Mapping Process

La mappatura è uno scambio di dati su un’interfaccia fluido-struttura tra una simulazione CFD e una simulazione FE. La tecnica permette pertanto di svolgere un accoppiamento fluido struttura tra FIRE e un software agli elementi finiti mediante scambio di file in formato .txt. Una mappatura pertanto richiede la definizione di una superfice di interscambio che rappresenta l’interfaccia fluido struttura. Questo dal lato FE si traduce nella realizzazione di un file contenente le informazioni (posizione dei nodi e elemnti) che identificano gli elementi superfice (SURF-152) mentre per quanto riguarda la parte CFD, l’interfaccia fluido struttura deve essere definita da una specifica selezione (CFD-selection). In Figura 9.20 si riporta gli elementi superfice FE (in nero) e le rispettive selezioni CFD (colore).

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9.7.2.1 Definizione dell’interfaccia

Ogni accoppiamento “selezione CFD/ mesh FE” richiede la definizione di una serie di parametri fondamentali per il perfetto accoppiamento tra le due entità.

Figura 9.21 - Definizione dell'interfaccia.

L’interfaccia, vedi Figura 9.21, viene definita da:

 la selezione CFD associata agli elementi FE (CFD selection);

 la tipologia di movimento (mesh movement) associata all’interfaccia CFD- FEA e può essere di tre principali tipologie:

1. nessuna (none): nel caso la posizione delle superfici considerate sia costante nel tempo (testa del combustore e del compressore, condotto di scarico, di aspirazione, di trasferimento);

2. movimento reale (Real motion): nel caso la posizione delle superfici vari nel tempo a causa di un reale moto della superfice (testa del pistone combustore e compressore, valvole;

3. movimento dovuto alla deformazione della mesh (mesh deformation): questo fenomeno sia nel caso dei cilindri del motore dove si ha una variazione del volume della camera di combustione dovuto al movimento del pistone.

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 il formato del file FE e la propria directory. Nel caso si utilizzi come programma agli elementi finiti Ansys Apdl è necessario fornire due file in formato .ana uno per i nodi e uno per gli elementi, vedi Figura 9.22 e Figura 9.23. Questi file possono essere generati in Ansys seguendo la seguente procedura:

𝑃𝑟𝑒𝑝𝑟𝑜𝑐𝑒𝑠𝑠𝑖𝑛𝑔 → 𝑀𝑜𝑑𝑒𝑙𝑙𝑖𝑛𝑔 → 𝐶𝑟𝑒𝑎𝑡𝑒 → 𝐶𝑟𝑒𝑎𝑡𝑒 𝑒𝑙𝑒𝑚𝑒𝑛𝑡𝑠 → 𝑊𝑟𝑖𝑡𝑒 𝑒𝑙𝑒𝑚𝑒𝑛𝑡𝑠 𝑃𝑟𝑒𝑝𝑟𝑜𝑐𝑒𝑠𝑠𝑖𝑛𝑔 → 𝑀𝑜𝑑𝑒𝑙𝑙𝑖𝑛𝑔 → 𝐶𝑟𝑒𝑎𝑡𝑒 → 𝐶𝑟𝑒𝑎𝑡𝑒 𝑒𝑙𝑒𝑚𝑒𝑛𝑡𝑠 → 𝑊𝑟𝑖𝑡𝑒 𝑛𝑜𝑑𝑒𝑠

 Input FE->CFD utilizzato per introdurre la temperatura delle pareti dalla simulazione FE (modulo descritto successivamente in 9.7.2.4);

 Output CFD -> FE utilizzato per esportare la condizioni del fluido in prossimità dell’interfaccia (modulo descritto successivamente in 9.7.2.5);  Parametri del mapping :

1. massima distanza tra l’interfaccia CFD e la superfice FE (modulo descritto successivamente in 9.7.2.2),

2. matrice di trasformazione necessaria per far coincidere la posizione della selezione CFD con quella dell’elemento superfice FE (modulo descritto successivamente in 9.7.2.3).

 La frequenza con la quale i parametri fondamentali del mapping vengono salvati. Nel caso in esame è stata utilizzata una frequenza coincidente con quella della simulazione CFD;

 Unità di misura utilizzate.

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Figura 9.23 - Ansys element file (esempio).

9.7.2.2 Regola della minima distanza

La mappatura da un punto di vista pratico può essere basata o sugli elementi o sui nodi della mesh FE.

Nel primo caso si associa a un nodo FE il centro di una superfice CFD mentre nel secondo il centro di un elemento FE viene associato al centro di un elemento CFD. In entrambi i casi con il termine “unità” ci si riferisce al nodo o all’elemento senza distinzioni.

FE  CFD Input

Nel caso di un input FE->CFD, l’unità FE è associata a ogni centro della superfice CFD seguendo la regola della minima distanza: l’unità associata al centro della superfice CFD è quella più vicina. Può essere definita una massima distanza dalla superfice CFD tale per cui oltre tale valore di distanza non si ha alcuna associazione. Nel caso in esame questa è stata fissata pari a 2 mm. Per ogni unità FE, la minima distanza ottenuta è conservata all’interno di un file .fl3.

