CAPITOLO 6

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CAPITOLO 6

Studio CFD mediante AVL FIRE v8.31

6.1 Introduzione

Per validare i risultati ottenuti con KIVA, è stato deciso di ripetere le simulazioni utilizzando come codice alternativo AVL FIRE v8.31.

6.2 La realizzazione della griglia di calcolo

La mesh del modello (fig. 6.1 e 6.2) è stata realizzata mediante un apposito modulo di FIRE. A causa della notevole complessità della geometria, è stato necessario utilizzare un numero di celle (circa 560.000 al PMI) molto maggiore rispetto a quelle del modello utilizzato da KIVA (circa 100.000 al PMI). Quest’ultimo infatti utilizza, come visto nel capitolo 3, griglie multiblocco strutturate che consentono di rappresentare geometrie complesse con un minore numero di celle, anche se il procedimento di creazione delle stesse è molto più complicato e dispendioso in termini di tempo.

Nel FIRE la griglia viene generata riempiendo il dominio di calcolo con un procedimento automatico, il quale, per rappresentare correttamente geometrie complicate, richiede un elevato numero di elementi. E’ necessario però precisare che, anche se l’aumento del numero di celle porta ad un tempo di calcolo maggiore, il processo di creazione della griglia è molto più breve e semplice.

Per ridurre i tempi di calcolo, la simulazione è stata divisa in due fasi:

• Aspirazione: è stato considerato, come nel modello utilizzato da KIVA, sia il condotto di aspirazione sia il cilindro

• Compressione e combustione: poiché interessavano soltanto i risultati relativi al cilindro, durante queste fasi non è stato modellato il condotto di aspirazione.

La simulazione delle fasi di aspirazione, compressione, iniezione e combustione ha richiesto la messa a punto di un elevato numero di mesh dell’intero modello che sono state collegate per interpolazione durante il processo di movimento della griglia. Come nel caso del KIVA, la simulazione inizia per semplicità al PMS in fase di aspirazione (non si considera quindi l’incrocio) e termina in fase di combustione 50° dopo il PMS, per un totale di 410°.

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Fig. 6.1 : vista frontale della mesh del modello (AVL FIRE)

Fig. 6.2 : vista della mesh del modello in prospettiva (AVL FIRE)

Per ogni singola mesh, il modello CAD è stato diviso in tre parti:

• Cilindro (fig. 6.4)

• Gruppo valvola di aspirazione (fig. 6.5) • Condotto di aspirazione (fig. 6.6)

In questo modo è stato possibile realizzare la griglia del gruppo valvola con un numero di celle minore, meglio orientate rispetto alla direzione del flusso e congruenti al movimento della

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geometria. Come si nota dall’immagine 6.3, la mesh è stata ottenuta sfruttando l’assialsimmetria dell’elemento, ovvero ruotando la griglia della sezione attorno all’asse della valvola.

Fig. 6.3

6.2.1 Definizione delle selezioni

Per realizzare la mesh di ogni componente e per definire le condizioni al contorno, le superfici di interfaccia tra gli elementi e le condizioni iniziali, sono state create delle selezioni di superficie e di volume.

• Selezioni della camera di combustione

Fig. 6.4

1. Testata (in giallo)

2. Superficie del cilindro (in rosa) 3. Cielo del pistone (in blu)

4. Superficie di simmetria (in verde)

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• Selezioni del gruppo valvola di aspirazione

Fig. 6.5 Fig. 6.6

1. Superficie di interfaccia tra condotto di aspirazione e gruppo valvola (in blu) 2. Superficie di interfaccia tra blocco valvola e camera di combustione (in giallo) 3. Superficie esterna (in rosa)

4. Superficie della valvola (in verde)

• Selezioni del condotto di aspirazione

Fig. 6.7 Fig. 6.8

1. Superficie esterna (in marrone)

2. Superficie di interfaccia tra condotto e gruppo valvola (in giallo) 3. Superficie dello stelo della valvola

4. Sezione di ingresso del fluido (in rosso)

6.3 I risultati delle simulazioni

Le simulazioni sono state effettuate a 1000, 2000 e 3000 giri/min ad un terzo del carico ed i risultati sono poi stati confrontati con quelli ottenuti dalle simulazioni tramite il codice KIVA. A questo modello sono state assegnate le stesse condizioni iniziali ed al contorno di quello utilizzato dal KIVA.

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I parametri utilizzati per definire le caratteristiche dello spray nelle simulazioni sono riportati nelle tabelle 6.1, 6.2 e 6.3. Apertura esterna cono spray (gradi) Apertura interna cono spray (gradi) Velocità di uscita del liquido (m/s) Durata iniezione (ms) 86 70 125 0,2 Tabella 6.1: dati impostati nella simulazione per l’iniezione

Regimi di rotazione Massa iniettata (mg) 1000 giri/min 6,7 2000 giri/min 7,2 3000 giri/min 7,8 Tabella 6.2

Diametro delle gocce all’uscita dell’ iniettore Diametro (µm) Probabilità 1 0,2 3 0,4 5,5 1,2 8 1,5 10,25 1,6 13 1,15 15,25 0,5 18 0,25 20,25 0,1 25,25 0,05 30,25 0,02 Tabella 6.3

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I modelli utilizzati per descrivere i vari processi (tab. 6.4) sono quelli consigliati dal manuale del codice per un motore ad accensione comandata quattro tempi ed iniezione diretta.

