PREMESSE

 

Prima di descrivere l'analisi CFD effettuata, è importante fare alcune precisazioni. Innanzitutto, l'analisi CFD è stata fatta per verificare alcune eccessive perdite di carico, dovute a curvature eccessivamente accentuate. I parametri infatti della curvatura degli scarichi, sono difficili da rispettare, visto le lunghezze ottimali e gli ingombri degli altri componenti. Proprio per tale motivo, si rende necessario, almeno una prima verifica circa la bontà della progettazione. Proprio per tali motivi, è bene tenere conto dei seguenti fattori:

• Le simulazioni effettuate sono solo indicative visto la difficoltà e la complessità del sistema di scarico;

• I dati in ingresso e uscita per le simulazioni sono assolutamente approssimativi perché le aziende non inoltrano esternamente il “know how” su dati così specifici. Inoltre i dati che servono per una simulazione di questo tipo sono specifici per il singolo motore.

 

 

ANALISI CFD DEL SISTEMA DI SCARICO

Per analizzare il comportamento fluidodinamico è stato utilizzato FlowWorks perché l’obiettivo è valutare se le curvature non fossero esagerate da portare a elevati gradienti di pressione e velocità. Con FlowWorks ci si può limitare a studiare il problema solo ponendo delle condizioni sulle sezioni di ingresso e di uscita dei condotti riguardo grandezze fisiche quali: portata massica, velocità, pressione. Inoltre non si possono considerare pressioni negative mentre si possono presentare per pochi secondi delle condizioni di depressione. Questo non tiene conto del comportamento “pulsorio” dello scarico dei gas dal motore con tutti i problemi che ne derivano dall’acustica.
Occore tenere presente che:
• Il motore si riempie in modo diverso a seconda del regime (quindi la pressione, il rendimento di combustione cambiano ecc...);
• Lo scarico influisce implicitamente anche sul riempimento dei cilindri, e quindi sulla carburazione;
• Il flusso non è continuo ma pulsorio.

E' un discorso estremamente complesso ed organico con il resto del motore.Quindi il problema è stato semplificato imponendo una velocità di inlet sulle superfici di ingresso di ciascun componente e  variando la pressione all’uscita tra 2000 e 100000 Pa. La velocità della sezione è stata imposta ad un valore di 500 m/s così da essere in condizioni supersoniche per i gas combusti e valutare il comportamento al limite. Questo è ovviamente unicamente un ordine di grandezza e non pretende di essere il valore preciso delle velocità all'interno del condotto. Il fluido di lavoro è stato approssimato con aria e si è effettuata un’analisi del flusso interno. I risultati sono stati visualizzati con Cut Plots e Flow Trajectories che sono due tipologie di risultati nel menù della simulazione.

 

Fig. 1: Esploso del sistema dei collettori

 

 

COLLETTORE PRIMARIO ANTERIORE

Velocità sezione di ingresso: 500 m/s
Pressione di uscita: 2000 Pa e 100000 Pa

 

ANDAMENTO PRESSIONI E VELOCITA'

 

Fig.3: Andamento pressioni collettore anteriore (2000 Pa)

Fig.4: Andamento pressioni collettore anteriore (10000 Pa)

 

Fig. 5: Andamento velocità collettore anteriore (2000 Pa)

Fig. 6: Andamento velocità collettore anteriore (100000 Pa)

 

Si può notare che la zona di criticità maggiore, come prevedibile, si ha alla prima curvatura. Tuttavia essa non appare per nulla molto accentuata. Inoltre tra le due configurazioni le differenze non sono molto marcate nonostante il salto di pressione. L'andamento delle velocità appare costante per tutto il percorso e questa sembra essere una conferma della bontà della progettazione e dello scarico. In conclusione non pare esserci alcun problema per lo scarico anteriore.

 

 

COLLETTORE PRIMARIO POSTERIORE

Velocità sezione di ingresso: 500 m/s
Pressione di uscita: 2000 Pa e100000 Pa

 

Il collettore posteriore per un discorso di lunghezza, ingombro e per poter essere assemblato all’incrocio dei collettori viene realizzato con una curvatura maggiore rispetto quello anteriore. E’ infatti maggiormente interessante studiare il comportamento in quel punto.

 

Fig .7: Collettore tappato per permettere la simulazione

 

ANDAMENTO PRESSIONI E VELOCITA'

 

Fig. 8: Andamento pressioni collettore posteriore (2000 Pa)

Fig. 9: Andamento pressioni collettore posteriore (100000 Pa)

 

Fig. 10: Andamento velocità collettore posteriore(2000 Pa)

Fig. 11: Andamento velocità collettore posteriore (100000 Pa)

 

Si può notare che le pressioni raggiunte nel collettore posteriore, pur se con le stesse condizioni al contorno,
sono più elevate rispetto quello anteriore. Inoltre le velocità presentano un aumento generale ma ci si può ritenere soddisfatti per l’andamento delle velocità nella curvatura che rimane pressoché costante. Ciò che invece bisognerebbe approfondire è la variazione della pressione che cambia bruscamente in entrambi i casi nel percorrere la curva ad uncino.

 

INCROCIO COLLETTORI

Velocità Sezioni di ingresso: 500 m/s
Pressione di uscita: 2000, 100000 Pa

 

Fig.12: Cut Plot con isoaree pressioni (2000Pa)

Fig. 13: Cut Plot con isoaree pressioni (100000Pa)

 

Fig.14: Cut Plot andamento velocità (2000 Pa)

Fig. 15: Cut Plot andamento velocità (100000 Pa)

 

Fig. 16: Flow Trajectors pressioni (2000 Pa)

Fig.17: Flow Trajectors pressioni (100000 Pa)

 

Mentre dai Cut Plots non si notano variazioni eccessive delle velocità e delle pressioni tra le due configurazioni, dalle Flow Trajectors si può vedere come in questo caso, a differenza dei collettori, ciò che varia maggiormente sono le pressioni.
Dalle Flow Trajectors sembrerebbe che vi sia un andamento opposto tra la prima e seconda opzione.
Per quanto concerne le velocità dal Cut Plot relativo si può affermare che le zone a velocità nulla diminuiscono all’aumentare della pressione di uscita. L'incrocio dei collettori è anch'esso un punto estremamente critico, anche per le variazioni di pregetto di questo componente. Proprio per tale motivo questi risultati necessiterebbero di un ulteriore approfondimento.

 

 

CONCLUSIONI

La parte che presenta maggiori gradienti di velocità e pressione è la curvatura del collettore della testata posteriore. Questo era facilmente prevedibile, ma tramite questa analisi ne abbiamo avuto un'ulteriore conferma. Inoltre è stato possibile appurare che non vi sono problemi di altra natura nel resto dei collettori. L'analisi non è stata effettuata per il collettore secondario, dal momento che esso presenta una geometria semplice e non influisce in maniera così pesante sulle prestazioni del motore.