Riassunto analitico
Il lavoro svolto consiste nell’analisi CFD-3D dello scambio termico coniugato di un motore turbo benzina a iniezione diretta, effettuata principalmente con il software di simulazione 3D StarCCM+ e con l’ausilio del software di modellazione HyperMesh.
L’obbiettivo del progetto è quello di sviluppare una metodologia efficace per lo svolgimento dell’analisi termo-strutturale e di studiare il comportamento del propulsore dal punto di vista fluidodinamico, in primo luogo, e termico, sia per quanto riguarda la temperatura raggiunta dal fluido refrigerante sia per il solido.
Per la parte termo-strutturale si lavora sulla sola bancata sinistra del motore per una questione di carico computazionale, mentre per l’analisi fluidodinamica si usa il modello completo del circuito di raffreddamento.
La prima parte del lavoro è incentrata sul bilanciamento della portata che scorre nelle due bancate, bilanciamento che avviene tramite la parzializzazione dei passaggi della guarnizione della bancata sinistra dalla parte dei condotti di aspirazione (a valle della testa del circuito di raffreddamento).
Tramite un processo iterativo di confronto tra software 1D e 3D si va a determinare l’area efficace di passaggio del fluido che permette di avere portate uguali a destra e sinistra.
La fase di analisi fluidodinamica si conclude con lo studio della distribuzione degli HTC e delle temperature nel circuito.
Gli step operativi dell’analisi termo-strutturale sono i seguenti:
• Importazione Geometria da CAD;
• Riorganizzazione boundaries;
• Creazione interfacce solido-liquido e solido-solido;
• Meshatura liquido (approccio High-Reynolds e Low-Reynolds) e solido;
• Applicazione carichi termici medi e polinomiali;
• Collocazione “probe points” per confronto con dati sperimentali;
• Ottimizzazione modello con confronto software 1D;
• Individuazione punti critici dal punto di vista termico.
Il confronto con i dati sperimentali, anche se in numero molto ridotto e relativi ad un motore leggermente diverso per geometria e boundary conditions, rivela una certa discordanza tra le temperatura registrate al banco e quelle ottenute con la simulazione. Tale discordanza si riduce in seguito all’ottimizzazione del modello (flussi conformi ai risultati di GT-Power applicati alle singole boundaries) ma comunque persiste.
Lato liquido, in generale, per entrambe le griglie realizzate si nota una carenza di portata nelle intercapedini del basamento che portano ad avere picchi di temperatura dell’acqua nei cilindri centrali. Si osserva inoltre che la mesh di tipo Low-Reynolds risulta più coerente con quella del Completo dal punto di vista fluidodinamico, cioè per le portate in circolo nei vari passaggi.
Lato solido, si osserva una distribuzione realistica della temperatura sia sulle canne che sulla testa, ma le temperature più critiche risultano piuttosto elevate.
Pur avendo una certa discordanza con i risultati sperimentali, la metodologia utilizzata si può ritenere efficace, anche se è necessario ottimizzare ulteriormente l’impostazione del modello dal punto di vista dell’applicazione dei flussi termici, che deve raggiungere un maggior grado di precisione, anche in termini di conformità con i risultati delle simulazioni 1D.
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Abstract
This work consists of an analysis of the CFD-3D conjugate heat transfer of a turbocharged gasoline direct injection engine, carried out mainly with 3D simulation software StarCCM+ and with the help of modeling software HyperMesh.
The goal of the project is to develop an effective methodology for carrying out thermo-structural analysis and to study the behavior of the engine firstly from the point of view of fluid dynamics, and then of the heat transfer, analyzing both the temperature reached by the cooling fluid and the solid.
For the thermo-structural part, only the left cylinder bank of the engine will be operated for a matter of computational load, while for the fluid dynamics analysis it will be used the full model of the cooling circuit.
The first part of the work is focused on balancing the flow rate flowing in the two cylinder banks, which is performed by slicing the gasket passages of the left bank on the aspiration side (downstream of the head of the cooling circuit).
Through an iterative process of comparison between 1D and 3D softwares, the effective area of the fluid passage will be determined; this allows to have equal flow rates both in the right and left sides.
The fluid dynamics analysis phase ends with the study of the distribution of HTC and temperatures in the circuit.
The operational steps of the thermo-structural analysis are the following:
• Import of geometry from CAD
• Reorganization of boundaries
• Creation of solid-liquid and solid-solid interfaces;
• liquid meshing (High-Reynolds and Low-Reynolds approach) and solid
• Application of thermal loads, medium and polynomial
• Location of "probe points" for comparison with experimental data
• Optimization of the model through the comparison with 1D software
• Identification of critical points from the thermal point of view
The comparison with experimental data, although in very small numbers and relative to a slightly different engine from the point of view of geometry and boundary conditions, revealed a certain discrepancy between the temperature recorded at the testing bench and those obtained by the simulation. This discrepancy is reduced after the optimization of the model (thermal fluxes in accordance with the results of GT-Power applied to individual boundaries) but still persists.
On the liquid side, generally, for both grids there is a shortage of capacity in the cavities of the crankcase that leads to having peaks of water temperature in the central cylinders. It is also noted that the Low-Reynolds mesh-type is more consistent with that of the Complete from the point of view of fluid dynamics, i.e. for the flow circulating in the various passages.
On the solid side, there is a realistic distribution of temperature on both the reeds on the head, but the critical temperatures are quite high.
Despite showing some inconsistencies with the experimental results, the methodology used can be considered effective, although it is necessary to further optimize the setting of the model from the point of view of the application of heat fluxes, which must reach a higher degree of accuracy, even in terms of compliance with the results of 1D simulations.
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