Processo Modello

Interazione

spray-pareti Walljet 0 Modello di

evaporazione Dukowicz Modello di breakup TAB

Modello di

turbolenza k-

ε

Tabella 6.4

6.3.1 Le prove a 1000 giri/min

• Stratificazione della carica

Le immagini nelle figure sottostanti (6.9 – 6.12) sono relative al processo di formazione della carica stratificata a 1000 giri/min. Il carico è un terzo di quello massimo mentre l’iniezione inizia 33° prima del PMS.

Fig. 6.9: rapporto di equivalenza 32° Fig. 6.10: rapporto di equivalenza 30° prima del PMS (AVL FIRE) prima del PMS (AVL FIRE)

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6.3.2 Le prove a 2000 giri/min

• Analisi del campo di moto

Le immagini nelle figure sottostanti (6.13 – 6.15) sono relative al campo di moto a 2000 giri/min.

Fig. 6.13: campo di moto 45° dopo il PMS (AVL FIRE)

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Fig. 6.15: campo di moto 180° dopo il PMS (AVL FIRE)

Fig. 6.16 :rapporto di equivalenza 32° Fig. 6.17: rapporto di equivalenza 30°

prima del PMS (AVL FIRE) prima del PMS (AVL FIRE)

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Fig. 6.20: rapporto di equivalenza 15° Fig. 6.21: rapporto di equivalenza 13°

• Combustione

La fasatura dell’accensione, come nelle simulazioni effettuate mediante KIVA, è stata tarata in modo da ottenere la massima pressione nel cilindro 8° dopo il PMS. Le figure sottostanti (6.22 – 6.30) riportano le mappe della temperatura e della concentrazione del combustibile durante la combustione.

Fig. 6.22: temperatura 12° prima del PMS Fig. 6.23: temperatura al PMS

(AVL FIRE) (AVL FIRE)

Fig. 6.24: temperatura 10° dopo il PMS Fig. 6.25 : temperatura 20° dopo il PMS

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Fig. 6.26 : temperatura 35° dopo il PMS Fig. 6.27 : temperatura 50° dopo il PMS

(AVL FIRE) (AVL FIRE)

Fig. 6.28: concentrazione del combustibile 50° dopo il PMS (AVL FIRE)

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Fig. 6.30: concentrazione del combustibile 50° dopo il PMS (AVL FIRE)

6.3.3 Le simulazioni a 3000 giri/min

Fig. 6.31: rapporto di equivalenza 32° Fig. 6.32: rapporto di equivalenza 25°

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prima del PMS (AVL FIRE) prima del PMS (AVL FIRE)

6.4 Confronto con i risultati ottenuti mediante KIVA

In questo paragrafo vengono confrontati i risultati relativi al campo di moto e al rapporto di equivalenza ottenuti dalle simulazioni con KIVA e FIRE a 2000 giri/min.

• Confronto del campo di moto

Le immagini sottostanti si riferiscono al campo di moto nel cilindro durante la fase di aspirazione a 2000 giri/min.

Confrontando i risultati ottenuti con KIVA (immagini sulla destra) e FIRE (immagini sulla sinistra), si osserva che, mentre 45° e 325° (istante di iniezione) dopo il PMS il campo di moto sostanzialmente coincide, a 90° e 180° si notano delle differenze. In particolare, nelle immagini che si riferiscono a 90°, vi sono notevoli differenze nei valori della velocità mentre i campi di moto sostanzialmente coincidono; a 180° le differenze di velocità sono minori ma subentrano anche differenze nei campi di moto.

Fig. 6.35: campo di moto 45° dopo Fig. 6.36: campo di moto 45° dopo il PMS (AVL FIRE) il PMS (KIVA)

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Le differenze nei risultati relativi al campo di moto sono da attribuirsi al diverso numero di celle utilizzato nelle due griglie; infatti, negli istanti in cui il pistone è più vicino al PMS, le due mesh sono costituite all’incirca dallo stesso numero di celle e i risultati sono molto simili, mentre il numero di celle nel cilindro è notevolmente diverso quando il pistone è distante dal PMS.

Fig. 6.37: campo di moto 90° dopo Fig. 6.38: campo di moto 90° dopo

il PMS (AVL FIRE) il PMS (KIVA)

Fig. 6.39: campo di moto 180° dopo Fig. 6.40: campo di moto 180° dopo il PMS (AVL FIRE) il PMS (KIVA)

Fig. 6.41: campo di moto 325° dopo Fig. 6.42: campo di moto 325° dopo

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• Confronto del rapporto di equivalenza

Le immagini sottostanti si riferiscono al rapporto di equivalenza nel cilindro a 2000 giri/min. Il combustibile utilizzato per entrambe le simulazioni è la benzina.

