48 Introduzione
Il presente lavoro consiste nello studio dell'iniezione di idrogeno in un motore due tempi:
per poter eseguire un'analisi del genere è necessario creare il modello CAD che si vuol simulare, esportarlo nel preprocessore Gambit per effettuare la discretizzazione del dominio, e, successivamente, effettuare la simulazione con Fluent attraverso la mesh realizzata con Gambit.
Realizzazione della geometria
Il modello di partenza è stato creato impiegando il complessivo cartaceo del motore; sono state disegnate la varie parti che rappresentano i volumi occupati dai vari gas all'interno del motore.
Trattandosi di una simulazione dinamica, in cui il dominio di calcolo si deforma nel tempo a seguito al moto del pistone, è necessario prendere, già in fase di creazione della geometria, alcuni accorgimenti per poter applicare l'opzione dynamic mesh tra cui:
• rappresentare come parte singola il volume di fluido a contatto con la testa del pistone e con il fluido raccolto nella testata che si deformerà durante la simulazione;
• disegnare il modello nella posizione iniziale da cui comincerà la simulazione: in tal caso si assume come condizione iniziale l'istante di fine combustione in cui il pistone si trova al punto morto superiore.
Per realizzare la geometria si è fatto uso del programma SolidWorks: sono state realizzate alcune parti standard del modello, quali gli iniettori ed il volume che simula il fluido che andrà a deformarsi, mentre la parte costituita dall'insieme delle luci di scarico, luci di lavaggio e testata viene modificata di volta in volta spostando i distanziali per generare così diverse configurazioni.
Successivamente tutte le singole parti vengono assemblate tra di loro per formare la geometria finale, che verrà salvata in un formato leggibile da Gambit quale l'estensione STEP. Un tale modo di procedere consente di vedere come risultato finale della modellazione solida, l'assieme composto da diversi corpi:
• due iniettori;
• parte costituita da testata, due distanziali, quattro luci di lavaggio e una luce di scarico;
• volume di fluido in deformazione.
Si riportano in seguito le immagini dei vari componenti impiegati:
rappresentazione dell'iniettore adoperato
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volume di fluido deformabile
insieme di testata, distanziali,luci di lavaggio e luce di scarico
assieme completo
Il volume di fluido deformabile viene inserito sotto la testata: l'assieme completo mostra la configurazione iniziale del motore quando il pistone è al punto morto superiore e la fase di combustione è appena conclusa.
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Tuttavia ciò porta ad introdurre una prima ipotesi semplificativa:
nei motori reali, infatti, la combustione non è istantanea ma occupa un determinato intervallo angolare, per cui, quando la combustione sta volgendo al termine, segue che il pistone si è già allontanato di qualche grado dal punto morto superiore. Nello studio tale aspetto è stato ignorato perché l'attenzione è focalizzata solamente sulla fase di fine compressione in cui avviene l'iniezione: ad ogni modo si è deciso di iniziare la simulazione dopo il processo di combustione e di simulare anche la corsa di espansione per tenere conto del processo di lavaggio che influisce in maniera significativa sul funzionamento del motore. Dopo aver creato l'assieme è necessario esportarlo in formato STEP per poter accedere alla fase di creazione della griglia eseguita attraverso Gambit.
Realizzazione della mesh
Per poter realizzare la griglia di calcolo e dividere così il dominio di calcolo in un insieme di singoli volumetti elementari, è necessario adottare il codice Gambit. La struttura dell'interfaccia è la seguente:
in alto a destra, sotto Operation, sono presenti una serie di menù che consentono di eseguire operazioni in fase di modifica della geometria e di generazione della mesh; in figura,ad esempio, è stato selezionato il menù che riguarda la geometria ed infatti sotto la scritta Geometry sono stati attivati altri menù che consentono di operare su enti geometrici, in particolare spigoli, facce e volumi. La logica di funzionamento del programma consente di estendere il ragionamento anche
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agli altri menù posizionati sotto la scritta Operation a fianco del menù che riguarda la geometria, che sono:
• mesh;
• zones;
• tools.
Nel riquadro in fondo a destra sono riportati i comandi per esaminare la mesh realizzata e per visualizzare il modello in differenti maniere. Nello spazio bianco sotto alla scritta Transcript, Gambit invia i messaggi riguardanti informazioni della mesh creata quali messaggi d'errore e numero e tipologia di elementi impiegati.
Metodologia di lavoro
Il primo passo per iniziare creare la mesh consiste nell'importazione del modello che deve essere selezionato attraverso il comando import posizionato nel menù file. il risultato dell'operazione è il seguente:
L'operazione successiva consiste nel pulire il modello importato da tutti quei dettagli quali linee, vertici e spigoli che potrebbero rappresentare degli ostacoli ai fini della realizzazione della mesh,
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che potrebbe essere così troppo distorta e di bassa qualità. Un aspetto molto importante durante la realizzazione della mesh consiste nei seguenti punti:
• realizzare una griglia fitta in quelle zone dove sono previsti forti gradienti relativi alle grandezze che si calcolano;
• ridurre il numero di elementi localizzati nelle zone di scarso interesse per l'analisi, mantenendo allo stesso tempo una buona qualità degli elementi adottati;
• evitare forti distorsioni degli elementi impiegati per evitare problemi di convergenza durante il calcolo.
Per semplificare la geometria del modello si usa il comando merge faces selezionato dal menù Geometry:
Attraverso tale comando, Gambit unisce tutte le superfici eliminando così quelle entità geometriche che rappresentano dei problemi per la mesh; per completare la pulizia del modello si ricorre anche al menù Tools che consente di verificare la presenza di angoli troppo acuti o di fratture all'interno del modello permettendo così eventuali modifiche.
