CAPITOLO 7

CAPITOLO 7

Introduzione

Una volta che il file mesh è stato realizzato si può passare a lavorare in Fluent: il codice deve essere opportunamente configurato per eseguire la simulazione e si rende necessario definire anche le condizioni iniziali del modello

versione di Fluent adottata per le simulazioni è la 13. Impostazione del modello

Dopo avere aperto Fluent è necessario importare il file mesh, attraverso il comando read, e impostare dal menù General le dimensioni dell'unità di misura con cui il modello è stato realizzato: nel caso in esame l'unità di misura scelta è il mm. Subito dopo si passa a scegliere il tipo di

numerico impiegato, potendo scegliere tra due opzioni: • pressure based;

• density based.

Storicamente la prima opzione era stata formulata per fluidi incompressibili dotati di bassa velocità, mentre l'altro approccio era stato realizzato per affrontare problemi legati a fluidi compressibili ad alta velocità: successivamente

consentire un aumento di flessibilità di impiego indipendentemente dalla loro origine storica caso in esame si è scelto l'approccio density based che tra l'altro è l'opzione di default: per completare la configurazione si sceglie

Il fenomeno che si vuole simulare è dotato di turbolenza: per tale ragione nel menù successivo, models, si indica a Fluent tutti i modelli di calcolo necessari

attivano:

• l'opzione energia per calcolare gli scambi termici; • il modello k-ε per simulare la turbolenza

• il modello species transport per tenere conto delle diverse specie chimiche contenute nel dominio di calcolo.

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Una volta che il file mesh è stato realizzato si può passare a lavorare in Fluent: il codice deve essere opportunamente configurato per eseguire la simulazione e si rende necessario definire anche le condizioni iniziali del modello per inizializzare le variabili e avviare così il calcolo. versione di Fluent adottata per le simulazioni è la 13.

Dopo avere aperto Fluent è necessario importare il file mesh, attraverso il comando read, e neral le dimensioni dell'unità di misura con cui il modello è stato realizzato: nel caso in esame l'unità di misura scelta è il mm. Subito dopo si passa a scegliere il tipo di

potendo scegliere tra due opzioni:

Storicamente la prima opzione era stata formulata per fluidi incompressibili dotati di bassa velocità, mentre l'altro approccio era stato realizzato per affrontare problemi legati a fluidi compressibili ad alta velocità: successivamente entrambi i metodi sono stati riformulati per consentire un aumento di flessibilità di impiego indipendentemente dalla loro origine storica caso in esame si è scelto l'approccio density based che tra l'altro è l'opzione di default: per

ne si sceglie l'opzione transient che abilita la formulazione in transitorio.

Il fenomeno che si vuole simulare è dotato di turbolenza: per tale ragione nel menù successivo, models, si indica a Fluent tutti i modelli di calcolo necessari alla simulazione. In particolare si

l'opzione energia per calcolare gli scambi termici;

per simulare la turbolenza con opzione realizable;

il modello species transport per tenere conto delle diverse specie chimiche contenute nel Una volta che il file mesh è stato realizzato si può passare a lavorare in Fluent: il codice deve essere opportunamente configurato per eseguire la simulazione e si rende necessario definire per inizializzare le variabili e avviare così il calcolo. La

Dopo avere aperto Fluent è necessario importare il file mesh, attraverso il comando read, e neral le dimensioni dell'unità di misura con cui il modello è stato realizzato: nel caso in esame l'unità di misura scelta è il mm. Subito dopo si passa a scegliere il tipo di metodo

Storicamente la prima opzione era stata formulata per fluidi incompressibili dotati di bassa velocità, mentre l'altro approccio era stato realizzato per affrontare problemi legati a fluidi entrambi i metodi sono stati riformulati per consentire un aumento di flessibilità di impiego indipendentemente dalla loro origine storica. Nel caso in esame si è scelto l'approccio density based che tra l'altro è l'opzione di default: per l'opzione transient che abilita la formulazione in transitorio.

Il fenomeno che si vuole simulare è dotato di turbolenza: per tale ragione nel menù successivo, alla simulazione. In particolare si

Attivando il menù species transport è necessario specificare che si opera con una miscela aria idrogeno e cliccando edit si possono definire anche altre modalità di calcolo delle proprietà della miscela scelta, quali:

• densità;

• calore specifico; • conducibilità termica.

