POLITECNICO DI BARI FACOLTA DI INGEGNERIA CORSO DI LAUREA IN INGEGNERIA MECCANICA TESI DI LAUREA IN FLUIDODINAMICA MOTO VORTICOSO DI TUMBLING IN UN MODELLO DI CAMERA DI COMBUSTIONE TUMBLING INSIDE A COMBUSTION CHAMBER MODEL Relatori Chiar.mo Prof. Giuseppe PASCAZIO Chiar.mo Prof. Marco TORRESI Laureando Ilario DE VINCENZO ANNO ACCADEMICO 2010 2011
Indice Introduzione V 1 Moto della carica nel cilindro 1 Introduzione............................................................ 1 1.1 Campo di moto della carica............................................. 2 1.1.1 Swirl.......................................................... 2 1.1.2 Tumble........................................................ 6 1.1.3 Squish......................................................... 8 1.2 Influenza della conformazione del pistone sulle fasi del motore.................9 2 Analisi del moto vorticoso di tumbling 12 Introduzione........................................................... 12 2.1 Presentazione dell esperienza........................................... 12 2.2.1 Geometria del sistema e analisi cinematica............................ 13 2.2.2 Particle Image Velocimetry........................................ 15 2.2 Analisi della fase di aspirazione......................................... 15 2.3 Analisi della fase di compressione....................................... 20 3 Codice di calcolo fluidodinamico 23 Introduzione........................................................... 23 3.1 Equazioni di conservazione............................................ 23 3.2 Turbolenza......................................................... 24 3.2.1 Modelli matematici della turbolenza................................. 25 3.2.1.1 Il modello Spallart Allmaras.............................. 27 3.2.1.2 Il modello k ε Standard................................. 28 3.2.1.3 Il modello k ω Standard................................ 29 III
3.2.1.4 Il modello RSM......................................... 29 3.3 Leggi a parete....................................................... 30 3.4 Linearizzazione e discretizzazione del sistema..............................32 3.4.1 Tecniche di discretizzazione spaziale.................................33 3.4.2 Forma linearizzata delle equazioni discretizzate........................ 34 3.4.3 Sottorilassamento nel metodo Gauss Seidel.......................... 34 3.5 Modelli numerici di soluzione...........................................35 3.6 La tecnica Multigrid.................................................. 37 3.7 Dynamic Mesh...................................................... 39 3.7.1 Equazioni di conservazione per una griglia dinamica.................... 39 3.7.2 Metodi di aggiornamento della griglia dinamica........................40 3.7.2.1 Metodo Spring Based Smoothing............................ 40 3.7.2.2 Metodo Dynamic Layering.................................. 42 3.7.2.3 Metodo Local Remeshing................................... 43 3.7.3 Cinematica dei corpi solidi......................................... 45 3.7.3.1 Legge oraria del pistone.....................................47 4 Simulazione numerica del caso sperimentale 49 Introduzione........................................................... 49 4.1 Legge oraria del moto del pistone........................................49 4.2 Simulazioni fluidodinamiche........................................... 57 4.2.1 Simulazioni senza condotto........................................ 57 4.2.1.1 Griglia rada, k ε.........................................57 4.2.1.2 Analisi dei risultati........................................ 63 4.2.1.3 Griglia fitta, RSM........................................ 71 4.2.1.4 Analisi dei risultati........................................ 73 4.2.2 Simulazioni con condotto, griglia fitta, RSM.......................... 78 4.2.2.1 Analisi dei risultati........................................79 Conclusioni 91 Bibliografia 92 IV
Introduzione Nel presente lavoro di tesi è stato condotto lo studio fluidodinamico del moto vorticoso di tumbling durante le fasi di aspirazione e compressione di un motore 4T ad accensione spontanea. La finalità di tale studio è di ottenere informazioni circa il campo di moto della carica fresca nel cilindro durante un ciclo motore; una completa conoscenza dello stesso permetterebbe di ottimizzare la combustione, ridurre gli incombusti e minimizzare quindi le operazioni di post trattamento dei gas di scarico a valle del sistema, con i relativi vantaggi in termini di riduzione delle perdite di carico allo scarico e incremento delle prestazioni del motore. Nella prima parte della tesi verrà fornita un ottica generale inerente i singoli moti vorticosi nei motori a combustione interna; successivamente verrà presentata l esperienza e i risultati sperimentali ottenuti dagli studiosi J. Borèe, S. Maurel e R. Bazile, inerenti la simulazione del tumbling in un particolare modello di camera di combustione. La stessa verrà simulata mediante il codice di calcolo fluidodinamico FLUENT e saranno confrontati i risultati ottenuti numericamente con quelli fornitici dalla sperimentazione. V
