MODELLAZIONE IN GAMBIT
5.1 – Importazione del modello e criteri di mesh
Come già accennato nel capitolo 2, Gambit è l’ambiente pre-processore del software Fluent.
Mediante questa applicazione è possibile discretizzare in volumi finiti un dominio racchiuso da superfici, create nel medesimo ambiente oppure importate da altri programmi di disegno in formato opportuno; tale operazione è detta di mesh.
Fig. 5.1 – Importazione della geometria (igs) in Gambit
Oltre a questa funzione, Gambit può eseguire numerose operazioni su volumi e superfici, come
unione, divisione, definizione di un nome, di una tipologia, etc.
Il risultato di tutto ciò sarà un file msh, definitivo in quanto a geometria, che farà da input al
solutore Fluent.
Per ciò che concerne i parametri di creazione della mesh, in casi tempo-stazionari, si è soliti preoccuparsi soltanto della tipologia degli elementi più adatta al proprio dominio fluido ed al loro dimensionamento, in base ai gradienti delle grandezze fondamentali che ci si possono attendere ed al livello di accuratezza desiderata.
Nel caso in esame, invece, la simulazione è tempo-variante, con la geometria del modello che viene continuamente modificata, come è intuibile pensando al funzionamento di un motore ed al movimento relativo delle sue parti; per tale ragione non si deve discretizzare il dominio pensando solo alle condizioni iniziali, ma soprattutto all’evoluzione del modello nel tempo.
Come sarà approfondito nel seguito, Fluent “esige” un certo tipo di mesh in zone prossime a
superfici in movimento, quali quelle del pistone e delle valvole, lasciando però il modellatore relativamente libero in quanto alle dimensioni degli elementi, e quindi anche all’accuratezza ed al costo computazionale del modello.
5.2 – Esecuzione della mesh
Il dominio è stato suddiviso in più volumi, al fine di poter eseguire mesh di tipo o dimensione diversa in zone di diverso interesse.
Per ciò che concerne i volumi non interessati da movimento, ovvero aspirazione, condotti e scarico, è stata eseguita una mesh con elementi tetraedrici (od esaedrici nel caso dell’aspirazione) di dimensioni variabili secondo diverse size functions. Tali strumenti permettono di diminuire le
dimensioni degli elementi in prossimità di superfici o spigoli, in maniera tale da avere una discretizzazione più accurata del dominio dove ci si attendono elevati gradienti delle grandezze significative; allontanandosi da queste zone la size function fissa un fattore di crescita per l’elemento ed una sua dimensione massima.
Fig. 5.3 – Dettaglio della mesh dei condotti di aspirazione e scarico
Per i volumi interessati da superfici in movimento, si è dovuto eseguire uno schema di mesh particolare, richiesto da Fluent per poter poi eseguire la funzione di mesh motion.
I 2 volumi compresi tra le parti coniche di valvole e testata, detti anelli di aspirazione e scarico, sono stati discretizzati con elementi esaedrici ottenuti con schema Cooper. Tale accorgimento si
rende necessario poiché nel movimento delle valvole Fluent aggiungerà (o toglierà) piani di celle
(layer) per aggiornare tale volume.
Fig. 5.5 – Evoluzione con layer successivi del volume anello aspirazione
Per quanto riguarda lo spazio interno al cilindro, è stato necessario l’utilizzo di 3 volumi separati. Il primo, compreso tra la superficie superiore della camera ed un piano orizzontale (creato in
Gambit) è stato discretizzato con elementi tetraedrici, il secondo, compreso tra il piano e la
superficie piana del pistone, con elementi esaedrici ottenuti con schema Cooper, mentre per il terzo
volume, ovvero la bowl ricavata nel pistone, si è optato nuovamente per elementi tetraedrici.
Tale accorgimento si è reso necessario affinché Fluent possa applicare lo schema cilindro-pistone
implementato al suo interno; durante il movimento di quest’ultimo infatti, nella prima parte della corsa si avrà uno “stiramento” delle celle tetraedriche, con rinnovamento totale della mesh a frequenza settabile dall’utente, mentre a partire da una data configurazione la mesh esaedrica sarà aggiornata aggiungendo layer di celle. La mesh della bowl rimarrà invece fissa, e sarà soggetta a semplice traslazione. Le superfici di separazione di tali volumi sono state indicate quali interface, in
Volume a mesh tetraedrica Volume a mesh esaedrica Volume a mesh tetraedrica
Fig. 5.6 – Spostamento del pistone con stiramento e remeshing delle celle tetraedriche
Relayering del volume a mesh
esaedrica
Fig. 5.7 – Spostamento del pistone con relayering della parte esaedrica
La divisione del volume degli anelli da quello dei condotti (di aspirazione e scarico) e dal sottostante volume interno al cilindro, è stata eseguita in modo tale da lasciare gli stessi non connessi, per poi assegnare alle superfici cilindriche di divisione la tipologia di interface. Senza
quest’ultima operazione Fluent vedrebbe gli spazi come non comunicanti, con il fluido che quindi
Tale operazione si rende necessaria per poter implementare correttamente la chiusura delle valvole senza annullare i volumi degli anelli. In maniera analoga, ma soltanto per permettere il passaggio del fluido, si è preceduto per le altre 2 superfici che separano i 3 volumi interni al cilindro.
Interfacce
Fig. 5.8 – Interfacce
L’ultima operazione eseguita in ambiente Gambit è stata l’assegnazione di un ingresso e di
un’uscita per il fluido, ovvero di un pressure inlet d di un pressure outlet, che nel caso specifico
rispondono alla superficie del filtro di aspirazione e a quella di uscita dello scarico.
Tale assegnazione permetterà a Fluent di identificare tali superfici come comunicanti con ambienti
aventi pressione nota.
Alcune superfici di confine del dominio sono state identificate come wall e nominate, in modo tale
da poterle poi ritrovare rapidamente in Fluent per l’assegnazione di loro particolari condizioni al
contorno (principalmente concernenti la temperatura).
Ogni superficie di cui non si è specificata una particolare natura (interface, inlet, outlet, etc.) è
intesa dal software come wall.
Al termine di tali operazioni si prevede al salvataggio ed all’esportazione del file msh ottenuto, che