Per la miscela adottata, la densità viene calcolata attraverso il modello di gas ideale mentre per il calore specifico si lascia l'opzione che Fluent lascia di default cioè mixing law; riguardo alla conducibilità termica si sceglie l'opzione ideal gas mixing law. Passando al menù seguente materials, è possibile interpolare, attraverso un fitting polinomiale o una retta, i valori delle conducibilità termiche di ogni specie chimica coinvolta nel processo.

impostazione del modello di turbolenza e di trasporto delle specie chimiche Impostazione delle condizioni al contorno

Il passo successivo consiste nell'imporre le condizioni al contorno che saranno imposte su

superfici già specificate in Gambit: è necessario evidenziare che tutte le superfici che non sono state definite in precedenza vengono visualizzate automaticamente da Fluent come delle wall. via progettuale sono state stabilite

anche la temperatura variabile raggiunta dalle pareti a contatto con il pistone, e le pressioni di scarico e di lavaggio che sono state dedotte sperimentalmente da motori simili. In particolare, quest'ultime devono essere definite mediante un apposito file scritto con un editor di testo attraverso una sintassi appropriata.

hanno una struttura che, ad esempio nel caso della pressione, è fatta così:

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Attivando il menù species transport è necessario specificare che si opera con una miscela aria idrogeno e cliccando edit si possono definire anche altre modalità di calcolo delle proprietà della

Per la miscela adottata, la densità viene calcolata attraverso il modello di gas ideale mentre per il calore specifico si lascia l'opzione che Fluent lascia di default cioè mixing law; riguardo alla sceglie l'opzione ideal gas mixing law. Passando al menù seguente materials, è possibile interpolare, attraverso un fitting polinomiale o una retta, i valori delle conducibilità termiche di ogni specie chimica coinvolta nel processo.

e di trasporto delle specie chimiche Impostazione delle condizioni al contorno

Il passo successivo consiste nell'imporre le condizioni al contorno che saranno imposte su

superfici già specificate in Gambit: è necessario evidenziare che tutte le superfici che non sono state definite in precedenza vengono visualizzate automaticamente da Fluent come delle wall. via progettuale sono state stabilite, a priori, le temperature delle superfici del modello

anche la temperatura variabile raggiunta dalle pareti a contatto con il pistone, e le pressioni di scarico e di lavaggio che sono state dedotte sperimentalmente da motori simili. In particolare, vono essere definite mediante un apposito file scritto con un editor di testo attraverso una sintassi appropriata. I file che descrivono l'evoluzione della grandezza nel tempo

, ad esempio nel caso della pressione, è fatta così:

Attivando il menù species transport è necessario specificare che si opera con una miscela aria-idrogeno e cliccando edit si possono definire anche altre modalità di calcolo delle proprietà della

Per la miscela adottata, la densità viene calcolata attraverso il modello di gas ideale mentre per il calore specifico si lascia l'opzione che Fluent lascia di default cioè mixing law; riguardo alla sceglie l'opzione ideal gas mixing law. Passando al menù seguente materials, è possibile interpolare, attraverso un fitting polinomiale o una retta, i valori delle

Il passo successivo consiste nell'imporre le condizioni al contorno che saranno imposte su tutte le superfici già specificate in Gambit: è necessario evidenziare che tutte le superfici che non sono state definite in precedenza vengono visualizzate automaticamente da Fluent come delle wall. In mperature delle superfici del modello tra cui anche la temperatura variabile raggiunta dalle pareti a contatto con il pistone, e le pressioni di scarico e di lavaggio che sono state dedotte sperimentalmente da motori simili. In particolare, vono essere definite mediante un apposito file scritto con un editor di testo I file che descrivono l'evoluzione della grandezza nel tempo

