IMPOSTAZIONE DEL MODELLO NELL’AMBIENTE
SOLUTORE FLUENT
6.1 – Impostazioni per l’aggiornamento della mesh ed il moto delle superfici
In seguito all’importazione nell’ambiente solutore del file msh creato in Gambit, si è provveduto
all’impostazione dei parametri necessari al movimento delle varie parti ed al conseguente aggiornamento della mesh.
Fluent implementa uno schema di base del caso cilindro-pistone, alle cui caratteristiche bisogna
attenersi sia per quanto riguarda la suddivisione dei vari volumi, sia per il relativo tipo di mesh.
L’utilizzo di elementi esaedrici per i volumi degli anelli e della parte inferiore della camera di combustione, è richiesto da una particolare forma di aggiornamento della mesh, il relayering; tale
funzione prevede, in tal senso, l’aggiunta e la rimozione di strati, layer, di celle esaedriche.
Gli elementi tetraedrici utilizzati nella parte superiore della camera sono soggetti invece a stiramento ed eventuale remeshing di alcune loro zone.
Mediante tali due funzioni è possibile aggiornare la discretizzazione della camera di combustione in seguito al moto delle valvole e del pistone, durante l’intero ciclo motore.
Partendo dalla configurazione iniziale del modello, ovvero il PMS, la mesh dovrà evolversi per
consentire il moto del pistone e della valvola di aspirazione verso il basso, e di quella di scarico verso l’alto. Per ciò che concerne le valvole, si avrà un aggiornamento di relayering degli anelli, ed
un remeshing del volume della camera (e dei condotti) a contatto con le loro superfici. Per il pistone
invece si avrà inizialmente una dilatazione nel senso della corsa del volume tetraedrico, soggetto a stiramento e remeshing, fino al raggiungimento di una quota prestabilita (piston stroke cutoff),
mentre a seguire lo spostamento sarà compensato soltanto dal relayering del sottostante volume a
celle esaedriche, che fino a quel momento era stato semplicemente traslato. Il motivo di un tale schema risiede in due ragioni. La prima è l’estrema adattabilità alle deformazioni degli elementi tetraedrici, che possono sostenere senza problemi lo spostamento di superfici complesse quali sono le valvole, grazie anche al rinnovo periodico della mesh in zone in cui si superano dei parametri di
distorsione degli elementi (skewness). La seconda è il costo computazionalmente minore degli strati
di celle esaedriche (di dimensione ragionevole) con cui si va a completare l’abbassamento della superficie del pistone. E’ evidente dunque la convenienza nel limitare l’uso di celle tetraedriche, e quindi il piston stroke cutoff, fino ad una quota di poco maggiore alla massima alzata delle valvole.
Relayering anello (elementi esaedrici) Remeshing pistone (elementi tetraedrici) Bowl con elementi tetraedrici Piston stroke cutoff Relayering pistone (elementi esaedrici)
Fig. 6.1 – Aggiornamento della mesh nelle sue varie forme
In tutto questo la mesh della bowl è semplicemente soggetta a traslazione.
Per la chiusura delle valvole sarebbe necessario l’annullamento completo del volume degli anelli,
pratica però impossibile in Fluent. Per ottenere il medesimo risultato, invece, si arresta la corsa
della valvola ad una quota stabilita, il minimum valve lift (0,5 mm nel nostro caso), e mediante un
comando settato in precedenza (evento) si cancella l’interfaccia tra la camera e l’anello che consentiva il passaggio del fluido. Tale cancellazione è stata fatta avvenire ad un angolo di manovella intermedio tra quello reale di chiusura della valvola e quello di raggiungimento del
minimum valve lift, al fine di compensare la maggior sezione di passaggio causata dall’arresto del
Per la riapertura della valvola è sufficiente attivare un evento di creazione dell’interfaccia all’angolo di manovella desiderato. In totale, nel ciclo, si hanno dunque 4 eventi.
Come visibile in fig. 6.2 l’evento di chiusura dello scarico viene fatto eseguire immediatamente, e non a 12° come da relativa legge, perché, nelle simulazioni fluidodinamiche, partendo senza un ciclo di lancio, e quindi senza le dinamiche a regime del fluido nei condotti di aspirazione e scarico, si avrebbe inizialmente da quest’ultimo un richiamo nella camera di aria in esso ferma, aspetto che in realtà non sussiste a causa dell’elevata velocità conferita al fluido dal pistone in fase di scarico. E’ stata proprio la presenza delle interfacce a far propendere la scelta del software con cui eseguire la simulazione verso Fluent. Infatti CFX, solutore con cui era stato iniziato il lavoro, non prevede
(nella versione attualmente sul mercato) una funzione di tale tipo, rendendo dunque impossibile la chiusura totale di un passaggio.
Per l’impostazione del movimento delle valvole, è necessaria la creazione di files di profilo, ovvero
di files numerici che mettono in relazione alzata della valvola ed angolo di manovella. La realizzazione di tali oggetti è stata basata su materiale fornito da Lombardini.
Serie RY Aspirazione - Scarico YS-084 Albero 009R.066 0 2 4 6 8 10 12 -360 -270 -180 -90 0 90 180 270 360
Gradi Albero a gomiti mm
Fig. 6.3 – Diagramma di alzata delle valvole fornito da Lombardini
In Fluent tali files sono associati rispettivamente alle superfici delle valvole di aspirazione e scarico.
Per il moto del pistone è necessaria la definizione di alcune grandezze caratteristiche, ovvero corsa, lunghezza della biella, velocità di rotazione (in giri/min) e passo di discretizzazione angolare.
Fig. 6.4 – Impostazioni di moto del pistone
Per la definizione delle funzioni di remeshing e relayering, nei volumi soggetti a movimento e sulle
relative superfici, è necessaria la definizione di alcuni parametri limite, concernenti skewness e
dimensioni, il cui superamento ne implica l’attivazione. E’ inoltre necessario specificare le superfici soggette a moto rigido (rigid body), a deformazione (deforming) oppure fisse (stationary).
La corretta definizione dei parametri di aggiornamento della mesh su tutto il modello ha richiesto un dispendio di energie e tempo davvero notevoli; questo perché il numero di parametri da settare è davvero elevato, così come lo è la sensibilità del modello alle loro variazioni.
Tuttavia, dopo numerose prove, è stato ottenuto un funzionamento corretto del mesh motion durante
tutto l’arco del ciclo, come visibile in fig. 6.1 e 6.6.
Fig. 6.6 – Mesh aggiornata al PMI
6.2 – Modelli attivati
Indipendentemente dal tipo di simulazione eseguita, sono stati attivati i modelli di solutore
segregated, naturalmente per simulazione tempo-variante (unsteady), accoppiamento pressione-
velocità PISO, modello di discretizzazione della pressione PRESTO! al primo ordine, modello di
viscosità k-ε, turbolenza all’inlet ed all’outlet specificata come intensità (5%) e diametro idraulico.