Riassunto analitico
Oggetto del lavoro di tesi è lo sviluppo di metodologie sperimentali e numeriche per l’analisi dei flussi multifase che caratterizzano i componenti per trasmissioni di potenza HVT ad alta efficienza energetica in applicazioni off-highway. Il fluido utilizzato per il processo di lubrificazione di tali componenti è infatti fortemente multi-fase, in quanto l’olio si miscela con l’aria presente al loro interno influenzando significativamente il comportamento meccanico e termico della trasmissione.
Lo studio si è focalizzato sul flusso multifase che si sviluppa all’interno di wet-clutches e sono state adottate diverse metodologie per la predizione della distribuzione del fluido lubrificante: sperimentazione su banchi prova, analisi multidimensionale CFD e modellazione a parametri concentrati e distribuiti.
L’analisi mediante sperimentazione su componenti ha riguardato inizialmente l’utilizzo di banchi prova per il testing a fatica di componenti di carattere industriale. Tale approccio permette una misura diretta delle grandezze fisiche di interesse, ma presenta diversi svantaggi, quali elevati costi (struttura, sistemi di controllo, componentistica e tempo svolgimento prove) e difficoltà nell’ottenere misurazioni interne al componente. Infatti la caratteristica di flusso multi-fase, la complessità geometrica e le condizioni operative dei componenti determinano la quasi impossibilità di misure dirette del campo di moto interno al componente. Questo ha portato allo sviluppo di nuove metodologie sperimentali per la misura diretta interna al componente ed in particolare alla progettazione di un banco prova con componentistica trasparente tale da rappresentare nel modo più accurato possibile la reale geometria e le rispettive condizioni operative; l’applicazione di tecniche di fotografia veloce ha quindi permesso l’acquisizione di misure sperimentali interne al componente in particolari punti del circuito.
Il flusso multi-fase interno ai componenti è stato inoltre analizzato mediante tecniche di modellazione numerica CFD. Al fine di simulare accuratamente la complessa geometria in esame è stata sviluppata una metodologia modulare in grado di simulare i profili di flusso che si sviluppano internamente al componente e quindi studiare il comportamento fluidodinamico e la distribuzione di olio. Il confronto numerico sperimentale ha mostrato una buona corrispondenza sia per quanto riguarda la predizione della distribuzione di flusso, sia per quanto riguarda i profili del flusso multifase. L’onere computazionale di tali tecniche numeriche è però elevato ed è utilizzabile per la sola simulazione del singolo componente in particolari condizioni operative e quindi non adatto alla simulazione dell’intero sistema.
Pertanto, sono stati sviluppati dei modelli a parametri concentrati e distribuiti per la simulazione del flusso bifase caratteristico in questi componenti. Tale approccio permette di ridurre l’onere computazionale e la simulazione del flusso all’interno del singolo componente integrato in un modello di sistema. Lo sviluppo dei modelli è stato condotto mediante la piattaforma open source OpenModelica. Data la natura del flusso separato e la necessità di rappresentare la tridimensionalità del processo, sono stati sviluppati componenti quasi-3D in grado di individuare l’interfaccia presente tra i due fluidi. È quindi stato implementato un algoritmo specifico in grado di determinare la posizione di tale interfaccia basato su una logica PLIC (Piecewise Linear Interface Calculation) e sul bilancio di forze agenti sul flusso, sia di tipo gravitazionali che centrifughe. La simulazione dei modelli a parametri concentrati e distribuiti ha dimostrato una buona corrispondenza con i risultati ottenuti sia con un approccio multidimensionale che sperimentale.
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Abstract
The object of this thesis is the investigation of the multiphase flow, which develops inside high efficiency HVT power transmissions components of off-highway vehicle, during the lubrication process.
Objective of this thesis is the development of both experimental and numerical methodologies for the analysis of multi-phase flows within high efficiency HVT power transmissions for off-highway vehicles. The lubricating fluid is in fact often a mixture between oil and air within the components and the multi-phase nature of the flow influences significantly the mechanical and thermal behavior of the transmission.
The study focuses on the multi-phase flow that characterizes wet-clutches and different methodologies are adopted for the prediction of the lubricating fluid distribution: experimental measurements on test rigs, multi-dimensional CFD analysis and lumped and distributed parameter numerical modeling.
The experiments are initially carried out on industrial test rigs for fatigue testing of the whole transmission. Using this approach, several quantities can be directly measured, but the test rigs are usually expensive due to high capital costs, advanced control systems, time needed for testing; furthermore, it is extremely difficult to obtain measurements of the flow within the single component and to characterize the mixing process between lubricant and air. In fact, the multi-phase flow that develops within the wet-clutches makes it difficult to determine the flow pattern in the components and the complex geometry as well as the demanding operating conditions limits greatly the non-intrusive observation of the internal flow. Thus, new experimental methodologies are developed for the direct measurement of the flow distribution within wet clutches. A test rig equipped with transparent components is designed and used for reproducing as accurately as possible the real geometry of the clutch and run it under actual operating conditions. Fast imaging techniques are adopted for the measurement of the flow pattern within the component.
The wet-clutches multi-phase flow within the HVT transmission is also analyzed by means of CFD simulation of the entire geometry. In order to accurately model the complex geometry, a modular approach is proposed for address the real fluid dynamics behavior. Multidimensional modeling demonstrates to be in good agreement with the measurements in terms of flow distribution and multi-flow field behavior. Even though this approach is very accurate in predicting the flow within the real geometry, the computational effort is remarkable and it can be employed only for a component focused analysis under specific operations. The CFD modeling of the entire systems for a sensitivity analysis with respect to varying operating conditions would be too demanding in terms of both computational resources and calculation time.
Therefore, the thesis’s work is also focused on the development of lumped and distributed parameter numerical models for the simulation of the multi-phase flow under this modeling framework. The proposed models are characterized by a limited computational effort while predicting the flow pattern within a single component interacting with the whole system. The proposed models are implemented within the open source OpenModelica platform. The developed models accounts for the 3D nature of the flow by assuming a quasi 3D discretization of the fluid domain and the interface between the fluids is tracked by means of the PLIC (Piecewise Linear Interface Calculation) approach and of the balance of the centrifugal and gravitational forces acting on the flow. The implemented lumped and distributed models demonstrate to predict accurately the results obtained with both measurements and CFD calculations.
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