65 (pressioni transient 1000 1) (angle 0 90 100…

in cui nella definizione del file compare la grandezza interessata, cioè in questo caso la pressione, il tipo, transient, il numero di punti definiti, 1000, ed infine 1 indica che si tratta di grandezze periodiche che si ripetono ad ogni giro; nel caso della definizione del file che indica la temperatura lungo le pareti a contatto con il cilindro, non vengono inseriti i termini transient ed 1. Le temperature di quelle superfici definite da Fluent come wall sono state assunte in modo tale da tenere conto dell'elevata velocità di rotazione del motore e della bassissima energia di accensione dell'idrogeno, per evitare il rischio di accensioni premature: per mantenere le temperature a tali valori è necessario potenziare il sistema di raffreddamento del motore reale:

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Le wall indicate in figura si riferiscono ai contorni del modello e non ai volumi interni. Nelle immagini sottostanti si riportano gli andamenti della temperatura della camicia del cilindro e delle pressioni di scarico e di lavaggio con cui sono stati creati i file da introdurre in Fluent:

Nel grafico che riporta l'andamento di temperatura, le coordinate sono state misurate con il programma Soliworks: ovviamente il valore più alto di temperatura si registra vicino alla testata, mentre quello più basso in prossimità delle luci di lavaggio. Adesso dal menù boundary conditions

si specificano i valori per ogni superficie dotata di condizioni al contorno. Per le sezioni d'ingresso degli iniettori si definiscono ad esempio

K, specie chimiche, diametro idraulico e intensità di turbolenza: allo stesso modo si procede con le sezioni d'ingresso delle luci di lavaggio e della luce di scarico, tenendo conto che l'input di pressione è definito con il file di pr

tempo, e che le specie chimiche coinvolte sono rispettivamente aria nel caso delle luci di lavaggio ed una miscela acqua ed ossigeno nel caso dell'ingresso del condotto di

pressione di riferimento pari a 101325Pa; per tale ragione le pressioni fornite come input devono essere pressioni relative e non assolute.

Definizione delle interfacce

Nel menù interfaces si indicano a Fluent quelle superfici che

come interfaces, devono ora essere accoppiate tra loro per fornire continuità ai flussi: nel caso in esame si fa riferimento alla superficie inferiore della testata con la superficie superiore del volume deformabile, e alle sezioni di uscita delle luci di lavaggio e della luce di scarico che ven

contatto con la parete laterale del solito volume deformabile.

Al termine di questa operazione Fluent crea altre superfici denominate wall che può essere necessario dotare di alcuni valori nel menù precedente boundary conditions; per ciò che riguarda il lavoro svolto viene creata infatti una nuova superficie, wall53,

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si specificano i valori per ogni superficie dotata di condizioni al contorno. Per le sezioni d'ingresso ad esempio pressione d'iniezione 600000 Pa, te

, specie chimiche, diametro idraulico e intensità di turbolenza: allo stesso modo si procede con le sezioni d'ingresso delle luci di lavaggio e della luce di scarico, tenendo conto che l'input di pressione è definito con il file di profilo precedentemente creato in quanto le pressioni variano nel tempo, e che le specie chimiche coinvolte sono rispettivamente aria nel caso delle luci di lavaggio ed una miscela acqua ed ossigeno nel caso dell'ingresso del condotto di scarico.

pressione di riferimento pari a 101325Pa; per tale ragione le pressioni fornite come input devono essere pressioni relative e non assolute.

Nel menù interfaces si indicano a Fluent quelle superfici che, definite in precedenza con

, devono ora essere accoppiate tra loro per fornire continuità ai flussi: nel caso in esame si fa riferimento alla superficie inferiore della testata con la superficie superiore del volume

di uscita delle luci di lavaggio e della luce di scarico che ven contatto con la parete laterale del solito volume deformabile.

Al termine di questa operazione Fluent crea altre superfici denominate wall che può essere necessario dotare di alcuni valori nel menù precedente boundary conditions; per ciò che riguarda il lavoro svolto viene creata infatti una nuova superficie, wall53, che rappresenta proprio la parete si specificano i valori per ogni superficie dotata di condizioni al contorno. Per le sezioni d'ingresso

temperatura pari a 298 , specie chimiche, diametro idraulico e intensità di turbolenza: allo stesso modo si procede con le sezioni d'ingresso delle luci di lavaggio e della luce di scarico, tenendo conto che l'input di ofilo precedentemente creato in quanto le pressioni variano nel tempo, e che le specie chimiche coinvolte sono rispettivamente aria nel caso delle luci di lavaggio scarico. Fluent opera alla pressione di riferimento pari a 101325Pa; per tale ragione le pressioni fornite come input devono

precedenza con Gambit , devono ora essere accoppiate tra loro per fornire continuità ai flussi: nel caso in esame si fa riferimento alla superficie inferiore della testata con la superficie superiore del volume di uscita delle luci di lavaggio e della luce di scarico che vengono in

