CFD de motor de combustão interna com a solução In-Cylinder do Simcenter STAR-CCM+

A Solução In-Cylinder, um complemento do Simcenter STAR-CCM+, oferece um fluxo de trabalho específico para dentro do cilindro, que envolve entradas mínimas, pré-processamento simplificado e capacidades de pós-processamento automatizadas, todas construídas em torno de uma geração de grade totalmente automatizada, que se baseia em uma abordagem morph-map. Complementado por modelos líderes de classe (spray, filme líquido, ignição, combustão, emissões) e capacidades de exploração de design incorporadas, ele o ajuda a realizar simulações de CFD de motores de combustão interna de forma produtiva, permitindo que você preveja numericamente o próximo design de motor mais eficiente e mais poderoso.

Em um dos exemplos mais interessantes, ilustrado abaixo, foram estudados jatos de amônia e diesel em vários tempos e ângulos de injeção e, para certas condições, interação insuficiente ou muito forte dos dois sprays de combustível, por exemplo falha de ignição pode ocorrer. Poder contar com CFD para uma previsão precisa do fenômeno reduz a necessidade de testes extensivos e permite uma compreensão detalhada de como projetar um motor, no qual o cenário pode ser evitado.

Solução In-Cylinder no Simcenter STAR-CCM+

Embora todos ouçamos continuamente falar da eletrificação dos motores automóveis, a realidade é que o motor de combustão interna não desaparecerá tão cedo e será um elemento básico dos motores nas próximas décadas. O esforço para reduzir o tamanho do motor de combustão interna e a integração em plataformas de trem de força híbridas apresentam muitos novos desafios para o desenvolvimento de motores que só podem ser superados usando extensa simulação CFD.

A solução In-Cylinder, complementar ao Simcenter STAR-CCM+, permite que você execute facilmente simulações CFD precisas de motores no cilindro. As configurações padrão e a saída de pós-processamento criada automaticamente visam dar ao engenheiro um “início de funcionamento”: você não precisa ser um especialista em CFD para configurar e realizar uma das simulações de CFD mais desafiadoras do mercado!

Configuração de problemas simples

O complemento In-Cylinder abre uma interface mínima que mostra apenas as entradas necessárias para configurar uma simulação no cilindro, apresentando um fluxo de trabalho de cima para baixo: você começa no topo e desce através de vários níveis.

Você não precisa ser um usuário especialista do Simcenter STAR-CCM+ para configurar e executar simulações no cilindro usando o complemento, pois ele usa um fluxo de trabalho específico da aplicação e uma interface simplificada. No entanto, usuários experientes podem usar essas simulações no cilindro como ponto de partida para realizar simulações de motores multifísicas mais complicadas que exploram toda a gama de recursos de simulação do Simcenter STAR-CCM+.

A solução In-Cylinder foi desenvolvida especificamente para tornar a configuração rápida e fácil e deixar tempo para o analista gastar na engenharia da solução, em vez de configurar o problema com muitos quilômetros de mouse e cliques em botões. Desde a configuração rápida de injetores multifuros típicos que podem ser facilmente personalizados para direcionamento de pulverização, até a rápida seleção de combustíveis, até a configuração automática de resultados comuns de pós-processamento, como gráficos de penetração de líquidos e vapores e rastreamento de massa de combustível, o complemento foi projetado e desenvolvido para facilitar a configuração da simulação e permitir que os engenheiros obtenham o máximo valor do processo de simulação.

A geometria mostrada foi obtida do projeto DYNAMO (Dynamic Analysis Modeling and Optimization of GDI Engines) que foi parcialmente financiado pelo Advanced Propulsion Centre, Reino Unido.

Agora você tem a ferramenta e os recursos para configurar um modelo completo, meio ou de setor, para simular configurações de motor de quatro e dois tempos, tudo em apenas alguns minutos.

Malha automatizada

Esse complemento emprega um driver de simulação para executar um processo de movimento transitório de malha. Você só precisa criar uma única malha inicial, composta de células aparadas e camadas de prisma para capturar recursos de fluxo da camada limite. Todo o movimento da malha é cuidado automaticamente pelo código, que transforma e mapeia automaticamente a grade para levar em conta o movimento do pistão e das válvulas. A ferramenta realiza verificações de qualidade na malha à medida que ela se transforma, criando automaticamente uma malha nova e sem distorções quando necessário e mapeando os resultados da simulação nela.

A malha é automaticamente refinada em áreas críticas de acordo com as melhores práticas: ao redor da válvula, na sede da válvula, na garganta da válvula, até as portas e ao redor da folga da gaxeta. Isso é realizado automaticamente para cada simulação e não requer nenhuma intervenção manual do usuário. Por outro lado, os usuários têm controle completo sobre a configuração da malha e podem adicionar regiões adicionais de refinamento, por exemplo, ao redor de uma vela de ignição, conforme determinado pelo escopo de suas análises.

