Capitolo 10
Simulazione di spray Swirl
10.1 Obiettivi ed organizzazione della simulazione
L’obiettivo della simulazione è riprodurre, il più fedelmente possibile, lo spray generato da un iniettore swirl tramite il software C.F.D Kiva – 3v. Questo tipo di iniettore è caratterizzato da una particolare conformazione della zona di uscita che presenta una camera detta di swirl; tale camera ha il compito di imprimere al combustibile un moto rotatorio intorno all’asse di iniezione in modo da favorire la polverizzazione dello spray anche in presenza di pressioni di iniezione non particolarmente elevate.
Come per l’altro tipo di iniettore si sono utilizzate quali condizioni iniziali quelle ricavate dal modello monodimensionale ed è stata modificata la routine responsabile del breakup per renderla adatta alle esigenze della simulazione. Per quanto riguarda la taratura delle costanti del modello, sono stati mantenuti gli stessi valori utilizzati per lo spray pintle visti i buoni risultati a livello di forma e penetrazione.
Infine i risultati ottenuti sono stati confrontati con i dati sperimentali a disposizione.
10.2 Modifiche apportate alla routine break
Come per il caso precedente, anche per lo spray prodotto da un iniettore swirl esiste una zona iniziale costituita da un getto di film liquido che ad una certa distanza dal punto di iniezione inizia a frantumarsi in gocce di piccole dimensioni.
Per ottenere la differenziazione fra le due regioni sono state introdotte le medesime istruzioni utilizzate per l’iniettore pintle; tali istruzioni hanno la funzione di discriminare la posizione dei pacchetti di gocce in base ad una distanza di breakup prefissata.
Se la distanza delle gocce dal punto di iniezione è minore di un certo valore scelto, allora vuol dire che esse sono ancora nella regione di cuore intatto e quindi viene disattivato il modello di breakup; non appena le gocce oltrepassano la distanza prefissata viene riattivato il modello TAB.
Fig.10.1:forma caratteristica di uno spray swirl
Rispetto alla modellazione dell’iniettore di tipo pintle, l’iniettore swirl presenta delle difficoltà maggiori per via della complessa geometria della parte terminale. Il combustibile, infatti, una volta passato attraverso la camera di swirl, deve passare attraverso la zona di tenuta a forma di imbuto che sfocia nell’orifizio di uscita. Il moto del fluido nella zona di uscita è un moto elicoidale con asse coincidente con l’asse di iniezione.
Il modello monodimensionale fornisce i valori della velocità di attraversamento della zona di tenuta (vedere figura 10.2), per cui è necessario introdurre un coefficiente che tenga conto delle perdite nella zona di uscita. Considerando delle perdite del 20% è stato calcolato il profilo delle velocità corretto che rappresenta l’andamento delle velocità di efflusso all’orifizio di uscita (vedere figura 10.2).
Inoltre, rispetto all’altro iniettore, varia il meccanismo di formazione del cono: mentre nel pintle è la geometria stessa della zona di uscita che genera un cono con le caratteristiche evidenziate nel capitolo precedente, nel caso dell’iniettore swirl è il moto impresso al combustibile che genera il cono di iniezione.
In questa tipologia di iniettori il fluido fuoriesce con una velocità che è composta da due componenti:
• Componente assiale che è responsabile della penetrazione del getto all’interno dell’ambiente di iniezione
• Componente tangenziale che è dovuta al moto rotatorio impresso al combustibile durante l’attraversamento della camera di swirl
Fig.10.2: schema della parte terminale di un iniettore swirl
Per quanto riguarda l’assegnazione delle componenti di velocità, principalmente per la componente tangenziale, è stato affrontato il seguente problema: nel software Kiva l’iniettore è puntiforme, di conseguenza non risulta possibile assegnare fin dall’istante iniziale una componente tangenziale alla velocità di iniezione. Nella realtà il cono di iniezione parte da una corona circolare che si apre per effetto della forza centrifuga posseduta dal getto liquido. Per risolvere questo problema si sono dovute imporre delle approssimazioni per quanto riguarda la zona di breakup primario.
Si è infatti supposto che nella regione di cuore intatto i pacchetti di gocce procedano con velocità diretta lungo la generatrice di un cono avente semiapertura α imposta, la velocità deriva dal modello monodimensionale ed è corretta con il fattore descritto precedentemente; non tiene conto della componente tangenziale; una volta raggiunta la distanza di fine cuore intatto è stata introdotta anche la componente di velocità tangenziale tenendo conto della relazione, nota sperimentalmente, esistente fra la componente assiale e quella tangenziale, da questo punto in poi i pacchetti procedono con la sola componente assiale e tangenziale: le componenti di velocità sul piano x-y vengono ricalcolate considerando le proiezioni della velocità tangenziale (vedere la figura 10.3).
Relazioni fra le componenti: vswirl = 1,3 vassiale
dove vassiale = vtotale cosα e α è l’angolo del semicono di iniezione.
Si riporta uno schema per capire meglio le semplificazioni geometriche introdotte:
Fig.10.3: schema del sistema di riferimento utilizzato e delle componenti delle velocità delle gocce
10.3 Dati necessari ed impostazioni per la simulazione
Per affrontare la simulazione dello spray c’è bisogno di raccogliere una serie di dati:
1. profilo delle velocità di iniezione che è stato ricavato in precedenza tramite il modello monodimensionale dell’iniettore swirl. I valori relativi a tale profilo sono stati inseriti all’interno del file di input del Kiva sotto forma di tabella
2. quantità di combustibile iniettato, questo dato è stato ricavato dal modello monodimensionale dell’iniettore swirl ed è stato inserito nel file di input del Kiva
3. raggio iniziale delle gocce iniettate. Questo valore è necessario per assegnare ai pacchetti di gocce il valore del loro raggio al momento dell’iniezione. È stato assunto pari a 40 micron che corrisponde alla metà dello spessore del film liquido in
prossimità dell’orifizio di uscita dell’iniettore ed è stato inserito all’interno del file di input
4. angolo di iniettata (cuore intatto). Questo parametro viene scelto in modo tale da garantire una corrispondenza con i rilievi fotografici; è stato scelto un valore di 40
gradi.
