Rientra nei sistemi CFD 1-D il software GT-Power utilizzato per condurre le simulazioni e le analisi effettuate sul modello motore in questa attività di tesi.
2.3. Software GT-POWER
Per lo sviluppo del modello motore descritto in questa attività di tesi è stato utilizzato il software commerciale GT-Power, sviluppato dalla Gamma Technologies LLC.
Questo programma fa parte del programma principale GT-SUITE, cioè un pacchetto di software per la simulazione di sistemi multifisici utilizzati tipicamente nell’industria automobilistica.
GT-Power è un software di simulazione 1-D utilizzato dalla maggior parte dei produttori di motori e veicoli che permette di prevedere le performances del motore risolvendo con schemi numerici le equazioni gasdinamiche che governano il moto di fluidi nei sotto-volumi in cui viene discretizzato il modello. Questo software permette di simulare processi termodinamici, chimici e fluidodinamici che avvengono all’interno del motore reale e che sarebbero di difficile valutazione con prove sul modello fisico. [6]
Il programma GT-Power include anche dei modelli fisici che permettono di simulare le emissioni all’interno del cilindro e di tipo tailpipe-out, l’acustica del sistema di aspirazione e scarico, la temperatura nei condotti e le analisi sulla pressione. [6]
Le sue caratteristiche principali sono:
• capacità di risolvere le equazioni non stazionarie e non lineari del sistema di Navier-Stokes per descrivere il comportamento delle onde;
• può essere utilizzato per simulare il funzionamento di motori di qualsiasi dimensione;
• è molto flessibile tale da permettere la valutazione di caratteristiche e concetti avanzati e non convenzionali;
• può essere utilizzato sia per simulazioni stazionarie che transitorie;
• permette di valutare l’influenza dei parametri ambientali e geometrici del motore sulle prestazioni;
• permette di rappresentare nel dettaglio il processo di combustione, i trasferimenti di calore, gli effetti delle turbolenze ed il comportamento dei sistemi di after-treatment;
• è in grado di modellizzare con precisione i turbogruppi incluse le turbine VGT (Variable Geometry Turbocharger), quelle due stadi, con due ingressi e i sistemi turbocompound7;
7 Il turbocompound è una soluzione adottata generalmente su applicazioni heavy-duty che sfrutta il fatto che l’energia a disposizione per trascinare la turbina è superiore a quella richiesta per azionare il compressore.
Questa energia addizionale che viene estratta dai gas combusti allo scarico può essere inviata all’albero motore, in caso di collegamento meccanico, o convertita in energia elettrica, se la turbina è collegata ad un generatore, permettendo di ottenere dei sensibili miglioramenti in termini di rendimento utile (anche del 5%) e di risposta di tutto il turbogruppo durante i transitori.
• permette di simulare con precisione tutti i tipi di attuazione delle valvole di aspirazione e scarico, inclusi i sistemi VVT e VVA8 e di realizzare la disattivazione dei cilindri9;
• permette di simulare i fenomeni di wall wetting nelle iniezioni nel port.
[6]
Il programma principale GT-Suite è inoltre composto da:
• GT-ISE: che costituisce l’interfaccia grafica principale dove possono essere costruiti i modelli grazie alle librerie messe a disposizione ed impostate le simulazioni.
In particolare, possono essere creati dei sotto-componenti ed impostate simulazioni in parallelo o che permettano di ottimizzare alcuni parametri.
Inoltre, è possibile scegliere in questa interfaccia la durata delle simulazioni in termini temporali oppure in numero di cicli motore.
• GT-SOLVER: che permette di realizzare i calcoli e le simulazioni necessarie per ottimizzare i parametri impostati nell’IDO (Integrated Design Optimizer);
• GT-POST: che rappresenta un’interfaccia grafica che permette di valutare i dati ottenuti dalla simulazione. Contiene alcune funzionalità come:
§ post-elaborazione grafica dei dati;
§ possibilità di generare rapidamente grafici 2D e 3D;
§ possibilità di combinare i dati da casi, simulazioni o prove differenti in un unico grafico;
§ possibilità di importare i dati ed esportare i risultati delle simulazioni con file ASCII o Excel;
§ Possibilità di realizzare delle animazioni per processi in transitorio.
[6]
Quindi una volta completato il modello, l’utente deve definire le proprietà chimiche, fluidodinamiche, termiche e geometriche di ogni componente del sistema e individuare i vari plot che possono essere utili per il post-processing.
2.3.1. GT-Power Solver
Il solver fornito da GT-Power realizza una discretizzazione spaziale dei componenti del motore in tanti piccoli sotto-volumi all’interno dei quali vengono risolte le equazioni previste dal sistema di Navier-Stokes che governano il moto dei fluidi, considerando una sola variabile spaziale.
8 I sistemi VVT (Variable Valve Timing) e VVA (Variable Valve Actuation) sono due sistemi di attuazione delle valvole di aspirazione e di scarico.
I primi permettono di variare soltanto la fasatura delle valvole mentre i secondi anche il profilo di alzata, costituendo una soluzione più efficiente e flessibile rispetto ai VVT.
9 La disattivazione dei cilindri è un processo che permette di disattivare alcuni cilindri (se consideriamo un motore 4 cilindri in linea solitamente vengono disattivati i due cilindri centrali) in modo tale da aumentare la potenza (o la BMEP) sviluppata da quelli attivi e migliorare quindi il rendimento organico.
Ogni condotto presente all’interno del modello viene quindi suddiviso in tanti piccoli sotto-volumi le cui dimensioni dipendono dalla scelta della lunghezza di discretizzazione. [7]
Tali lunghezze vengono definite dall’utente: la guida fornita dalla Gamma Technologies suggerisce dei valori di riferimento pari al 40% dell’alesaggio del cilindro per i condotti all’aspirazione e al 55% dell’alesaggio per quelli allo scarico. [8]
Gli unici componenti che sono esenti da questa suddivisione sono i flowsplit, cioè quei condotti che ripartiscono il flusso in 2 o più uscite, i quali sono racchiusi in un unico sotto-volume. [7]
Inoltre, ogni ciclo motore viene suddiviso in intervalli temporali di piccola entità.
In ogni istante di tempo, il solver risolve simultaneamente le equazioni del sistema di Navier-Stokes:
1. Equazione di continuità o di conservazione della massa;
2. Equazione di conservazione dell’energia;
3. Equazione di conservazione della quantità di moto.
[7]
Le equazioni di conservazione della massa e dell’energia sono risolte rispetto ai sotto-volumi in funzione di alcune variabili come la pressione e la temperatura.
Queste grandezze sono calcolate rispetto al centro di ogni volume e considerate costanti in ogni suo punto.
Invece, l’equazione di conservazione della quantità di moto è riferita rispetto ai contorni di ogni volume di controllo e definita attraverso variabili di tipo vettoriale come la velocità e la portata. [7]
Figura 2.1. - Schema del modo di operare di GT-POWER. [7]
La soluzione che si ottiene ad ogni istante temporale dipende dallo stato iniziale del sistema (t0) ed è calcolata per un nuovo istante di tempo che deve essere molto vicino rispetto al precedente. [7]