Riassunto analitico
I motori a combustione interna sono macchine che convertono l’energia termica generata dall’ossidazione del carburante in energia meccanica. Questo processo ha un’efficienza piuttosto bassa e parte dell’energia viene dissipata sotto forma di calore. Nei motori ad alte prestazioni, questo carico termico e gli elevati carichi meccanici si sovrappongono, portando a fenomeni di fatica termo-meccanica. Da questo punto di vista, la gestione termica diventa un aspetto da non sottovalutare. Il dimensionamento dei circuiti di raffreddamento è una sfida impegnativa, in quanto la temperatura del fluido è vicina alla saturazione e c’è la possibilità che si formi un film di vapore che agisce da barriera per il calore.
Al giorno d’oggi, il metodo migliore per la progettazione del sistema di raffreddamento è l’analisi fluidodinamica computazionale, nella quale è possibile considerare, non solo la dinamica del fluido, ma anche la formazione di bolle o film di vapore. Nonostante l’elevata precisione, l’analisi CFD ha un grosso svantaggio: richiede un’elevata potenza di calcolo e un lungo tempo di simulazione. L’analisi classica CFD richiede diversi passaggi: viene eseguita una simulazione CFD monofase nel quale viene simulato anche il fenomeno del boiling, da qui vengono esportati i flussi termici, che vengono utilizzati come input in un’analisi termica FEM; questa procedura viene poi ripetuta con diverse iterazioni tra CFD e FEM fino ad avere una convergenza dei flussi termici e delle temperature sulle pareti.
In questa tesi, oltre al metodo precedente, viene considerata una metodologia che consente, attraverso correlazioni empiriche, di tenere conto della variazione del coefficiente di scambio termico fluido-parete, dovuta all’insorgere di fenomeni di nucleate boiling, nell’analisi termomeccanica agli elementi finiti. In questo modo, è possibile stimare la presenza di boiling nelle prime fasi di progettazione della testa del motore. Queste correlazioni empiriche vengono applicate direttamente all’interno del software FEM attraverso una user subroutine. I risultati dei due metodi vengono quindi confrontati e viene infine eseguita una taratura dei coefficienti delle correlazioni così da ottenere dei risultati accurati.
In particolare, in questa tesi è stato preso in considerazione il software Dassault Systems Abaqus per le simulazioni strutturali e il software Siemens STAR CCM+ per le simulazioni fluidodinamiche.
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