Methodology for analysis of boundary conditions in order to increase accuracy associated to internal combustion engine CFD 3D models

Abstract

O uso de modelos para simulação de motores de combustão interna, com objetivo de desenvolver motores mais eficientes e menos poluentes, é prática comum tanto na indústria quanto nos centros de pesquisa. Modelos CFD 3D para motores de combustão interna são uma nova ferramenta para esta aplicação, contudo sua metodologia ainda precisa de algum desenvolvimento para produzir sistematicamente resultados confiáveis. Nesta tese, é apresentada uma metodologia para análise das condições de contorno implementadas em modelos CFD 3D de motores de combustão interna que utilizam o tratamento RANS para turbulência, sendo que esta metodologia deve ser capaz de produzir resultados confiáveis para diferentes condições de operação do motor utilizando sempre os mesmos valores para todas as constantes dos sub modelos relacionados a turbulência, "spray" e combustão. Para condições de contorno de pressão na admissão, uma correção é aplicada aos dados experimentais devido ao efeito do escoamento pulsante na admissão, enquanto para as temperaturas de parede, os resultados do modelo CFD 3D para coeficiente de transferência de calor são usados de forma iterativa desacoplada com um modelo de transferência de calor zero dimensional. A metodologia é aplicada a um motor monocilindro de pesquisa aspirado disponível no CTM-UFMG, utilizando etanol comercial, em relação ao qual informações sobre geometria e dados experimentais foram disponibilizados para esta pesquisa. Para o modelo CFD 3D utilizando dados experimentais como condição de contorno de pressão na admissão, os resultados obtidos para massa de combustível injetada, lambda e massa de ar aprisionada são comparados com dados experimentais, e é constatado excesso de ar para seis diferentes condições de operação do motor. Os resultados obtidos pelo modelo CFD 3D, utilizando pressão corrigida como condição de contorno na admissão, são apresentados para massa de combustível injetada, lambda e massa de ar aprisionada para todos os casos, usando dois tipos de condição de contorno de temperatura de parede calculados pelo modelo zero dimensional de transferência de calor. Para todos os resultados, a diferença em relação aos dados experimentais correlatos é sempre menor que a obtida pelo uso direto dos dados experimentais de pressão na admissão como condição de contorno. Os resultados do modelo CFD 3D utilizando pressão corrigida como condição de contorno na admissão também apresentam melhor correlação com dados experimentais correlatos em comparação com os obtidos pelo mesmo modelo usando diretamente dados experimentais para a mesma condição de contorno, em termos do comportamento da pressão dentro do cilindro ao longo do ciclo e da temperatura dentro do cilindro ao longo do ciclo. Conclui-se que para o motor monocilindro aspirado em análise, a correção da condição de contorno de pressão na admissão é obrigatória para a modelagem CFD 3D de motores de combustão interna utilizando tratamento RANS para turbulência.