Riassunto analitico
Negli ultimi anni stanno aumentando le aziende che si avvicinano a codici numerici che utilizzano un approccio SPH per analisi fluidodinamiche, attirate dai numerosi vantaggi di questa tecnica rispetto a quelle tradizionali, soprattutto per analisi sulla lubrificazione delle gearbox e sloshing nei serbatoi. L’obiettivo della tesi è stato quello di sviluppare una metodologia di calcolo, tramite il solutore nanoFluidX (che si basa su approccio SPH), per analisi sulla lubrificazione all’interno di un carter motore per applicazioni motociclistiche ad elevate prestazioni. Per lo sviluppo e la validazione della metodologia sono stati effettuati dei confronti con i dati sperimentali forniti dall’azienda costruttrice del motore, cercando quindi di ottenere risultati che, almeno qualitativamente, andassero nella stessa direzione delle evidenze sperimentali. Durante i test sperimentali sul motore è stata evidenziata una criticità dello stesso, ossia che ad alti regimi inizia a calare la quantità di olio all’interno del carter; le conseguenze risultano in maggiori attriti tra i componenti, i quali subiscono una maggiore usura, unita ad una maggiore dispersione di potenza. Il core della tesi è stato quindi cercare di replicare il fenomeno principalmente andando ad effettuare simulazioni numeriche del caso a due regimi diversi: uno basso in cui non sussiste il problema ed uno alto in cui questo si verifica. Sono quindi stati analizzati i risultati delle simulazioni per valutare differenze tra le due per quanto riguarda la distribuzione dell’olio all’interno del carter: per il regime alto ci si aspetterebbe di avere una minor quantità di olio nella zona più bassa del carter, detta punto di raccolta olio, laddove il lubrificante si deposita per precipitazione e dove è anche presente l’imbocco del canale che porta alla pompa di recupero (pompa che preleva l’olio del motore e lo spinge nel serbatoio olio). Il lavoro ha previsto inizialmente lo studio e la calibrazione dei modelli fisici e numerici del software partendo da geometrie semplificate, concentrandosi principalmente sull’acquisire esperienza e sensibilità rispetto ai parametri essenziali in modo da adattarli alle diverse condizioni operative. Successivamente si è passati alla simulazione del modello reale, in cui le maggiori criticità sono state ritrovate nell’inizializzazione del calcolo, dato che si tratta di un dominio aperto multifase aria-olio, sono quindi state utilizzate una serie di ipotesi per poter avere delle soluzioni confrontabili per i due regimi. Il processo di affinamento delle condizioni iniziali e al contorno è stato portato avanti fino all’ottenimento di una ragionevole similitudine tra l’andamento dei risultati numerici e sperimentali. A questo punto, si è svolta un’analisi critica per valutare l’efficacia del solutore nel prevedere il fenomeno sopra descritto, andando a individuare eventuali differenze di comportamento tra due geometrie differenti.
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Abstract
In recent years, companies approaching numerical codes that use an SPH approach for fluid dynamics analyzes are increasing, attracted by many advantages of this technique compared to traditional ones, in particular for gearbox lubrication and tanks sloshing analyses.
In this thesis, using nanoFluidX (which is based on SPH approach), a calculation method was developed, for lubrication analysis inside an engine crankcase for high performance motorcycle applications. For the development and validation of the methodology, comparisons were made with the experimental data provided by Ducati, thus trying to obtain results that, at least qualitatively, went in the same direction as the experimental evidences.
During engine tests, a problem was met, in fact at high engine speed the amount of oil inside the engine carter begins to decrease; the consequences result in higher friction between components, which undergo greater wear, combined with greater loss of power.
The core of the thesis was therefore to replicate the phenomenon mainly by carrying out numerical simulations of the case at two different speeds: a low one in which the problem does not exist and a high one in which it occurs.
Then the results of the simulations were analyzed to evaluate the differences between the two, concerning the distribution of oil inside the engine crankcase: for the high engine speed one would expect to have a smaller quantity of oil in the lower area of the carter, where the lubricant goes by precipitation and where there is also the inlet to the channel that leads to the recovery pump (pump that takes the oil from the engine and pushes it into the oil tank).
The work initially involved the study and calibration of the physical and numerical models of the software starting from simplified geometries, focusing mainly on acquiring experience and sensitivity with respect to fundamental parameters, in order to adapt them to different operating conditions. After that, the work moved on to the simulation of the real model, in which the major problems were found in the initialization of the calculation, since it is an open multiphase (oil-air) domain, therefore several hypotheses were made in order to have comparable solutions for the two engine speeds. The process of refining the initial and boundary conditions was carried out until a reasonable similarity was obtained between the trend of the numerical and experimental results. At this point, a critical analysis was carried out to evaluate the effectiveness of the solver in predicting the phenomenon described above, identifying any differences in behavior between two different geometries
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