A abordagem de mapa morfológico empregada foi extensivamente testada e é altamente conservadora de massa para todas as aplicações práticas.

Usar a versão 2206 ou mais recentes também permite reutilizar malhas geradas e armazenadas. Isso elimina efetivamente o tempo de geração da rede a partir do segundo ciclo do motor, particularmente útil em estudos LES, onde muitos ciclos precisam ser simulados para capturar com precisão a variabilidade ciclo a ciclo. Cada estação de malha no ciclo é salva como um arquivo com extensão .CCM em um diretório de saída pré-especificado e o °CA no nome do arquivo atua como o identificador de malha. Esta abordagem é particularmente benéfica em estudos LES, onde é necessário simular um maior número de ciclos do motor para capturar com precisão a variabilidade ciclo a ciclo.

Na versão mais recente do Simcenter STAR-CCM+, você também pode incluir partes geométricas, que serão mescladas de forma estática, economizando assim o tempo que o morpher gastaria para se transformar e mapear a grade. Seja o plenum de admissão, o corpo de uma pré-câmara ou outro, essa funcionalidade é útil sempre que o movimento do vértice da célula não for importante. A grade pode ser mais grosseira nessas áreas, algo que antes apresentava alguns desafios. Observe que agora você pode se beneficiar de uma especificação simplificada de condições iniciais e de contorno, para essas partes, o que permite que você chegue à mesma configuração que normalmente exigiria até 3x mais cliques, ou seja, para incluir manualmente partes com malha estática. A ativação de filme líquido com partes estáticas não é suportada atualmente, mas será abordada em versões futuras.

Fluxo frio

Uma simulação no cilindro está entre as simulações CFD mais complexas que você pode realizar. A combinação de fluxos de alta velocidade, movimento de malha que exige um nível extremamente alto de conservação de massa e escalas de tempo muito pequenas (frações de um grau de ângulo de manivela normalmente precisam de intervalos de tempo na ordem de 1E-6 [s]) significa que muito é necessário na configuração e os números devem ser cuidadosamente selecionados para realizar execuções estáveis ​​com tempos de resposta razoáveis. Isso ocorre antes mesmo de começarmos a aplicar modelos físicos complexos, incluindo injeção de combustível líquido, por exemplo, pulverização Lagrangiana, interação gotícula-parede, filme de fluido de parede e combustão, por exemplo, ignição, propagação de chama, formação de emissões, detonação.

Por esse motivo, muitas simulações realizadas no início do processo de desenvolvimento concentram-se no chamado fluxo frio. Isto envolve modelar o processo transitório do fluxo de ar no cilindro, normalmente com o objetivo de maximizar a massa de ar aprisionada e examinar o movimento em massa – turbilhão e queda – que esse fluxo induz. Frequentemente, também observamos a evolução da turbulência para entender melhor o potencial de mistura de combustível e ar e, especificamente em motores de ignição por centelha, quais são os níveis de turbulência ao redor da vela de ignição no momento pretendido de ignição/início da combustão.

Avaliação do desempenho da porta de entrada transitória em condições de fluxo frio

Essa solução permite que você configure simulações de fluxo frio para motores multiválvulas com a configuração automatizada de movimento de malha, permitindo que você passe da geometria CAD bruta à simulação em execução em apenas alguns minutos.

Tanto URANS quanto LES podem ser empregados, dependendo do escopo exato de seus projetos de simulação e dos efeitos a serem capturados numericamente.

Movimento de Carga/Preparação de Mistura

Com o Simcenter STAR-CCM+ 13.04, foi dado um grande passo à frente com recursos para configurar e executar simulações de movimento de carga. Isso se baseia nas capacidades anteriores de fluxo a frio, incluindo a configuração da injeção de combustível líquido e a modelagem do processo de mistura subsequente. As simulações de movimento de carga permitem que os fabricantes de motores melhorem a qualidade da combustão, controlando a mistura do ar induzido com o combustível injetado, identificando e retificando regiões de mistura rica ou pobre, especialmente em partes críticas do ciclo, como quando o pistão se aproxima do PMS e durante a ignição por centelha. Este último é especialmente importante nos atuais projetos de injeção direta, nos quais a injeção de combustível diretamente no cilindro tem um grande impacto no fluxo e no nível de turbulência – o conhecimento fornecido pela simulação é mais importante do que nunca.

