Accoppiamento modello-solutore principale

Durante la simulazione, il modello di accensione e il solutore principale si scambiano un certo numero di informazioni: i valori medi delle grandezze fisiche necessarie per il calcolo delle caratteristiche del kernel vengono raccolte dall’apposita funzione ad ogni time step. Questi sono quindi passati alla funzione principale di accensione che, usando un proprio intervallo di calcolo, esegue le singole operazioni e calcola lo stato attuale del kernel. Ad ogni ciclo avviene la verifica sulla dimensione del kernel: se questo non ha raggiunto il valore di soglia impostato, il ciclo ricomincia, utilizzando come nuovi valori iniziali quelli del ciclo precedente; in caso contrario, l’algoritmo si interrompe e l’ultimo valore utilizzabile di Σ viene ceduto al solutore principale per inizializzare la combustione. La situazione descritta `e riportata schematicamente in figura 6.3.

Figura 6.3: Rappresentazione schematica dell’interazione tra modello di accensione, diviso nelle sue parti fondamentali, e solutore principale.

Validazione del modello di

accensione

In questo capitolo vengono riportati i risultati del modello di accensione implemen- tato e comparati con i dati sperimentali ottenuti da un caso test: questo `e ben noto in letteratura ed `e riportato in [13] e [14]. Si `e scelta una tale configurazione per i seguenti motivi:

ˆ il motore utilizzato `e uno dei pochi espressamente concepito per lo studio della combustione: indagini sperimentali su motori reali forniscono, generalmente, meno informazioni sul processo di combustione;

ˆ la geometria `e relativamente semplice e descritta in modo sufficientemente dettagliato da essere riprodotto con software CAD e CFD;

ˆ le condizioni di moto all’istante di accensione sono poco influenzate dalle con- dizioni iniziali, mentre in un motore reale `e necessario tenere conto di tutta la fase di ricambio di fluido;

ˆ molti parametri, generalmente vincolati in un motore reale, possono essere mo- dificati in questa configurazione: composizione della miscela, posizione candela, tipologia del sistema di accensione e regime;

ˆ la possibilit`a di accesso ottico alla camera di combustione permette di ottenere informazioni anche di tipo visivo (metodo Schlieren) sullo sviluppo del fronte di fiamma e sulla progressione del volume bruciato (questo, in particolare, sar`a utilizzato come principale mezzo di confronto tra modello e dati sperimentali); ˆ il volume della camera di combustione `e sufficientemente grande e le variazioni di pressione risultano contenute: questo semplifica in parte il problema, in

quanto parametri come velocit`a e spessore laminari di fiamma non variano in maniera significativa durante la combustione.

Di contro, per`o, questo apparato sperimentale presenta alcuni limiti:

ˆ i dati sperimentali per le varie prove sono relativamente scarsi, inoltre i risultati ottenuti con la tecnica Schlieren presentano un’elevata incertezza;

ˆ la geometria della fiamma risulta particolarmente complicata, pertanto gli au- tori hanno dovuto fare delle notevoli semplificazioni al fine di determinare il volume combusto;

ˆ in [13] e [14] non sono riportati gli andamenti di pressione e temperatura in camera, il che impedisce di verificare correttamente le condizioni di accensione; ˆ le velocit`a di rotazione testate sono basse e, di conseguenza, lo `e anche il numero di Reynolds: questo si riflette negativamente sull’affidabilit`a dei mo- delli di combustione e turbolenza che, di contro, sono pensati per descrivere correttamente flussi ad elevato numero di Reynolds.

Nel seguito verr`a prima presentato l’apparto sperimentale e descritto nelle sue caratteristiche principali; in seguito sar`a analizzato in dettaglio il settaggio del case all’interno dell’ambiente di simulazione, con particolare attenzione alla preparazione della geometria e alla scelta dei parametri di simulazione (condizioni iniziali, di combustione e di turbolenza). Infine saranno presentati i risultati delle simulazioni con e senza combustione e quindi confrontati con i dati sperimentali a disposizione.

7.1

Caso test di riferimento

Il motore utilizzato da Herweg e Maly nelle loro indagini `e riportato in figura 7.1 ed `e progettato appositamente per indurre un intenso moto di swirl all’interno del- la camera cilindrica laterale nella quale avviene la combustione: questo risultato `e ottenuto collegando quest’ultima alla zona del cilindro mediante un condotto oppor- tunamente inclinato. Variando il regime di rotazione e la collocazione degli elettrodi, che possono essere disposti in posizione centrale o periferica, `e possibile poi studiare separatamente gli effetti del moto medio (candela centrale) e della turbolenza (can- dela periferica) sullo sviluppo del nucleo di fiamma. Le caratteristiche geometriche fondamentali sono riportate in tabella 7.1.

Gli accessi ottici presenti, forniti da due finestre di quarzo poste alle estremit`a della camera e da due aperture circolari ai lati, permettono di effettuare delle mi- surazioni LDV (laser doppler velocimetry) di velocit`a e intensit`a di turbolenza, ed utilizzare tecniche di ripresa ad alta velocit`a (Schlieren) per filmare l’evolversi del

Figura 7.1: Dettaglio della sezione del motore monocilindrico riportato in [13] e [14]: si mettono in evidenza le zone relative al cilindro (blu) e alla camera laterale (rosso).

fenomeno: grazie a queste Herweg e al. hanno potuto determinare l’evoluzione del volume combusto, nell’ipotesi che la sezione trasversale della fiamma si mantenesse ellittica. Le prove sperimentali condotte prevedono variazioni di regime, rapporto aria-combustibile, posizione degli elettrodi e tipo di sistema di accensione: l’elenco completo delle condizioni operative dei test `e riportato in tabella 7.2.

Parametro Valore Alesaggio 73 mm Corsa 67 mm Lunghezza di biella 112 mm Altezza di squish 1 mm Rapporto di compressione 7.3:1

Diametro camera laterale 45 mm

Larghezza camera laterale 19 mm

Diametro condotto di collegamento 12 mm

Dimensione elettrodi 1 mm

Distanza elettrodi 1 mm

Tabella 7.1: Caratteristiche geometriche del motore sperimentale, usate anche per la simulazione.

Fasatura di accensione 350 CAD

IVC 192 CAD

Temperatura miscela in ingresso 298 K

Pressione all’accensione 5 bar

Combustibile propano

Regime 300, 500, 750, 1000, 1250 rpm

Rapporto di miscela λ 1.0, 1.3, 1.5

Posizione candela centrale, periferica

Sistema di accensione TCI, CDI

Tabella 7.2: Condizioni operative per il caso test.