Riassunto analitico
Ad oggi, l’ambiente automotive è sempre più improntato alla ricerca e allo sviluppo dei motori ibridi, anche nel settore motor sport.
Le alte prestazioni richieste, dunque, rendono sempre più importante l’efficienza del raffreddamento dei moduli di potenza elettronici delle power unit, portando così allo studio di soluzioni sempre più performanti per ottenere una riduzione di temperatura e/o una riduzione della pumping power.
L’obiettivo di questo elaborato di tesi è quello di studiare sia analiticamente che numericamente l’impiego di schiume metalliche a cella aperta all’interno di uno scambiatore, per valutare lo scambio termico e la pumping power.
Pertanto, è stata analizzata una geometria rappresentativa della cella di base composta da ligaments e nodes, la cui struttura rappresenta la Kelvin tetrakaidekahedron cell. Questa cella di base è stata ripetuta nello spazio ottenendo così una struttura ordinata e di dimensioni prestabilite, diversa dalle attuali schiume commerciali.
Si è analizzata, poi, la variazione delle proprietà di un modulo rappresentativo del dominio dello scambiatore in base a variazioni della sola geometria della cella metallica.
In seguito sono stati definiti tre parametri geometrici fondamentali che caratterizzano la struttura della cella: il primo riguarda la lunghezza del ligament; gli altri due tengono conto rispettivamente della forma dell’area trasversale del ligament e dell’altezza della piramide della sezione trasversale del ligament.
Attraverso la modellazione in ambiente CAD, è stato quindi realizzato il modello solido parametrico della geometria, sul quale è possibile operare per modificare agevolmente i parametri nel corso dello studio.
A livello numerico, per la creazione del dominio computazionale e lo svolgimento della simulazione – basata su modelli di turbolenza κ-ε e su un approccio Low Reynolds – sono stati utilizzati due software, Pointwise e OpenFoam.
Infine, i risultati ottenuti dalle simulazioni sono stati confrontati con un dominio rappresentativo dell’attuale soluzione presente nella vettura Ferrari; è stato, così, possibile valutare l’efficienza della nuova soluzione rispetto a quest’ultima.
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Abstract
Currently the attention of automotive environment is increasingly focused on the research and the development of hybrid engines, even in the motor sport sector.
The high performances required make the cooling efficiency of the electronic power modules of the power units more and more important. As a result of this process, it is strictly necessary to study ever more performing solutions to achieve a temperature reduction and / or a pumping power reduction.
The aim of this thesis is to study analytically and numerically the use of metal open cell foams inside an exchanger to evaluate the heat exchange and the pumping power.
Therefore, it was analyzed a representative geometry of the basic cell, composed of ligaments and nodes, whose structure represents the Kelvin tetrakaidekahedron cell. This basic cell was repeated in space in order to obtain an ordered structure with default dimensions, different from the current commercial foams.
After that, it was considered the variation of exchanger domain module properties only according to the variations of metal cell geometry.
Following this operation, it was possible to define three fundamental geometric parameters, that characterize the cell structure: the first one concerns the ligament length while the other two refer to transversal area shape of the ligament and to pyramid height of the cross-section ligament respectively.
Through the modeling in CAD software, it was realized the solid parametric model of geometry. On this sample it is possible to operate to modify easily the parameters during the study.
At the numerical level, for the creation of the computational domain and the development of the simulation - based on κ-ε turbulence models and a Low Reynolds approach - two software were used, Pointwise and OpenFoam.
At last, the results obtained from the simulations were compared with a representative domain of the current solution in Ferrari car. In this way it was possible to evaluate the efficiency of the new solution compared to the above-mentioned one.
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