Outro papel crítico que uma simulação de movimento de carga geralmente desempenha é a avaliação da potencial formação de emissões nocivas. Novamente, idealmente, queremos alcançar uma mistura de combustível e ar de alta qualidade, especialmente desafiadora em sistemas de injeção direta, nos quais, em pontos de operação de alta carga, há injeção de combustível durante grandes períodos do ciclo do motor. A simulação nos diz não apenas onde temos bolsões de carga pobres e ricos, mas também com que rapidez o combustível líquido está evaporando, quanto está impactando as superfícies do cilindro e se está formando películas ou poças nessas superfícies. Todos estes atuam como indicações da magnitude da formação de emissões prejudiciais que, a menos que sejam de alguma forma mitigadas, terão de ser “limpas” a jusante do motor, utilizando dispendiosos dispositivos de pós-tratamento na linha de escape.

Ao longo dos anos, os OEMs desenvolveram grandes bancos de dados para diretrizes de projeto baseadas puramente no movimento da carga, usando apenas o movimento em massa dentro do cilindro, métricas de qualidade da mistura de combustível e ar e níveis de turbulência ao redor da vela de ignição que lhes dizem se a combustão está indo para sejam bons ou não, economizando um tempo valioso de engenharia, especialmente nos estágios iniciais de projeto de um sistema de combustão.

Uma ampla variedade de modelos de ruptura, impacto na parede de gotículas e filmes líquidos fornecem o conjunto de ferramentas necessário para que os usuários tenham sucesso neste tipo de simulações, antes de realizar estudos mais avançados de combustão. Além disso, as propriedades dependentes da temperatura aplicadas por padrão nas versões 2210 ou mais recentes reduzem significativamente a interação manual:

No que diz respeito à alta fidelidade na simulação de sprays de combustível, adotar propriedades constantes está longe de ser suficiente. O fardo para o usuário, no entanto, de alternar manualmente as propriedades da fase Lagrangiana para valores dependentes da temperatura é bastante alto. Usando a solução In-Cylinder, esta etapa é automatizada ao fazer uso de dados armazenados em um banco de dados, sendo enviados com o software.

O benefício fica mais aparente em gráficos como o da direita. Capturar com precisão a preparação da mistura é de extrema importância para se ter a mistura correta de combustível e ar antes de prosseguir para as etapas de combustão no cilindro. A massa do combustível é representada aqui com propriedades constantes versus propriedades dependentes da temperatura.

Combustão, Detonação e Emissões

A solução In-Cylinder oferece recursos de combustão, por exemplo, ECFM-3Z e ECFM-CLEH, um modelo de ignição avançado (ISSIM), bem como um modelo padrão, modelos de detonação (Ignição Cinética Tabulada - TKI), complementados por modelos de emissão, como como modelos de emissão de CO, NORA NOx e fuligem, por exemplo Método Seccional de Fuligem. Com três lançamentos por ano, foram aumentadas continuamente a amplitude de capacidades com mais opções e submodelos de modelos de combustão de alta classe para capturar e prever emissões.

Sendo o crescente interesse na modelagem de combustíveis alternativos/sem carbono o fator determinante, todos os modelos de combustão oferecidos no código são totalmente compatíveis com qualquer combustível do tipo CxHyOzNw, como hidrogênio (H₂) e amônia (NH₃).

Em pontos operacionais e condições de pressão/temperatura mais extremos, certas suposições que eram válidas anteriormente, como a lei dos gases ideais, podem não ser mais válidas. Para garantir a segurança, o gás real usando o modelo Redlich-Kwong, oferecido na ferramenta, ajuda os usuários a prever com precisão os efeitos que a lei dos gases ideais não consegue, como forças de Van der Waals, compressibilidade e efeitos termodinâmicos de desequilíbrio, capacidade de calor específica variável etc.

Para gerar informações úteis sobre o projeto da câmara de combustão sem depender de um modelo detalhado, o modelo Specified Burn Rate (Wiebe) pode ser empregado, especificando a taxa de queima através de um fator de forma juntamente com a duração da combustão. A abordagem também pode ser usada para gerar condições de contorno de transferência de calor para uso em uma análise CHT de motor.

O gráfico mostra uma curva de pressão do cilindro de um motor diesel industrial de 4 tempos. Aqui, a aplicação do modelo de gás real melhora a previsão da pressão do cilindro para condições de operação com carga parcial e plena, com a pressão de pico mais próxima dos dados de teste.

Propagação de chama simulada com solução Simcenter STAR-CCM+ In-Cylinder

A modelagem de combustão e emissões, em alguns casos, requer bibliotecas de química pré-tabelada. Em vez de gerá-los usando DARS ou ferramentas de terceiros – ou fazer uso de tabelas para combustíveis padrão disponíveis no Centro de Suporte – os usuários agora podem aproveitar as vantagens dos geradores de tabelas ECFM, nas versões 2210 ou mais recentes: a capacidade de gerar tabelas para velocidade laminar da chama, detonação do motor, fuligem, equilíbrio, este último necessário em simulações com o modelo de combustão ECFM-CLEH.

