Análise numérica e experimental do escoamento em motores de combustão interna

Abstract

O objetivo do trabalho é o desenvolvimento e a validação de metodologias para simular o comportamento dinâmico do escoamento e da transferência de calor em motores de combustão interna. O trabalho está dividido em duas partes. Na primeira parte, para caracterizar o sistema de admissão de motores de combustão interna, foi fixada a pressão na descarga em diferentes aberturas de válvulas em regime permanente. As análises foram realizadas a partir do coeficiente de descarga. Os dados numéricos foram obtidos utilizando o código comercial de volumes finitos Fluent e comparado com resultados experimentais. O escoamento turbulento foi resolvido com o modelo de viscosidade turbulenta k-ε e k-ε RNG, com aproximação de alto Reynolds e tratamento padrão nas regiões próximas às paredes. O estudo da independência de malha foi realizado partindo-se de uma malha tetra-prisma com subcamadas de 0,02 mm para assegurar o tratamento adequado na parede. Por fim, foi realizada uma análise em regime transiente, comparando-se os resultados do coeficiente de descarga com a utilização de tratamento híbrido e padrão nas zonas próximas às paredes. Como resultado, obteve-se boa concordância entre essas formas. Na segunda parte, é feita uma análise do escoamento transiente na admissão e no interior do cilindro em um motor padrão CFR. O motor foi tracionado com um motor elétrico a 200 rpm sem combustão. Neste, foram empregadas soluções numéricas com a utilização do código comercial em volumes finitos StarCD es-ice, com malha móvel hexaédrica. Os resultados experimentais do coeficiente de descarga, pressão e temperatura foram comparados durante o ciclo. O escoamento turbulento foi resolvido com o modelo de viscosidade turbulenta k-ω SST, com aproximação de baixo Reynols e tratamento híbrido nas regiões próximas às paredes. O estudo da independência de malha foi realizado a partir do coeficiente de descarga na máxima velocidade do êmbolo a 75 graus após o ponto morto superior do ciclo de admissão. Os resultados revelaram a formação de swirl, tumble e cross-tumble e a evolução destes durante o ciclo, como uma informação importante para o desenho da geometria dos coletores de admissão e de escape nos motores de combustão interna. Foi detectada a presença de recirculações nos coletores e no cilindro. Estas foram discutidas ao longo dos resultados.

The objective of the present work is to develop and validate methodologies to simulate the flow dynamics and heat transfer in internal combustion engines. The work is composed by two parts. In the first one, the intake systems of internal combustion engines are simulated considering the steady flow, with fixed pressure drops across the system, at different valve lifts. A discharge coefficient is calculated, based on numerical solutions using the Fluent 6.3 commercial Finite Volumes CFD code and compared with experimental results. Regarding the turbulence, computations are performed with Eddy Viscosity Models k-ε, in its High- Reynolds approach and k-ε RNG variant was also tested. A detailed mesh independence study was performed, arriving in a submillimeter mesh of 523000 tetra-prism cells, including an extrusion layer of 0.02 mm, to assure an adequate wall treatment. This analysis was made considering a transient flow, comparing the results of the discharge coefficient using hybrid treatment and standard in the near wall region, with good agreement. The second part of the present work focuses on a transient flow that occurs in the intake system and inside cylinder of a standard CFR (Cooperative Fuel Research) engine. As a first step the engine has no combustion, but is driven by an electrical motor that provides the desired angular velocity, in this case 200 rpm. Numerical solutions using the StarCD es-ice commercial Finite Volumes CFD code are performed, applying moving hexahedral trimmed meshes, and compared with experimental results of discharge coefficient, pressure and temperature in the cylinder. Regarding the turbulence, computations were performed with Eddy Viscosity Models k-ω SST, in its Low Reynolds approach with hybrid treatment near the walls. A mesh independence study was performed through discharge coefficient, in the maximum piston velocity, at 75 degrees after top dead center. The results revealed the presence of the swirl, tumble and cross-tumble flow patterns, important informations for the design of internal combustion engines. The presence of recirculation at the port and inside the cylinder is detected and discussed in detail.