Al termine di questa operazione Fluent crea altre superfici denominate wall che può essere necessario dotare di alcuni valori nel menù precedente boundary conditions; per ciò che riguarda che rappresenta proprio la parete

della camicia del cilindro che dovrà essere fornita del relativo file che descrive l'evoluzione della temperatura. Passando al menù successivo, dynamic mesh, si impostano subito le opzioni che assicurano l'uso della mesh dinamica attraverso la finestra seguente:

Attivando l'opzione settings, in riferimento alle voci smoothing e layering, è possibile cambiare i parametri di mesh mentre cliccando sempre il solito comando settings nella finestra In

possibile inserire i dati relativi al manovellismo del motore:

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della camicia del cilindro che dovrà essere fornita del relativo file che descrive l'evoluzione della Passando al menù successivo, dynamic mesh, si impostano subito le opzioni che

dinamica attraverso la finestra seguente:

Attivando l'opzione settings, in riferimento alle voci smoothing e layering, è possibile cambiare i parametri di mesh mentre cliccando sempre il solito comando settings nella finestra In

possibile inserire i dati relativi al manovellismo del motore:

della camicia del cilindro che dovrà essere fornita del relativo file che descrive l'evoluzione della Passando al menù successivo, dynamic mesh, si impostano subito le opzioni che

Attivando l'opzione settings, in riferimento alle voci smoothing e layering, è possibile cambiare i parametri di mesh mentre cliccando sempre il solito comando settings nella finestra In-Cylinder, è

Nel menù sottostante si impostano nuovamente le interfacce che riguardano la mesh dinamica in particolare:

• le interfacce tra la parte inferiore della testata e la parte vengono definite come stationary;

• la parte inferiore del volume deformabile che simula il contatto con la testa del pistone, viene selezionata e definita rigid body: è necessario selezionare l'asse secondo cui essa si muove e fornire il profilo del moto eseguito attraverso l'opzione piston

Per terminare la messa a punto del menù occorre definire i comandi che simulano l'iniezione: a tal proposito si seleziona l'opzione events in cui si inseriscono gli istanti di apertu

iniettori. L'apertura viene simulata selezionando nel menù define le due superfici a contatto, nell'esempio si tratta della testa del distanziale e della sezione di sbocco dell'iniettore definite entrambe come wall, e attivando quindi i

chiusura, invece, si seleziona per le solite superfici l'opzione

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Nel menù sottostante si impostano nuovamente le interfacce che riguardano la mesh dinamica

le interfacce tra la parte inferiore della testata e la parte superiore del volume deformabile vengono definite come stationary;

la parte inferiore del volume deformabile che simula il contatto con la testa del pistone, viene selezionata e definita rigid body: è necessario selezionare l'asse secondo cui essa si

e fornire il profilo del moto eseguito attraverso l'opzione piston

Per terminare la messa a punto del menù occorre definire i comandi che simulano l'iniezione: a tal proposito si seleziona l'opzione events in cui si inseriscono gli istanti di apertu

iniettori. L'apertura viene simulata selezionando nel menù define le due superfici a contatto, nell'esempio si tratta della testa del distanziale e della sezione di sbocco dell'iniettore definite entrambe come wall, e attivando quindi il comando create sliding interface; al momento della chiusura, invece, si seleziona per le solite superfici l'opzione delete sliding interface.

Nel menù sottostante si impostano nuovamente le interfacce che riguardano la mesh dinamica, ed

superiore del volume deformabile

la parte inferiore del volume deformabile che simula il contatto con la testa del pistone, viene selezionata e definita rigid body: è necessario selezionare l'asse secondo cui essa si

e fornire il profilo del moto eseguito attraverso l'opzione piston-full.