Fig. 6.38: rapporto di equivalenza 32° Fig. 6.39: rapporto di equivalenza e

prima del PMS (AVL FIRE) raggio delle gocce

32° prima del PMS (KIVA)

prima del PMS (AVL FIRE) prima del PMS (KIVA)

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Come è stato specificato in precedenza, il campo di moto nell’istante di iniezione è molto simile in entrambi i casi, quindi dopo un’attenta analisi si è giunti alla conclusione che la differenza nei risultati sia dovuta ai seguenti fattori:

• mentre nel KIVA il diametro delle gocce all’uscita dell’iniettore è costante, nel FIRE è stato possibile assegnare a tale diametro l’andamento di una variabile che segue la legge di Gauss

• il processo di evaporazione nel KIVA è decisamente più rapido di quello del FIRE; questo può essere dovuto sia alla differenza di volatilità delle benzine (nel FIRE la benzina evapora con la stessa velocità dell’n-eptano, mentre nel KIVA la velocità è maggiore), sia a differenti modelli di evaporazione.

• La mesh utilizzata nelle simulazioni effettuate mediante il KIVA è costituita da un numero di celle decisamente inferiore rispetto a quella creata con il FIRE

6.5 Confronto dei risultati a parità di combustibile e di diametro delle gocce

Per rendere confrontabili i risultati ottenuti con i due codici, sono state ripetute le simulazioni a 2000 giri/min utilizzando come combustibile l’n-eptano in entrambi i casi e gocce dal diametro costante anche nel caso del FIRE. Non è stato invece possibile utilizzare griglie con un numero di celle equivalente, in quanto nel caso del FIRE risulta difficile rappresentare correttamente questa geometria con un numero limitato di celle, mentre nel caso del KIVA, essendo la griglia strutturata, risulta molto difficile modificarla data la complessità della geometria.

I risultati ottenuti sono i seguenti:

Fig. 6.44: rapporto di equivalenza 32° Fig. 6.45: rapporto di equivalenza e raggio

prima del PMS (AVL FIRE) delle gocce 32° prima del

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Fig. 6.46: rapporto di equivalenza 25° Fig. 6.47: rapporto di equivalenza prima del PMS (AVL FIRE) e raggio delle gocce 25°

prima del PMS (KIVA)

Fig. 6.48: rapporto di equivalenza 15° Fig. 6.49: rapporto di equivalenza 15° prima del PMS (AVL FIRE) prima del PMS (KIVA)

Come risulta dalle immagini, le differenze si sono ridotte di molto, ma non annullate. Poiché in questo caso i processi di evaporazione e breakup delle gocce di combustibile sostanzialmente coincidono, la diversità dei risultati si può attribuire al diverso numero di celle delle mesh.

Nonostante questa piccola differenza, la validazione del modello può considerarsi raggiunta. E’ necessario sottolineare che le simulazioni CFD, specialmente in campo motoristico, sono in grado di fornire risultati attendibili solo dal punto di vista qualitativo e non possono sostituire le prove sperimentali. Tuttavia il lavoro svolto in questa tesi conferma la robustezza della soluzione adottata per la geometria della camera di combustione. Infatti i risultati delle simulazioni dimostrano che è possibile ottenere sia una stratificazione della carica stabile e ripetibile, sia il confinamento della stessa in fase di combustione al variare delle condizioni al contorno, delle condizioni iniziali, del tipo di combustibile, delle caratteristiche dello spray e della griglia di calcolo.

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6.6 Le simulazioni con pressione di iniezione di 200 bar

Si è voluto verificare il funzionamento di questo motore anche nel caso di pressione di iniezione di 200 bar, valore dei sistemi di iniezione attualmente in fase di studio.

Dai risultati di queste simulazioni risulta che, grazie alla maggiore pressione di iniezione, la nebulizzazione dello spray è maggiore; questo permette di ottenere una più rapida evaporazione del combustibile e di conseguenza un maggiore tempo a disposizione del vapore di benzina per diffondersi, con notevoli vantaggi in termini di emissioni inquinanti. Infatti, al momento dell’accensione, non sono presenti zone eccessivamente ricche che in fase di combustione genererebbero, per effetto del cracking del combustibile, elevate emissioni di particolato.

Le immagini nelle figure sottostanti (6.50 – 6.55) sono relative al processo di formazione della carica stratificata a 1000 giri/min. Il carico è un terzo di quello massimo, mentre l’iniezione inizia 33° prima del PMS.

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Fig. 6.54: rapporto di equivalenza 10° prima del PMS (AVL FIRE)

Fig. 6.55: rapporto di equivalenza 10° prima del PMS (AVL FIRE)

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Fig. 6.62: rapporto di equivalenza 32° Fig. 6.63: rapporto di equivalenza 25° prima del PMS (AVL FIRE) prima del PMS (AVL FIRE)

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