Mesh completa

Dapprima si è realizzata la mesh della parte superiore del dominio di calcolo, a tal fine è stata semplificata la geometria CAD in corrispondenza dei fori di iniezione, ovvero si è effettuato un taglio perpendicolare all’asse del foro di iniezione così da realizzare una superficie piana. Da tale geometria si è ricavata una mesh di tipo non strutturato, multiblocco, ad elementi esaedrici, per mezzo del software Ansys ICEM, mostrata in Figura 3.5. L’aver realizzato in questo modo la mesh ha fatto sì che si avessero 91980 celle in luogo del numero molto più elevato (circa un ordine di grandezza in più) che si sarebbe ottenuto elaborandola in maniera automatica ed eseguendo dei refinement nelle zone più critiche, ovvero quelle in cui gli spessori divengono molto esigui.

Figura 3.5 - Mesh strutturata della parte superiore dell’iniettore.

La parte inferiore, costituita dai tre fori di iniezione, è stata invece realizzata in modo automatico per mezzo del Fire Fame HEXA, tool dell’AVL Fire. Per far ciò un foro è stato orientato opportunamente, in modo tale che l’asse fosse parallelo a un asse del sistema di riferimento del software. In seguito, è stata avviata la procedura di meshatura automatica. Con questo espediente si è prodotta una mesh a elementi esaedrici abbastanza regolare, avente le celle orientate secondo la direzione principale del flusso. Una volta ottenuta la mesh di un foro, esso è stato disposto nella posizione originale, per poi essere copiato e riorientato: si sono così realizzati i tre fori di iniezione. Ogni foro è costituito da 15932 celle (Figura 3.6).

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Figura 3.6 - Mesh dei fori di iniezione.

La mesh della parte superiore e i tre fori di iniezione sono stati successivamente uniti mediante l’opzione arbitrary connect. Questa si adopera nell’unione di due mesh la cui distribuzione delle celle è differente sulle facce che devono essere connesse (Figura 3.7).

Figura 3.7 - Esempio di superfici da unire con l’opzione arbitrary connect.

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Figura 3.8 - Unione tra mesh superiore e fori.

3.1.4.1 Mesh di iniettore e box

Al fine di verificare eventuali problematiche legate alla semplificazione della geometria, si è anche realizzata un’altra mesh. La parte superiore questa volta è stata unita a un box cilindrico, rappresentante l’ambiente di iniezione. La geometria CAD del box comprende anche i tre fori di iniezione. In particolare, sfruttando la simmetria ciclica, si è dapprima realizzato un terzo del dominio di calcolo e successivamente, attraverso operazioni di specchiatura e rotazione, le tre mesh sono state unite per mezzo dell’opzione conform connect, la cui funzione è quella di connettere due mesh avanti una identica distribuzione di celle all’interfaccia. Anche in questo caso la griglia, ad elementi esaedrici, è stata realizzata in maniera automatica ed in modo tale che le celle del foro fossero orientate lungo la direzione del flusso. L’unione tra le tre mesh è mostrata in Figura 3.9.

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Figura 3.9 - Mesh inferiore: fori e box.

Sono state effettuate delle operazioni di refinement in corrispondenza della zona dei fori. Anche in questo caso si è usato l’arbitrary connect per l’unione tra mesh superiore e mesh inferiore. Il risultato di tale unione è riportato in Fig. 4.19

La simulazione in regime di alzata massima non prevede movimenti della mesh: lo spillo viene, appunto, mantenuto ad altezza costante e pari al valor massimo. Sono state eseguite delle selezioni della mesh per poter immettere le condizioni iniziali, quelle al contorno e il vincolo di simmetria.

3.1.4.2 Solo iniettore

Nella prima simulazione, come detto, la mesh utilizzata è quella di Figura 3.8. Le impostazioni del pre-processor sono contenute nel cosiddetto SSF (Solver Steering File). Ovviamente la simulazione dovrà tener conto del fatto che coesistono, all’interno dell’iniettore, due fasi differenti: il combustibile liquido e il vapore di combustibile. Il dover considerare due fasi aumenta i tempi computazionali ma è necessaria in una analisi di fluidodinamica interna in cui è il fenomeno della cavitazione gioca un ruolo fondamentale.

