Capitolo 4

Capitolo 4

Preparazione della simulazione

4.1 Organizzazione del lavoro di Simulazione

Il lavoro è stato organizzato secondo il flow chart di figura 4.1, che ne riassume i passaggi ed al quale ci riferiremo nel prosieguo del lavoro.

Il lavoro ha inizio con la definizione della geometria del motore e di tutti i suoi parametri operativi. Per quanto riguarda la geometria essa è stata modellata mediate l’utilizzo del CAM

Pro/ENGINEER 2001 in ambiente Windows. Occorre precisare che, quando ci riferiamo alla

modellazione della geometria, intendiamo la definizione del dominio su cui effettueremo la meshatura e successivamente il calcolo. Nel nostro caso il dominio sarà la regione fluida.

Definita la geometria, mediate il modulo di interfaccia installato in ambiente Pro/ENGINEER, denominato Icem Mesh Interface, importiamo la geometria (mediante il file di interscambio tetin) all’interno del preprocessore vero e proprio, che per noi è ICEM CFD 4.2.2, operante sempre in ambiente Windows.

Geometria: Pro/Engineer Solutore: KIVA 3Vr2 -Windows- Cond. Iniz.&Cont. AVL BOOST Postprocessore: OpenDX -UNIX- Preprocessore: ICEM CFD 4.2.2 -Windows-

Preparazione della simulazione

Nel preprocessore, mediante vari passaggi che saranno trattati nei prossimi paragrafi, viene generata la griglia di calcolo che viene utilizzata dal solutore per effettuare i calcoli. Come solutore utilizzeremo il codice CFD KIVA 3V compilato in ambiente Windows.

Il passaggio dal preprocessore al solutore è la fase più delicata del lavoro, la quale deve essere svolta nella maniera più accurata possibile, poiché in tale passaggio vengono definite le condizioni al contorno e le condizioni iniziali, ed è facile immaginare come un errore o un’errata definizione di tali condizioni porti ad invalidare tutto il lavoro a valle. Per le condizioni iniziali e al contorno abbiamo assunto i valori provenienti dalla simulazione monodimensionale ottenuti col codice BOOST di AVL.

Eseguiti i calcoli, il file di risultati generato dal solutore (tape9), viene postprocessato, mediante il programma di visualizzazione dati OpenDX, operante in ambiente UNIX.

4.2 La geometria

Le caratteristiche tecniche e le dimensioni geometriche del motore che viene preso in considerazione in questa tesi sono riportate in Tabella 4.1 e allegate in appendice, così come fornite dal costruttore. Per quel che riguarda le semplificazioni e le ipotesi adottate nel definire il dominio di calcolo, si rimanda al capitolo 8, dove verranno ampiamente discusse.

Cilindrata 330 cm3

Alesaggio 82 mm

Corsa 62 mm

Rapporto di compressione 11

Lunghezza biella 104,5 mm

Distribuzione Quattro valvole in testa

Alimentazione Iniezione diretta benzina

Diametro interno del condotto di scarico a

monte del silenziatore 32 mm

Range di velocità di rotazione: 1200-10000 giri/min

Fig. 4.2 - Modello solido in vista prospettica, del motore in studio: a sinistra in colore

rosso si nota i condotti di scarico, a destra in giallo i condotti di aspirazione.

4.3 Importazione della geometria

4.3.1 ICEM CFD Pro/ENGINEER Mesher Interface

La fase di preprocessamento ha inizio già all’interno dell’ambiente Pro/ENGINEER. Definita la geometria, il modulo ICEM CFD Pro/ENGINEER Mesher Interface permette di esportare il modello direttamente nel meshatore ICEM CFD, senza ricorre a file di interscambio (IGES) o costringere il progettista a ricreare il modello in ambiente ICEM. In generale il processo consiste nei seguenti passi [12]:

• Generare o importare la geometri del modello in ambiente Pro/ENGINEER;

Preparazione della simulazione

•

•

•

La procedura descritta non è strettamente vincolante,nè deve essere necessariamente seguita in maniera sequenziale. Preme precisare fin da ora che alcuni dei passi descritti possono essere svolti anche in ambiente ICEM CFD; fa eccezione la generazione del file tetin che, costituendo i dati in ingresso per ICEM CFD, deve obbligatoriamente essere creato nel modulo di importazione.

4.3.2 Introduzione al lavoro di costruzione del mesh con ICEM CFD

Una volta generato il file di input, entriamo nel preprocessore vero e proprio. Nel seguito del lavoro si esporrà la procedura da seguire per generare un mesh corretto mediante l’uso di ICEM CFD.

Preliminarmente occorre precisare la tipologia di mesh (strutturato o non strutturato), richiesta poi dal solutore.

