Além da lubrificação: Revelando o acoplamento térmico no Simcenter STAR-CCM+ SPH
- há 19 horas
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Ao mencionar óleo, a maioria das pessoas pensa em atrito; afinal, para que algo se mova livremente, adiciona-se óleo às superfícies. Quando pensamos em óleo em carros, a maioria pensa em motores, engrenagens e seu funcionamento suave. Mas o óleo tem um benefício duplo: devido à sua alta condutividade térmica e alta capacidade térmica específica, ele se torna um refrigerante muito eficaz. Seja nos jatos de refrigeração que impedem o derretimento dos pistões, no óleo da caixa de câmbio que dissipa o calor residual das engrenagens ou no óleo pulverizado em motores elétricos.
Simular essas aplicações de óleo com CFD é um desafio, e embora o Simcenter STAR-CCM+ já permitisse lidar com elas por meio do Hybrid Multiphase há algum tempo, isso pode ser um processo computacionalmente bastante custoso, especialmente nas fases iniciais do projeto. Com a versão 2606, o Simcenter STAR-CCM+ adiciona um grande salto em capacidade ao solver Smoothed Particle Hydrodynamics (SPH), permitindo iterações mais rápidas sem perda de fidelidade. Como uma aplicação fundamental, neste blog, focaremos no papel vital que o óleo desempenha em motores elétricos.
Entendendo a geração de calor em motores elétricos
Os motores elétricos convertem energia elétrica em energia mecânica com incrível eficiência (94% ou mais), mas ainda assim há perdas. Um motor de veículo elétrico de 200 kW perde aproximadamente 12 kW, principalmente na forma de calor. O que acontece exatamente se não gerenciarmos esse calor adequadamente? Altas temperaturas são particularmente prejudiciais aos enrolamentos. A resistência do cobre aumenta com a temperatura, levando a maiores perdas de energia e à geração de mais calor. O isolamento dos enrolamentos também possui uma classificação térmica, e excedê-la leva à degradação prematura. A densidade de fluxo dos ímãs permanentes também diminui com a temperatura, impactando o torque.
O calor tem origem em duas fontes principais: perdas por efeito Joule nos enrolamentos e perdas no núcleo do motor. As perdas por efeito Joule ocorrem quando a corrente elétrica flui pelos enrolamentos do motor.
Uma demonstração simples da geração de calor através de perdas Joule (também conhecidas como perdas ôhmicas).
Como essas perdas são proporcionais ao quadrado da corrente, elas podem aumentar rapidamente. Para mitigar isso, há uma tendência crescente em direção a arquiteturas de tensão mais alta (400 V ou 800 V), que reduzem as perdas relacionadas à corrente — embora isso implique em componentes significativamente mais caros.
As perdas no ferro, por sua vez, resultam tanto de correntes parasitas quanto de histerese nos núcleos do estator e do rotor. As correntes parasitas são correntes elétricas induzidas dentro do núcleo magnético que se opõem à variação original do fluxo, levando à dissipação de energia na forma de calor. As perdas por histerese ocorrem à medida que o material do núcleo se reorienta continuamente para acompanhar a direção do campo magnético que muda rapidamente, sendo a energia necessária para essa reorientação também convertida em calor. Finalmente, também existem pequenas perdas por atrito nos mancais e no movimento do rotor.
Mantendo a calma, de forma eficiente
Agora que sabe de onde vem o calor e todos os problemas que ele pode causar, o que pode-se fazer a respeito? Na prática, enquanto um motor simples como um alternador pode ser refrigerado a ar com um design de traseira aberta, os motores de veículos elétricos dependem de refrigeração líquida para manter as temperaturas sob controle. As camisas de água-glicol funcionam da mesma forma que as de um cabeçote de cilindro, e a água tem uma condutividade térmica e capacidade térmica específica muito maiores do que o óleo. No entanto, como o óleo é dielétrico, ele pode ser pulverizado diretamente nas partes mais quentes do motor, tornando-o uma ordem de magnitude mais eficaz do que uma camisa de água. O óleo de engrenagem também é conveniente de usar, pois pode lubrificar adicionalmente os rolamentos e outros componentes da transmissão em uma Unidade de Acionamento Elétrico (EDU).
Qual seria a solução perfeita, então? Bem, a busca contínua por eficiência na transmissão exige menor peso: menos massa do sistema significa menos energia necessária para acelerar e desacelerar, menor consumo geral de energia e, o que é fundamental para a maioria dos compradores, maior autonomia. Aumentar a densidade de potência do sistema significa proporcionalmente menos material, o que significa menor capacidade térmica e menor inércia térmica. As peças mais quentes aquecem mais rapidamente, sem a capacidade de dissipar o calor. Isso impõe demandas crescentes ao sistema de arrefecimento para absorver e distribuir o calor.
Infelizmente, a redução de peso também se aplica ao volume de óleo. Diminuir o volume de líquidos também reduz a massa dinâmica, mas à custa da capacidade do sistema de arrefecimento. Isso significa que os engenheiros precisam garantir que cada gota preciosa de líquido refrigerante seja usada da forma mais eficiente possível para extrair o máximo desempenho do sistema de arrefecimento.