5. lunghezza di breakup. Questo parametro viene rilevato dalle immagini sperimentali e nel caso in questione è stato scelto un valore pari a 15 mm.
Per la simulazione sono stati impostati i seguenti parametri: 1. valore del time step iniziale pari a 1 X 10-6 secondi
2. valore del time step massimo utilizzabile nei calcoli pari a 1 X 10-5 secondi
3. numero di pacchetti iniettati pari a 20000 (più è alto questo valore maggiore sarà il dettaglio dello spray generato)
10.4 Strategie di simulazione
Per la simulazione dello spray sono state eseguite due prove come per l’iniettore pintle: una prova con 1 bar ed una con 10 bar di contropressione nell’ambiente di iniezione.
Poiché le costanti del modello di breakup non dipendono dal tipo di iniettore ma dal fluido utilizzato, sono stati scelti i medesimi valori delle costanti ottenuti in precedenza per la simulazione dello spray pintle:
• Cd = 4
• Ck = 16
• Cf = 4/3
Di conseguenza è stata utilizzata direttamente la mesh con un numero maggiore di celle ed i risultati ottenuti sono stati confrontati con quelli sperimentali.
Negli istanti iniziali di iniezione viene immesso in camera il combustibile rimasto nella zona fra la tenuta e la camera di swirl, tale porzione di combustibile non possiede moto rotatorio e quindi procede nell’atmosfera di iniezione con un moto completamente diverso da quello che caratterizza la restante porzione del combustibile iniettato. Poiché sperimentalmente si nota che l’iniezione con swirl comincia dopo l’istante t = 0,4 ms sono state omesse le immagini relative agli istanti precedenti.
10.5 Risultati della prova con 1 bar di contropressione
Verranno riportati in sequenza l’evoluzione del campo di moto all’interno dell’ambiente di iniezione, l’andamento della concentrazione del vapore di combustibile ed infine verrà confrontato l’evoluzione temporale della forma con le immagini relative agli spray reali ottenute tramite tecniche di fotografia veloce.
• Andamento del campo di moto
0,40 ms 0,60 ms
0,80 ms 1,00 ms
Fig.10.4: visualizzazione del campo di moto all’interno dell’ambiente di iniezione Dalle immagini precedenti si può notare come anche in questo caso si vengano a creare i due vortici controrotanti responsabili dell’evoluzione dello spray, inoltre nella sezione del campo di moto con un piano ortogonale all’asse di iniezione si nota la presenza del moto di swirl delle gocce iniettate.
1,50 ms
Sezione del campo di moto con un piano ortogonale all’asse di
• Andamento della concentrazione di vapore di combustibile 0,40 ms 0,60 ms 0,80 ms 1,00 ms 1,20 ms 1,40 ms
Fig.10.5: visualizzazione dell’andamento della concentrazione di vapore
Dalle immagini relative alla concentrazione del vapore di combustibile nell’ambiente di iniezione si possono notare le caratteristiche di compattezza dello spray swirl; tali caratteristiche lo rendono particolarmente adatto a sistemi di stratificazione della carica di tipo wall – and – air guided.
10.6 Confronto dello spray reale con lo spray simulato 0,40 ms 0,60 ms 0,80 ms 1,00 ms 1,20 ms 1,40 ms
Fig.10.6: confronto fra immagini sperimentali (sinistra) e simulate (destra) relative all’evoluzione temporale dello spray
Il confronto con le immagini sperimentali mostra che con la simulazione si ottengono dei risultati accettabili a regime mentre negli istanti iniziali il modello risente delle approssimazioni introdotte. Infatti la particolare geometria dell’iniettore swirl imporrebbe uno studio dettagliato della zona di uscita, inoltre l’adozione di un solo punto di iniezione rende difficoltosa l’introduzione della componente tangenziale della velocità di iniezione.
Verranno di seguito riportati i risultati della prova con 10 bar di contropressione; non sono a disposizione immagini sperimentali per queste condizioni di iniezione, tuttavia ve ne sono in letteratura per condizioni non molto diverse ed appaiono in accordo con forma e penetrazione ottenute con la simulazione. [21]
10.7 Risultati della prova con 10 bar di contropressione • Andamento del campo di moto
0,40 ms 0,60 ms 0,80 ms 1,00 ms 1,20 ms 1,40 ms
Fig.10.7: visualizzazione del campo di moto all’interno dell’ambiente di iniezione • Andamento della concentrazione di vapore
1,50 ms
0,40 ms 0,60 ms
Fig.10.8: visualizzazione dell’andamento della concentrazione di vapore • Evoluzione dello spray
1,20 ms 1,40 ms
1,50 ms
Fig.10.9: andamento temporale dello spray
0,80 ms 1,00 ms
1,20 ms 1,40 ms
L’effetto più evidente dell’ambiente pressurizzato a 10 bar, come è possibile notare dalle immagini precedenti, è la diminuzione della penetrazione dello spray a causa della minor velocità di iniezione e dei maggiori attriti. Inoltre è evidente anche un cambiamento nella forma dello spray, che diviene più compatto all’aumentare della pressione nell’ambiente di iniezione. Questa caratteristica rende questa tipologia di iniettori inadatta a sistemi di stratificazione self – guided, ma è vantaggiosa nel caso di sistemi wall – and – air guided.