Per terminare la messa a punto del menù occorre definire i comandi che simulano l'iniezione: a tal proposito si seleziona l'opzione events in cui si inseriscono gli istanti di apertura e chiusura degli iniettori. L'apertura viene simulata selezionando nel menù define le due superfici a contatto, nell'esempio si tratta della testa del distanziale e della sezione di sbocco dell'iniettore definite l comando create sliding interface; al momento della

70 Impostazioni di calcolo

Dopo avere fornito a Fluent tutte le indicazioni per trattare le varie superfici del modello e lo eventuale comportamento dinamico, si possono impostare i parametri del calcolo numerico. La scelta dell'algoritmo di risoluzione è caduta sullo schema PISO che si adatta molto bene a sistemi in regime transitorio con un elevato time step e valori dei fattori di rilassamento prossimi ad 1.0. Le approssimazioni vengono mantenute al primo ordine, ma nel momento che viene effettuata l'iniezione si preferisce impiegare un'approssimazione del secondo ordine che appesantisce il calcolo ma fornisce risultati più accurati: inoltre conviene inserire i valori di sottorilassamento che potranno poi essere modificati durante il calcolo. La pressione viene valutata con l'approssimazione PRESTO basata su un approccio staggered, mentre la valutazione dei gradienti viene effettuata con l'approssimazione Green-Gauss node based che calcola i valori al centro della cella attraverso una media aritmetica dei valori di interesse misurati nei nodi adiacenti. Nella finestra successiva, monitors, possono poi essere definiti i valori dei residui oltre il quale l'iterazione viene fermata e, volendo, si possono creare anche dei file che riportano i valori delle diverse grandezze durante ogni iterazione.

Inizializzazione del modello

Dopo aver scelto il metodo numerico ed impostato i fattori di rilassamento, è necessario inizializzare il calcolo introducendo, in tutto il dominio, valori opportuni riferiti alle varie grandezze per avviare lo schema numerico nelle varie iterazioni; successivamente si può inizializzare ogni parte del modello con differenti valori relativi alla variabili in analisi. Nel caso in esame sono stati assunti i valori di pressione e temperature delle luci di lavaggio rispettivamente pari a 0 Pa e 333K ed inoltre si è assunto che fossero occupati solo da aria. L'inizializzazione dei volumi che rappresentano la testata ed il volume deformabile è stata leggermente laboriosa: infatti quando il pistone si trova al punto morto superiore, subito dopo la combustione, la miscela di gas combusti è costituita, nel caso di idrogeno come combustibile, solo da vapore acqueo, azoto ed una piccola percentuale di aria non reagita. Le quantità appena elencate sono state ricavate analizzando una combustione tra una determinata quantità di aria ed una determinata quantità di idrogeno tali che il rapporto di equivalenza fosse pari a 0,8, da cui si sono ricavate le frazioni molari delle varie specie chimiche che successivamente sono state trasformate in frazioni massiche. Basandosi anche su dati forniti da motori simili, è stata valutata la temperatura di fiamma con un bilancio energetico: infine si è assunta una pressione di fine combustione pari a 35 bar. In tal modo è stata fatto girare una prima simulazione comprendente tutto l'angolo di manovella, in cui non avviene l'iniezione, per vedere la quantità e la composizione della massa d'aria aspirata nella fase di compressione: ciò ha permesso di riformulare un altro bilancio energetico per calcolare la nuova temperatura di fiamma e la pressione a fine combustione impiegando i dati forniti proprio da questa simulazione. In totale sono state realizzate diverse simulazioni con l'obiettivo di stabilizzare i dati d'inizializzazione; la composizione dei gas raccolti nel condotti di scarico è stata posta pari alla composizione della testata subito dopo la combustione. Le simulazioni svolte hanno dimostrato la presenza di cortocircuiti di aria fresca direttamente nel condotto di scarico oltre ad un parziale riflusso dei gas combusti all'interno delle luci di lavaggio: questo è un effetto che non

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era stato stimato in precedenza ma che è stato svelato proprio grazie al fatto di aver fatto delle prove apposite per inizializzare il modello. Nonostante tutto, tale modo di procedere ha condotto a delle semplificazioni di calcolo in quanto sono stati trascurati vari effetti quali le dissociazioni delle specie chimiche e l'imperfezione presente nei miscelamenti; inoltre nei vari calcoli è stato assunto il modello di gas ideale.