Nel nostro caso il codice di calcolo Kiva 3V, essendo un programma che necessita di un mesh multiblocco di tipo strutturato, vincola, sin dall’impostazione del lavoro di costruzione del mesh, a determinate regole, che non sussisterebbero se il mesh fosse non strutturato.

4.3.3 Il mesh strutturato

La generazione della griglia è spesso indicata come il processo più importante e dispendioso, in termini di tempo, dell’ analisi CFD. La qualità della griglia è fondamentale nel determinare la qualità dell’analisi; questo senza considerare il solutore utilizzato.

Inoltre quando usiamo un mesh ben congegnato, il solutore dovrà essere efficiente e “robusto”, al fine di ridurre il tempo di calcolo.

Il mesh strutturato prende il nome dal fatto che la griglia si presenta con un disegno costituito da elementi regolari, omogenei e ripetitivi. Questo tipo di griglia utilizza, nei problemi bidimensionali, l’elemento quadrilatero e, nei problemi tridimensionali, l’elemento esaedrico.

Fig.4.3 - Esempio di Mesh

strutturato.

Fig.4.4 - Esempio di Mesh non

strutturato. Siccome la forma degli elementi è fissata, la griglia deve essere adattata alla geometria in studio mediante operazioni di distorsione e allungamento (“stretching” and “twisting”) dei blocchi. Questo passaggio spesso è affidato al meshatore che, in automatico, definiti i blocchi in cui è suddivisa la geometria, applica appropriati algoritmi di calcolo, ottimizzati (che sfruttano sofisticate equazioni ellittiche) al fine di conferire proprietà di ortogonalità e uniformità alla griglia (vedi figura 4.3).

Le prime versioni di mesh strutturate erano composte da un solo blocco. Pertanto l’utilizzatore era obbligato ad approssimare la geometria, variando la distribuzione delle celle ed eventualmente escludendo alcuni elementi, anche rilevanti.

Successivamente sono state sviluppate le griglie strutturate multiblocco, le quali permettono l’utilizzo di diversi blocchi, connessi tra loro, al fine di costruire e riprodurre al meglio l’intero dominio. Nel corso degli anni anche i metodi di interconnessione dei blocchi hanno subito una forte evoluzione.

Preparazione della simulazione

Tra questi i più usati dai programmi di meshatura automatici sono il point to point e il many

point to one point: i blocchi devono topologicamente e fisicamente essere “appiccicati” ai

contorni.

Utilizzando il metodo point to point ci troviamo di fronte ad un dominio dove i blocchi sono topologicamente simili alla geometria, ma non ne hanno gli stessi contorni; utilizzando il metodo many point to one point i blocchi sono fisicamente simili ai contorni, ma hanno differenze topologiche anche rilevanti.

Le griglie multiblocco danno all’utente più libertà rispetto alle griglie monoblocco, nella costruzione della mesh, ma presentano la limitazione del dover rispettare precise regole nella connessione dei blocchi e, di conseguenza, risultano difficili da costruire. Inoltre permettono un’accuratezza maggiore nella rappresentazione del dominio e una maggiore robustezza numerica.

Occorre citare anche un altro metodo utilizzato per la costruzione di griglie strutturate multiblocco, il quale tra l’altro permette di risolvere i problemi derivanti dalle connessioni dei vari blocchi: Il metodo Chimera detto anche Overset grid methods. Esso, permettendo ai vari blocchi della griglia di essere conformi ai contorni fisici del modello, consente maggiore libertà nell’interconnessione dei vari blocchi.

Le griglie strutturate presentano anche il vantaggio notevole, rispetto alle griglie non strutturate, di consentire un maggiore controllo della griglia stessa. L’utente può controllare i vertici e i lati dei blocchi interattivamente, disponendo di totale libertà nel posizionamento della griglia.

La griglie strutturate usano, come già detto precedentemente, elementi quadrilateri o esaedrici, che risultano molto efficienti nel riempimento dei blocchi, offrono maggiore possibilità di deformazione e di adattabilità al dominio, senza che la soluzione ne sia influenzata.

Possiamo gestire la griglia a piacimento, condensando le celle in regioni che presentano elevati gradienti del flusso e lasciando più rada la mesh nelle regioni meno rilevanti; spesso riscontriamo, nell’analisi CFD, l’utilizzo di griglie flusso-orientate che presentano elevata accuratezza della soluzione.Globalmente riusciamo a limitare il numero di elementi necessario, a parità di precisione della soluzione.

Infine il post processamento dei risultati di una griglia strutturata è tipicamente un compito più semplice perché i piani logici, in cui il blocco e quindi la griglia sono suddivisi, sono un’eccellente riferimento per esaminare il campo del flusso e visualizzare i risultati.

4.3.4 Il mesh non strutturato

Le griglie non strutturate fanno uso di varie specie di elementi per riempire il dominio. Siccome la griglia non presenta un motivo regolare e ripetitivo (figura 4.4 e 4.5), il mesh è denominato non strutturato.