CFD  FE Output

Nel caso di un output CFD->FE, il centro della superfice CFD è associato a ogni unità FE seguendo la regola della minima distanza, come precedentemente descritto. Tuttavia, nel caso in cui tutte le superfici CFD sono a una distanza dall’unità FE superiore a quella limite viene associato a tale unità un valore di output di default. Sfruttando tale proprietà nel caso della superfice del cilindro del motore si può andare a associare un valore di output tale da modellare la presenza dello scambio termico tra pistone combustore e cilindro combustore.

Moving meshes

Quando la mesh CFD è mobile (simulazione di un motore) le connessioni CFD-FE sono automaticamente aggiornate a ogni step.

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9.7.2.3 Matrice di trasferimento

Una volta che viene importata nel software CFD la mesh FE si possono avere due possibilità:

1. La mesh FE e la corrispondente selezione CFD sono allocate nella stessa posizione e quindi coincidono;

2. La mesh FE e la corrispondente selezione CFD non sono allocate nella stessa posizione.

Figura 9.24 - Esempio di una differente posizione iniziale tra superficie FE e selezione CFD.

Nel caso si presenti la seconda situazione (vedi Figura 9.24) il problema può essere risolto applicando una matrice di rotazione agli elementi CFD o FE al fine di allocarli nella corretta posizione. FIRE usa una matrice 4x4 salvata all’interno di un file con estenzione .mtx. Questo file deve essere allocato all’interno della directory di lavoro. La forma della matrice è del tipo:

[ 𝑅𝑂𝑇𝐴𝑍𝐼𝑂𝑁𝐸 0 0 𝑇𝑅𝐴𝑆𝐿𝐴𝑍𝐼𝑂𝑁𝐸 0 1 ]

Definito 𝑋 il vettore iniziale (posizione originale) e 𝑋̃ il vettore target (posizione finale), l’operazione matriciale è sviluppata come segue:

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𝑋 = ( 𝑋₁ 𝑋2 𝑋₃ ) , 𝑋̃ = ( 𝑋̃₁ 𝑋̃₂ 𝑋̃₃ ) 𝑋̃𝑇 _{= 𝑋}𝑇_{𝑇 , 𝑋̃} 𝑗 = ∑ 𝑇𝑖𝑗𝑋𝑖 𝑖 9.7.2.4 Input DATA FE  CFD

FIRE può solo leggere la temperatura delle superfici dal file FE in formato .dat. Il formato di input è stato generato mediante il post-processore di Ansys apdl eseguendo una lista dei risultati sui nodi delle superfici di interfaccia. Si riporta in Figura 9.25, la mappatura delle temperature sulle selezioni CFD e una porzione del file .dat di origine (tali dati si riferiscono al motore in ghisa con pistone combustore in acciaio e pistone compressore in alluminio a 2000 giri/min e pressione di alimentazione di 3 bar).

Figura 9.25 - Input DATA FE --> FE.

9.7.2.5 Output DATA CFD  FE

Fire sviluppa un file di output in vari formati: MSC Nastran, Abaqus, Universal, Ansys Apdl e Patran Neutral.

Dato che il modello CFD-FEA coupling è stato ottimizzato per le interinazioni fluido struttura di tipo termico, le uscite di default del software sono:

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 La temperatura del fluido vicino alla parete.

A titolo di esempio si riporta in Figura 9.26 la struttura del file ASCII con estensione .inp generato.

Figura 9.26 - Esempio di Ansys-output file di tipo element-based.

La procedura può essere considerata come un’operazione di post-processing della simulazione CFD eseguibile mediante codice denominato cfdFemMapping. La mappatura deve essere simulata all’interno di una specifica directory che contiene un file denominato httc-file.

9.7.2.6 httc-file

Il httc-file è l’insieme di tutti i dati e informazioni del processo di mapping. Il file contiene le seguenti informazioni:

 Coordinate delle superfici

 Coefficiente di scambio termico convettivo  Temperatura del fluido in prossimità delle pareti  Temperatura delle pareti

 Y+

 Flusso termico

 Energia cinetica turbolenta in prossimità della parete  Pressione assoluta in prossimità della parete

 Quantità definite dall’utente

È possibile generare un htc-file che può essere sfruttato dal file user_control.dat. Quest’ultimo file consente di estendere le capacità del mapping. Tra cui la definizione di quantità che possono essere mappate sulla superfice FE. Mediante tale funzione è stato possibile mappare lo scambio termico tra pistone combustore e cilindro combustore i cui parametri principali erano stati calcolati nei capitoli

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precedenti mediante il modello di Parker (vedi allegato A). Da tale file è inoltre possibile estrarre la massima distanza tra i nodi CFD e i nodi FE e quindi la qualità della mappatura. La massima distanza nelle simulazioni eseguite è inferiore a 2 mm per le superfici “fisse” e è indice di un’ottima qualità del procedimento utilizzato. Si riporta in Figura 9.27 a titolo di esempio la distanza di accoppiamento tra le superfici della selezione CFD e i nodi FE per il caso della simulazione a 2000 giri/min, pressione di alimentazione di 3 bar, motore in ghisa con pistone combustore in acciaio e pistone compressore in alluminio. Si può notare come i valori elevati si ottengono per il cilindro combustore e compressore: questo è dovuto al fatto che la tipologia di movimento della suddetta selezione CFD è di tipo “mesh deformation”. Questo comporta il superamento della minima distanza consentita e quindi la mappatura dell’output di default. Mediante il file user_control.dat sono stati associati per ciascuna distanza un valore di coefficiente di scambio termico convettivo e temperatura del fluido in prossimità della parete calcolati con il modello di Parker.

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