Le condizioni al contorno, ovvero le boundary conditions, sono le condizioni fisiche in cui si trova una selezione di superficie durante l’intero processo di simulazione. Le selezioni che portano con sé le boundary conditions nel caso in esame sono tre: la selezione di inlet, quella di outlet e quella di simmetria.

Inlet La tipologia di condizione al contorno del tipo Inlet/Outlet è richiesta per selezioni da cui esce o entra massa di fluido. La selezione di Inlet (Figura 3.10) è rappresentata dalla zona superiore dell’iniettore, su questa vige sempre la pressione statica di iniezione, pari a 100 bar, e si ha solo del combustibile liquido in quiete.

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Figura 3.10 - Selezione di Inlet.

Outlet La selezione di Outlet (Figura 3.11) corrisponde alle sezioni di uscita del combustibile dai fori di iniezione. Le condizioni al contorno impongono che la pressione statica sia mantenuta a 1 bar e che si abbia presenza del solo vapore di combustibile.

Figura 3.11 - Selezione di Outlet.

Symmetry La selezione di Symmetry riguarda la sezione relativa al piano di simmetria dell’iniettore (Figura 3.12). La condizione di simmetria è equivalente all’inserimento di una parete immaginaria fissa che definisce un piano di simmetria del flusso. Il fluido non può attraversare tale parete, ma il suo comportamento in prossimità di tale parete è una immagine specchiata del comportamento relativo all’altra parte.

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Figura 3.12 - Selezione di Symmetry

La densità del combustibile liquido, normal-eptano, è di 678,31 kg/m3_{, mentre la} sua viscosità dinamica è pari a 4,09 × 10−4 _Ns/m2_{. Il vapore di combustibile} presenta invece una densità di 4,04 kg/m3 e una viscosità dinamica di 7,00 ×10−6 Ns/m2_.

Le condizioni iniziali hanno un ruolo fondamentale all’interno della simulazione, esse infatti possono essere determinanti sia per quanto riguarda la velocità del calcolo, sia per la convergenza o divergenza dello stesso. Nel caso in esame, l’intero volume è stato inizializzato in condizioni di quiete, a 1 bar e in presenza della sola fase liquida.

È stata attivata la soluzione della velocità e del campo di pressione, ovvero l’opzione Momentum & Continuity. Il modello di turbolenza scelto è il k − ε. La robustezza di questo modello ha fatto sì che sia uno dei più utilizzati e dei più implementati in codici CFD. Presenta alcune carenze, ma dà solitamente delle previsioni realistiche in molte situazioni.

È particolarmente raccomandato per una stima veloce e preliminare del campo di moto, o in situazioni in cui il modellare altri fenomeni fisici, come reazioni chimiche, combustioni, radiazioni o interazioni multifase, porta incertezze che superano quelle intrinseche del modello di turbolenza stesso.

Come già ampiamente affermato, si è realizzato un calcolo di tipo multifase. Vi sono dei parametri di input da impostare sotto la scheda Mass interfacial exchange. Questi controllano come viene scambiata la massa tra le due fasi. Nel

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caso in esame è stato attivato il Linear Cavitation Model, e una pressione di saturazione del fluido pari a 2900 Pa.

Per quanto riguarda invece il modello si scambio della quantità di moto all’interfaccia, impostabile sotto la scheda Momentum interfacial exchange, si è scelto il Cavitation drag.

Di seguito sono riportati e commentati i principali risultati ottenuti in termini di distribuzione delle fasi, pressione assoluta e velocità della fase liquida. Per motivi di riservatezza le scale numeriche non sono mostrate.

Liquid volume fractionLa Figura 3.13 è riferita alla sezione dell’iniettore passante per l’asse del foro di iniezione centrale. È evidente la nascita della cavitazione in corrispondenza dello spigolo superiore, si nota infatti la formazione di vapore di combustibile (in blu) che va a diminuire la dimensione dell’effettiva sezione di passaggio del liquido (in rosso).

Figura 3.13 - Volume fraction della fase liquida.