53 Il risultato finale dell'operazione è il seguente:
A questo punto si può iniziare a creare la mesh: i comandi a disposizione sono localizzati attivando il menù mesh sotto Operations:
se poi si vuole discretizzare uno spigolo, una faccia oppure un volume basta selezionare l'opzione corrispondente nel menù sottostante che si attiva: ad esempio per discretizzare un volume i comandi da impiegare saranno:
e di conseguenza comparirà la finestra seguente:
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in cui nel campo giallo bisogna indicare il volume che si intende meshare; nelle altre caselle si può decidere poi il tipo di elemento da impiegare nella mesh e le dimensioni del singolo elemento. Nel caso in esame il volume che simula il gas, che si deformerà durante la simulazione in seguito al moto del pistone, viene discretizzato impiegando direttamente elementi di forma esaedrica tipo cooper; ciò renderà possibile l'uso del dynamic layering in Fluent. La procedura per suddividere in singoli elementi le facce o gli spigoli richiede gli stessi menù, con la consapevolezza di scegliere le opzioni più adatte. A volte per riuscire a variare il numero di elementi o realizzare una mesh più adatta al dominio può essere necessario ricorrere a size functions che permettono di variare l'andamento delle dimensioni degli elementi nei vari volumi. Le size functions possono essere definite a partire da uno spigolo o da una faccia, che devono essere già meshati, e possono essere estese a facce e volumi. Per attivare una size functions è necessario selezionare il menù Tools:
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anche nella finestra è possibile scegliere varie opzioni tra cui il tipo di size function, l'origine, il tasso di crescita della mesh e la dimensione massima degli elementi. Per concludere l'operazione di mesh è sempre necessario meshare il volume su cui la size function è stata definita. Il modello in esame è stato discretizzato con i seguenti accorgimenti per avere elevati infittimenti sulle luci di lavaggio e sugli iniettori:
• iniettori: sono stati discretizzati impiegando una size function, che permette di descrivere con sufficiente dettaglio la zona di contatto con il distanziale, ed elementi esaedrici tipo cooper;
• luci di lavaggio e scarico: sono state meshate con elementi tetraedrici e presentano, sulle facce che si affacciano lungo la corsa del pistone, elevati infittimenti prodotti mediante size functions;
• testata e distanziali: sono stati discretizzati con elevati infittimenti sulle teste dei distanziali impiegando una size function che si estende a tutto il volume della testata discretizzato attraverso elementi tetraedrici;
• volume deformabile: è stato diviso direttamente in elementi esaedrici per applicare la dynamic mesh in Fluent.
Un aspetto importante è mantenere una deformazione, chiamata skewness, degli elementi al di sotto di un determinato valore: Gambit fissa tale limite a 0.97. Nei modelli realizzati la skewness, determinata dall'elemento più deforme, è stata mantenuta in un intervallo compreso tra 0.79 e 0.74 per evitare problemi di convergenza e migliorare la validità dei calcoli. Per controllare la qualità della mesh in Gambit è necessario selezionare il comando examine mesh:
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e dopo aver selezionato tutti gli elementi assieme all'opzione Show worst element, Gambit visualizzerà l'elemento più deforme. Il modello completamente discretizzato è rappresentato nella figura sottostante:
Dopo aver realizzato la griglia di calcolo è necessario imporre le varie condizioni al contorno che verranno definite sulle varie superfici del modello. Per realizzare ciò si impiega il menù zones in questo modo:
che permette di definire la tipologia di condizioni al contorno. Per il modello in analisi le condizioni al contorno di interesse sono:
• pressure inlet;
• interface;
• pressure outlet
• wall.
Le condizioni vengono definite attraverso il seguente pannello:
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che permette di selezionare la superficie del modello, la tipologia di condizione al contorno che si vuole imporre ed il nome che si vuole utilizzare per rendere più intuitiva la definizione. Vengono riportate le immagini con le condizioni specificate:
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nella figura sottostante, i contorni evidenziati in rosso definiscono le superfici definite come interfaces che, nel corso della simulazione, saranno a contatto con la parete cilindrica appartenente al volume deformabile e soggetta a mesh dinamica:
La parte superiore del pistone, che è ancora un interfaccia, è la seguente:
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e viene posta a contatto con l'altra interfaccia che è localizzata sulla superficie inferiore della testata:
L'altra condizione al contorno, che definisce la superficie inferiore del volume deformabile, è una wall ed indica il contatto esistente tra il gas e la testa del pistone ed è riportata nella prossima figura:
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L'uscita della luce di scarico viene definita pressure outlet :
mentre l'ingresso delle luci di lavaggio è descritto come pressure inlet:
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le superfici d'ingresso degli iniettori a loro volta sono state definite pressure inlet:
Infine, le zone di contatto tra iniettore e distanziale sono state modellate come wall:
infatti sono state definite come wall sia la sezione finale dell'iniettore, rappresentata dalla sottile corona circolare, sia la superficie circolare della testa del distanziale: in Fluent tali superfici al momento dell'iniezione diverranno interfacce permettendo così il passaggio dell'idrogeno.
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Dopo avere definito le varie condizioni al contorno, si specifica, mediante il solito comando zones, anche il materiale di ogni singolo volume che compone il dominio di calcolo: poiché il modello rappresenta un fluido è necessario scegliere l'opzione fluid. L'ultima operazione da svolgere è esportare la griglia ottenuta in formato mesh, e ciò può essere effettuato dal menù file scegliendo export mesh: il file con estensione msh così ottenuto può essere letto da Fluent.
