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http://hdl.handle.net/1843/BUOS-9UPPEA| Type: | Dissertação de Mestrado |
| Title: | Caracterização do escoamento de ar em um motor de combustão interna utilizando mecânica dos fluidos computacional |
| Authors: | Leonardo Guimaraes Fonseca |
| First Advisor: | Ramon Molina Valle |
| First Co-advisor: | Rudolf Huebner |
| Abstract: | A caracterização do escoamento transiente de ar dentro de um cilindro de um motor de combustão interna utilizando a mecânica dos fluidos computacional, aliada ao método dos volumes finitos é apresentada. Parâmetros do escoamento do motor são analisados para várias condições de operação, visando determinar as melhores condições para otimizar o desempenho do motor. A movimentação do pistão e das válvulas é simulada através da movimentação da malha gerada pelo módulo especializado ES-ICE do software comercial STAR-CD, o que possibilita o cálculo do escoamento transiente durante o ciclo completo do motor. O modelo de turbulência RNG k- é escolhido para a simulação do escoamento turbulento, por seu bom desempenho na descrição do escoamento dentro do cilindro em diversos trabalhos da literatura quando seus resultados são comparados com dados experimentais, e também por apresentar um tempo computacional relativamente reduzido. Um procedimento de independência de malha é utilizado com o objetivo de apresentar resultados confiáveis em todo o intervalo de análise. A malha com o pistão no ponto morto inferior é escolhida como referência do ciclo de análise para avaliação do refinamento de malha e os resultados de velocidade média em planos específicos são utilizados para verificar a qualidade dos resultados entre as diversas malhas, escolhendo aquela que apresenta a melhor relação custo benefício entre gasto computacional e qualidade dos resultados. A validação dos resultados é feita através da comparação entre resultados obtidos pelo modelo para um motor monocilindro de pesquisa, e resultados experimentais obtidos para o mesmo motor nas mesmas condições de funcionamento. São realizadas simulações dinâmicas do escoamento em um cilindro para um conjunto de oito velocidades de rotação do motor, sendo simulados para cada rotação os valores de 0°, 30° e 60° do ângulo de cruzamento de válvulas. O objetivo é determinar as características do escoamento e a quantidade de ar admitida no cilindro durante o processo de admissão e analisar o tumble e swirl durante os processos de admissão e compressão para cada um dos ângulos de cruzamento analisados. Os resultados mostram claramente a característica do escoamento dentro do cilindro, indicando que o motor apresenta um swirl médio como vórtice predominante em todos os casos analisados. O vórtice do tipo tumble apresenta a segunda maior intensidade média para a maioria dos casos, enquanto a intensidade média do vórtice de cross tumble é importante apenas para alguns casos. Dentre os valores do ângulo de cruzamento analisados, o valor de 30° apresenta os melhores resultados médios, tanto na intensidade e estabilidade do vórtice de swirl, quanto no rendimento volumétrico do motor, sendo este ângulo o que apresenta maior probabilidade de oferecer maiores eficiências de combustão. Os resultados mostram como a mecânica dos fluidos computacional pode auxiliar na avaliação destas grandezas, que são importantes para o desenvolvimento de motores de combustão interna. |
| Abstract: | In cylinder transient flow field characterization of an internal combustion engine using computational fluid dynamics solved by finite volume method is presented. In cylinder cold flow parameters are analyzed for a number of engine operation conditions attempting to determine which the best ones for engine performance optimization are. Expert system ES-ICE is used to generate moving mesh and simulate piston and valves movements, thus allowing the calculation of full transient flow field during the entire engine cycle. Turbulence model RNG k- is selected for turbulence calculation, once it has good performance in describing in cylinder flow field over many papers of the literature when its results are compared to experimental data, and also for its relatively low computational demanding. A grid independence proceeding is used in order to present reliable results for the entire analysis. The bottom dead center mesh is chosen as reference of the analysis period for mesh refinement, and the results for velocity average at specific sections are used to verify the quality of the results through different meshes and choose the one with best compromising between quality of results and computational demand. Validation is achieved applying the model to a single cylinder research engine and comparing its results with experimental ones obtained at the same research engine. Simulations of the transient in cylinder flow field are made for eight engine crankshaft rotational speeds, and for each speed three values of valve overlapping are also simulated, namely 0, 30 and 60 crank angle degrees (CAD). The main objective is to characterize the in cylinder flow in terms of vortex intensity during intake and compression strokes, amount of air trapped into the cylinder and analyse tumble and swirl for each one of the valve overlapping angles mentioned. Results show the characteristic of the flow field inside the object cylinder, which has average swirl as its main vortex for all operation conditions under analysis. Tumble vortex has the second average intensity for the major cases; meanwhile the cross tumble vortex average value is important only for a few cases. Among the valve overlapping comparison, 30 CAD shows the best average results, as for intensity and stability of swirl vortex, as for volumetric efficiency, thus it is the one which has the greater probability to offer greater combustion efficiency. It can also be seen through the results how CFD can aid the evaluation of those important quantities for any internal combustion engine. |
| Subject: | Motores de combustão interna Engenharia mecânica |
| language: | Português |
| Publisher: | Universidade Federal de Minas Gerais |
| Publisher Initials: | UFMG |
| Rights: | Acesso Aberto |
| URI: | http://hdl.handle.net/1843/BUOS-9UPPEA |
| Issue Date: | 24-Oct-2014 |
| Appears in Collections: | Dissertações de Mestrado |
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| leofonseca_2014_caracterizacao_do_escoamento_de_ar_em_um_motor_de_combustao__interna_utilizando_mecanica_dos_fluidos_compu_1.pdf | 3.54 MB | Adobe PDF | View/Open |
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