Questo tipo di griglia solitamente usa elementi triangolari in problemi bidimensionali ed elementi tetraedrici in problemi tridimensionali; come nel caso delle griglie strutturate, gli elementi possono essere allungati e deformati, per meglio rappresentare il dominio considerato. Questo metodo presenta il vantaggio di una più facile e rapida generazione in automatico.

Dato in ingresso un buon modello CAD, un buon meshatore è in grado, in pochi passaggi e con minimo impegno da parte dell’utilizzatore, di meshare la superficie, mediante triangoli, se si tratta di un problema 2D, o mediante tetraedri, se trattasi di un problema 3D.

Gli algoritmi usati per creare mesh non strutturati tipicamente utilizzano due metodi:

1. Advancing front; 2. Delaunay.

Il primo crea il mesh suddividendo inizialmente i contorni del modello e aggiungendo successivamente elementi a partire proprio dalle celle confinanti con i bordi, fino a riempire l’intera figura. Il secondo metodo, meshando il contorno del modello, aggiunge punti internamente e li collega successivamente mediante elementi.

Il mesh è facilmente ottenibile, l’utilizzatore non si deve preoccupare della forma dei blocchi e delle loro connessioni. Il mesh non strutturato si presta bene ad essere utilizzato da un utente non esperto, poiché bastano pochi input per generare un mesh valido, spesso adatto ad uno studio di primo approccio. Inoltre permette una rapida generazione di mesh, anche dettagliati, in brevissimo tempo, prestandosi perfettamente a studi di tipo parametrico (nei quali è richiesta una variazione frequente della geometria).

Tuttavia presenta il grande svantaggio di mal controllare il mesh lontano dai contorni della geometria. Infatti l’utente che utilizza un mesh non strutturato può facilmente controllare la suddivisione dei contorni ma l’interno del mesh è lasciato, salvo particolari casi, all’algoritmo utilizzato e quindi è difficilmente controllabile. Inoltre gli elementi triangolari e tetraedrici hanno problemi ad essere sensibilmente deformati. Ne consegue che la griglia presenta un’ alto grado di anisotropia; tutto ciò rappresenta un inconveniente non trascurabile quando vogliamo rifinire il mesh localmente.

Spesso siamo obbligati ad infittire l’intero mesh per ottenere, localmente, l’infittimento desiderato.

Preparazione della simulazione

Un altro svantaggio è rappresentato dalla necessità di avere a disposizione un buon modello CAD, esente da difetti. Molti meshatori falliscono il mesh anche in presenza di piccoli errori; questo comporta la massima accuratezza nella costruzione del modello ed è spesso difficile utilizzare modelli costruiti esternamente al preprocessore; si tratta di una limitazione non trascurabile se si pensa che oggi capita spesso che il committente dell’analisi CFD sia un’azienda terza e quindi il modello geometrico sia spesso sviluppato da persone non interfacciate direttamente all’analista, al limite dislocate a parecchia distanza.

In ultima istanza, ma per questo non meno importante, si ricorda che i solutori che utilizzano un mesh non strutturato richiedono più memoria e maggiori tempi di esecuzione, a parità di geometria (tabella 4.2), rispetto a software che utilizzano mesh strutturati; questo perchè, in un mesh strutturato, ogni punto della griglia può essere identificato semplicemente mediante l’utilizzo di due indici i,j (caso 2D), con risparmio di variabili e di quantità di dati da immagazzinare, a differenza di quello che succede in un mesh non strutturato. Al proposito si riportano i dati relativi al problema affrontato in questo lavoro:

Solutore Mesh Celle Sistema Tempo neces.

Kiva 3V Strutturato 83.000

Pentinum 4

2400Mhz,512Mb 2 giorni e mezzo

Fire 8.2 Non Strutturato 115.000

Pentinum4

2400Mhz,1000Mb Circa 4 giorni

Tabella 4.2 - Confronto tra solutori CFD differenti, applicati allo stesso problema si

Fig. 4.5 - Confronto tra mesh non strutturato ottenuto con Fire (a sinistra) ed un mesh

strutturato ottenuto con ICEM (a destra): si noti soprattutto la differenza nella vicinanza della valvola.

4.3.5 Il mesh ibrido

Le meshature ibride sono state sviluppate per beneficiare degli aspetti positivi, che possono derivare dall’utilizzo congiunto di mesh di tipo strutturate e non. Non ci dilungheremo oltre, ricordando che gli aspetti positivi dei due metodi di meshatura sono stati già menzionati ampiamente. D'altronde preme sottolineare che lo svantaggio più grosso, nell’utilizzo di un mesh ibrido, consiste nella difficoltà e nell’esperienza richiesta all’utilizzatore, per portare a termine la procedura di generazione della griglia.