lacune del sistema da cui partire per lo sviluppo di una propria soluzione.
Per La progettazione di un nuovo apparato di raffreddamento si è fatto riferimento alla strategia di cooling con microcanali, proponendo una soluzione differente rispetto a quelle tipicamente presenti in letteratura. Si è introdotta una geometria del tutto originale basata sulla ripetizione di un unità base dalla cui ripetizione si ottiene una serie di canali a serpentina che percorrono l’intera estensione dello scambiatore, nei quali scorre il fluido refrigerante.
Attraverso la modellazione in ambiente Solidworks si è realizzato il modello CAD parametrico della geometria, sul quale poter operare per eseguire rapide modifiche di topologia o dei parametri geometrici caratteristici. Con il software Pointwise, si è costruita la mesh dell’intero sistema di raffreddamento ponendo l’attenzione alla corretta risoluzione della griglia adatta a cogliere tutti i fenomeni tipici dello scambio termico relativi all’interazione solido-liquido. Si è quindi svolta la simulazione CFD attraverso OpenFOAM, ricreando le condizioni operative del sistema per analizzarne il comportamento dal punto di vista termo-fluidodinamico.
Infine si sono confrontate i due sistemi di raffreddamento studiati, in termini di comportamento del flusso e di performance termiche.
I risultati, mostrati nella tesi, mettono in luce le potenzialità della soluzione proposta. La geometria studiata potrebbe quindi essere la base di partenza per un futuro lavoro di raffinamento della soluzione con l’obiettivo di migliorare ulteriormente le prestazioni dello scambiatore a microcanali.
|
Abstract
The modern development of Formula 1’s hybrid engine has opened new areas of research in thermal management of power-units. To guarantee long-lasting operation and constant performance of power-units, the careful study of their cooling systems has become fundamental, with all the requirements and constraints typical of the racing environment. The aim of this application is to study and test a strategy for cooling the high power modules of the inverter.
To proceed systematically to the development of a solution, the work starts from the analysis of a generic complete cooling circuit in one-dimensional and unsteady case. Through Matlab / Simulink modeling environment, the fundamental relationships for the description of the problem have been defined, and the behavior of the system has been verified. Subsequently a detailed analysis of the cooling system currently used on the car was performed. The elements of cooling system are chips, copper plate, ceramic plate and aluminum exchanger while as a coolant it was used common water. The target of the analysis was to identify the strengths and weaknesses of the structure from which it could be possible to develop a solution.
For the design of a new cooling apparatus, the microchannel cooling strategy was considered as a reference. However, a different solution, rather than those typically found in literature, was proposed.
Starting from the original geometry, a new configuration was created by considering a series of serpentine microchannels within coolant flows. In particular, the entire cooling system domain was created by repeating a specific basic module.
Through modeling with CAD software (Solidworks), a parametric model of the solution was created, on which we could operate to perform rapid changes of topology or geometric parameters.
Then, using the software Pointwise, the entire geometry of the cooling system has been rebuilt, focusing on creating a mesh that is suitable for capturing all the typical phenomena of heat exchange by means of solid-liquid interaction.
The CFD simulation was performed through OpenFOAM, recreating the operating conditions of the system and then proceeded to characterize the new microchannel solution from a thermofluidodynamic point of view. At last, the flow behavior and the thermal performance of the two cooling systems was compared.
The results, written in this work, show and confirm the validity of the proposed solution.
The suggested geometry could possibly be the starting point for a future refinement of the solution, with the goal to enhance the microchannel exchanger’s performances.
|