Considerando um cenário de sobrecarga térmica em que o motor produz alto torque e baixa potência (imagine dirigir um veículo carregado em uma subida íngreme), o objetivo é identificar áreas com falta de líquido refrigerante e prever o aumento geral da temperatura do sistema. Se focar no resfriamento por aspersão, típico na maioria dos veículos elétricos da geração atual, diversas configurações de jatos estacionários e rotativos são empregadas para resfriar os enrolamentos. No entanto, o desafio reside na grande diferença entre as escalas de tempo dos fenômenos de fluxo e térmicos. Enquanto puder analisar detalhes dos jatos de óleo na ordem de milissegundos, atingir o equilíbrio térmico pode levar minutos.
Simulação térmica e SPH – física acoplada facilitada
O SPH é uma ferramenta fantástica para capturar fluxos de óleo violentos em transmissões. Capturar a interação fluido-térmica adiciona outra camada de complexidade. Normalmente, a solução desse problema com simulação SPH dependia de simular um curto período e depois extrapolar a transferência de calor ao longo do tempo, ou mapear simulações separadas, com exportação manual dos Coeficientes de Transferência de Calor (HTCs) a cada troca de dados. Isso pode funcionar para algumas simulações, mas torna-se tedioso e propenso a erros ao tentar fazer isso para um estudo de projeto completo. É possível melhorar a situação com alguma integração de scripts, mas hoje em dia, tempos de desenvolvimento de veículos elétricos mais curtos são vistos como uma vantagem competitiva. Tem que haver uma maneira melhor.
O Simcenter STAR-CCM+ 2606 resolve esse desafio permitindo que o solver SPH se acople diretamente ao solver de energia do Simcenter STAR-CCM+ para simulação de transferência de calor conjugada. Agora você tem acesso à física avançada e às condições de contorno disponíveis no solver de energia, juntamente com sua simulação SPH, em um único ambiente. Isso permite a modelagem completa da evolução da temperatura do fluido, da transferência de calor nas paredes e da evolução da temperatura do sólido em uma simulação totalmente acoplada. Ambas as simulações são configuradas no mesmo ambiente Simcenter STAR-CCM+, proporcionando um fluxo de trabalho familiar e consistente.
Comparação do coeficiente de transferência de calor por convecção em função da velocidade de entrada entre o Simcenter STAR-CCM+ SPH e experimentos. Fonte: Kekila et al, 2019, NREL/CP-5400-74284
Alternativamente, as Operações de Simulação podem ser usadas para escalonar as simulações de fluidos e térmicas e capturar escalas de tempo mais longas. O que antes exigia scripts agora pode ser feito facilmente com alguns cliques no Simcenter STAR-CCM+ SPH. Essa funcionalidade proporciona previsões mais confiáveis para simulações de resfriamento, elimina a transferência manual de dados e permite um pós-processamento contínuo sem a necessidade de trocar de ferramenta.
Extensão do SPH com multifísica e acoplamento térmico-eletromagnético-CFD
As perdas no ferro são frequentemente assumidas como constantes em uma simulação termofluidodinâmica, quando, na realidade, estão fortemente relacionadas à temperatura. Para capturar esse efeito, normalmente seria necessário um procedimento complexo de mapeamento entre ferramentas distintas. No Simcenter STAR-CCM+, é possível ativar o solver eletromagnético e integrá-lo ao loop de Operações de Simulação. Dessa forma, as perdas podem ser atualizadas com base na nova distribuição de temperatura à medida que o óleo se propaga e a temperatura evolui, tudo internamente no Simcenter STAR-CCM+.
A distribuição assimétrica do óleo de arrefecimento é determinada pelo ângulo de enrolamento e pelo impacto resultante no arrefecimento (HTC). O alinhamento individual dos jatos de óleo externos é uma forma de resolver esse problema, uma tarefa que se torna muito mais fácil com a otimização.
Agora, a simulação captura os efeitos combinados do problema. Na introdução, foi mencionado que o óleo deveria ser utilizado da forma mais eficiente possível para extrair o máximo desempenho do sistema de refrigeração. Com os resultados obtidos, é possível analisar o comportamento do sistema e alterar o número de jatos, sua localização, diâmetro e ângulo, a fim de otimizar a molhagem das bobinas e maximizar a transferência de calor. Com uma abordagem sem malha para a simulação de fluidos, esse tipo de alteração se torna muito mais simples de implementar e iterar. Também é possível utilizar o Simcenter HEEDS para realizar essas alterações automaticamente em um estudo e otimizar o comportamento de molhagem.
Otimização da orientação do bocal para projetos selecionados, baseada em simulação SPH, visando obter molhabilidade otimizada. Fonte: InDesA
Simulação SPH de ângulos de bico otimizados para máxima molhagem da superfície e eficiência de resfriamento. Fonte: InDesA
A simulação deve ir além do óleo
Embora o foco tenha sido direcionado aos motores elétricos, independentemente do motor que impulsiona o veículo, sua eficiência e desempenho confiável dependem do óleo. Garantir que o projeto forneça óleo suficiente aos locais corretos e em quantidade adequada para evitar falhas no sistema depende da simulação. A obtenção de previsões precisas requer solvers de fluxo e energia fortemente acoplados. Para que essas previsões sejam realizadas com rapidez suficiente para acompanhar o ciclo de projeto, são necessárias integração perfeita e recursos de otimização integrados.
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