Capitolo 1 Moto della carica nel cilindro Introduzione Negli ultimi anni, con la crescita economica e il progresso tecnologico, il livello di inquinamento dell aria a causa dei prodotti della combustione è aumentato notevolmente. Oggigiorno questo costituisce un problema di fondamentale importanza a livello mondiale e i suoi effetti infatti danneggiano non solo l ambiente ma modificano anche i processi biologici e la nostra qualità di vita. La ricerca scientifica si sta orientando sempre più nello studio di questi problemi: tanto si è fatto e ancora tanto si farà per ridurre al minimo possibile le emissioni contaminanti. La combustione dei combustibili fossili è sostanzialmente una reazione chimica: i reagenti iniziali sono il combustibile e l'ossigeno contenuto nell'aria, quelli finali sono i fumi di combustione. Se il combustibile non contenesse impurità e se il processo avvenisse in condizioni ideali, i fumi dovrebbero contenere solo vapore acqueo e biossido di carbonio. Già così il processo avrebbe i suoi "costi ambientali" in quanto il biossido di carbonio è il più importante dei gas-serra. In realtà le emissioni contengono sempre anche numerosi altri inquinanti sia perché i combustibili contengono varie sostanze indesiderate sia perché la combustione non riesce mai ad essere del tutto completa. A ciò si deve aggiungere il fatto che le elevate temperature che si raggiungono nei processi di combustione fanno sì che le molecole dell'aria possano reagire tra loro formando nuove sostanze inquinanti, quali gli ossidi di azoto, che vanno ad aggiungersi a quelle dovute al processo di combustione. Piuttosto che impegnarsi per l abbattimento dei gas a valle della combustione con i moderni sistemi di catalizzazione e riduzione degli incombusti, è possibile agire a monte del processo sfruttando la creazione di moti turbolenti nella camera di combustione al fine di creare una desiderata depressione che favorisca una permanenza maggiore dell aria primaria in prossimità della zona di innesco e che quindi favorisca una combustione completa. 1
Capitolo 1. Moto della carica nel cilindro Il continuo perfezionamento dei sistemi e il desiderato aumento delle performance dei motori a combustione interna vanno nella stessa direzione della riduzione degli incombusti. Le prestazioni di un motore a combustione interna, in particolare nei Diesel, risultano particolarmente influenzate dal campo di moto della carica fresca nel cilindro, dall aspirazione dell aria al suo mescolamento con il combustibile. I dettagli relativi al movimento dell aria nel sistema di alimentazione controllano: il processo di miscelamento aria-combustibile sia in termini di preparazione della carica premiscelata, che in termini di evaporazione e combustione delle gocce che bruciano con fiamma di tipo diffusivo; lo scambio termico con le pareti del condotto; la concentrazione degli inquinanti allo scarico. Diventa essenziale dunque essere in grado di predire le caratteristiche del campo di moto e intervenire affinché esse favoriscano le prestazioni del motore. Oggi ciò è possibile grazie sia allo sviluppo di tecniche sperimentali avanzate (anemometria a filo caldo, anemometria laserdoppler, PIV ecc.) che alla disponibilità di elevate risorse computazionali e di avanzati modelli di calcolo. 1.1 Campo di moto della carica Il movimento della carica nel cilindro di un motore a combustione interna è caratterizzato dalla presenza di moti secondari organizzati di tipo rotatorio sia su piani perpendicolari all asse del cilindro, sia su piani passanti per tale asse. E in genere intervenendo su di essi che si cerca di favorire il processo di formazione della miscela e la combustione. I moti in questione sono i seguenti [1], [2]: swirl; tumble; squish. 1.1.1 Swirl Con il termine swirl si definisce il moto rotatorio organizzato dell aria su un piano circonferenziale perpendicolare all asse del cilindro (fig. 1.1). 2
Capitolo 1. Moto della carica nel cilindro Figura 1.1: Moto di swirl. [1] Particolari configurazioni del condotto di aspirazione e delle valvole di aspirazione permettono la realizzazione del moto di swirl all ingresso del cilindro: schermo sulla parete della circonferenza delle valvole di aspirazione, in modo da imporre al flusso una direzione preferenziale (figg. 1.2 e 1.3); è un sistema che produce elevate perdite di carico, riduce la luce di efflusso, aumenta il peso delle valvole e richiede artifici per impedire la rotazione della valvola; condotti di aspirazione orientati (figg. 1.4 e 1.5), tali da conferire al getto uscente dalla valvola una distribuzione di velocità non uniforme lungo la circonferenza, orientando quindi il flusso verso la parete del cilindro, che gli impone a sua volta un moto rotatorio di swirl; sono poco efficaci alle piccole alzate, quando cioè la velocità del fluido nel condotto di aspirazione è bassa; alle grandi alzate comportano coefficienti di efflusso bassi dato che viene usata solo una parte della luce per smaltire tutta la portata (velocità non perpendicolare all area di passaggio); Figura 1.2: Valvola schermata. [1] 3