Pressione In Figura 3.14 è riportata la pressione assoluta. In corrispondenza della zona di formazione del vapore ovviamente le pressioni sono molto basse. Per apprezzare meglio il fenomeno ci si può riferire alla Figura 3.15, in cui la scala cromatica è stata modificata: la zona in blu si trova a una pressione inferiore a quella di saturazione.

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Figura 3.14 - Pressione assolutaPressione assoluta.

Figura 3.15 - Pressione assoluta, zona al di sotto della pressione di saturazione.

Velocità La Figura 3.16 riporta l’andamento della velocità della fase liquida in corrispondenza della sezione in esame. Come prevedibile, il fluido in corrispondenza della strizione subisce una forte accelerazione, dunque la velocità cresce realizzando in taluni punti delle forti cadute di pressione che causano l’insorgere della cavitazione.

Figura 3.16 - Velocità della fase liquida.

In Figura 3.17 è riportato uno zoom dei risultati. È interessante vedere come si formi una zona di ricircolo nella parte superiore del foro di iniezione e l’effetto pulente che si ha in corrispondenza dei raccordi.

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Figura 3.17 - Velocità della fase liquida, dettaglio.

Il comportamento nelle sezioni di passaggio di tutti i fori è identico. In Figura 3.18 sono mostrate le tre sezioni passanti per l’asse dell’iniettore e gli assi dei tre fori di iniezione, si nota che la distribuzione delle fasi è uguale.

Figura 3.18 - Volume fraction della fase liquida per le tre sezioni dei fori di iniezione.

La Figura 3.19 riporta la distribuzione delle fasi in corrispondenza di tre sezioni trasversali del foro di iniezione.

Figura 3.19 - Volume fraction, foro di iniezione.

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Figura 3.20 - Volume fraction, sezione di uscita dal foro di iniezione.

3.1.4.3 Iniettore e box di iniezione

Per realizzare questa seconda simulazione, la mesh utilizzata è quella di Figura

3.9. Lo scopo dell’aggiunta del box di iniezione è quello di verificare che i risultati

ottenuti siano equivalenti a quelli della simulazione precedente. Sono state mantenute le stesse impostazioni del modello precedente, gli unici cambiamenti sono rappresentati ovviamente dalle selezioni, nonché da una differente inizializzazione dell’insieme di box e fori di iniezione.

Le selezioni sono mostrate in Figura 3.21. Rispetto al caso precedente, l’unica selezione identica è quella di Inlet. La selezione di Outlet è invece costituita dalla superficie laterale e dalla base del box di iniezione.

Figura 3.21 - Selezioni rispettivamente di Inlet, Outlet e Symmetry.

La selezione di Figura 3.22 verrà invece utilizzata nelle impostazioni delle condizioni iniziali.

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Figura 3.22 - Selezione per le Initial conditions.

Le condizioni iniziali globali impongono un fluido costituito dalla sola fase liquida, in condizioni di quiete, a temperatura ambiente e alla pressione di 1 bar.

Come può osservarsi in Figura 3.23, i risultati ottenuti in termini di distribuzione delle fasi sono assolutamente sovrapponibili a quelli della prima simulazione. L’aggiunta del box non ha comportato dunque delle modificazioni in tal senso. Ciò che avviene più a valle dell’iniettore in questa sede non ha importanza, poiché riguarda l’evolversi dello spray e dunque la fluidodinamica esterna dell’iniettore, che verrà indagata in maniera differente.

Figura 3.23 - Volume fraction della fase liquida.

Le stesse considerazioni valgono per la pressione, la cui mappa (Figura 3.24) è assolutamente sovrapponibile a quella della simulazione del solo iniettore.

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Figura 3.24 - Pressione assoluta.

L’andamento della velocità è della fase fluida è invece riportato in Figura 3.25.

Figura 3.25 - Velocità della fase liquida.

Le due simulazioni danno dei risultati aventi differenze ingegneristicamente irrilevanti. Si può dunque affermare che esse siano equivalenti e le successive prove avranno quindi come griglia di riferimento la prima, in quanto garantisce i tempi di calcolo più rapidi.