Isso proporciona flexibilidade adicional, eliminando a dependência de ferramentas externas.

Transferência de Calor Conjugado (CHT)

Indo além das simulações padrão, com redução de tamanho para eficiência nos projetos de motores atuais, o gerenciamento térmico eficaz é fundamental. Projetos que atingem níveis máximos de eficiência térmica sem exceder os limites térmicos do projeto são estudados usando simulações de transferência de calor conjugada de motor completo.

A complemento In-Cylinder também fornece um ambiente de usuário único para simular tanto o lado fluido quanto o sólido, ou seja, os modelos CHT no cilindro e no motor. A troca de condições de contorno de transferência de calor entre os dois modelos, bem como a capacidade de automatizar o fluxo de trabalho, são pontos que podem ser realizados de forma direta:

É oferecida aos usuários uma maneira automatizada de calcular e exportar dados de transferência de calor limite com média de ciclo (coeficientes médios de transferência de calor espacial e temperaturas de referência), o que, por sua vez, permitirá que condições de limite térmico sejam aplicadas em uma análise CHT subsequente do motor. O fluxo de trabalho torna-se, portanto, significativamente mais simplificado e eficiente.

Tradicionalmente, a abordagem in-cylinder/CHT exigia o uso de vários pacotes CFD. Os diferentes formatos de arquivo necessários e o mapeamento de dados entre pacotes de software sempre representaram desafios operacionais. Agora que a análise CHT acoplada no cilindro/motor pode ser realizada inteiramente no Simcenter STAR-CCM+, o processo geral é bastante simplificado e permite a automação do ciclo de simulação combinado por meio de scripts JAVA.

Fluxo de trabalho/pós-processamento

O fluxo de trabalho específico da aplicação da solução Simcenter STAR-CCM+ In-Cylinder requer entradas mínimas do usuário, diminuindo assim os tempos gerais de resposta. Diversas funcionalidades permitem um pré e pós-processamento contínuo de simulações no cilindro. Apenas um pequeno subconjunto deles é retratado aqui.

O complemento apresenta aos usuários uma lista agrupada de objetos de UI , diminuindo “quilômetros de rolagem do mouse” para encontrar o objeto de interesse. O uso de subpastas permite a categorização com base na parte do domínio (cilindro, portas/válvulas) ou natureza (malha, solução, física). O benefício disto será ainda mais aparente em caixas multicilindros, planejadas para serem incorporadas em versões futuras.

A geração/exportação de cópias impressas de enredos e cenas, capacidade que permite aos usuários personalizar totalmente o nome do arquivo, resulta em uma lista de arquivos já em ordem cronológica, com °CA/degCA como indicador direto. Consequentemente, a lista também pode ser usada para geração de vídeo sem conversão manual de nomes de arquivos de imagem.

Outra funcionalidade útil, Modo Cíclico de gráficos, permite visualizar dados em um padrão cíclico, particularmente útil em análises dentro do cilindro. Aproveitar o recurso permite que os usuários do complemento comparem os ciclos do motor traçando as curvas 2D (XY) correspondentes umas sobre as outras, destacando as diferenças imediatamente; isto é, sem qualquer forma de interação manual, uma vez que o modo está ativo por padrão em todas as parcelas relevantes.

Finalmente, com outro recurso de pós-processamento útil e recém-introduzido, a visualização das taxas de liberação de calor integradas, fração de massa queimada (MFB) 10-50 ou 90%, bem como a duração da combustão, está a zero cliques de distância, eliminando assim produtividade para o próximo nível. Pare de exportar curvas de liberação de calor e de realizar cálculos tediosos manualmente, em planilhas, para avaliar o desempenho do projeto do seu motor. Todos os objetos da árvore necessários para avaliar essas quantidades são gerados automaticamente.

Exploração automatizada de design

Liberando o poder do Simcenter STAR-CCM+ como plataforma, com a ferramenta integrada Design Manager, os usuários podem aproveitar os recursos de automação, escalabilidade e flexibilidade da plataforma para executar estudos de projeto de maneira fácil e rápida, a fim de otimizar seus motores para a próxima geração.

Além disso, como o complemento In-Cylinder cria automaticamente um modelo paramétrico, você está a apenas alguns cliques do mouse para varrer facilmente diversas condições operacionais para entender o movimento em massa e a turbulência em diferentes velocidades e cargas.

Uma troca de geometrias também foi introduzida, permitindo fácil configuração de estudos de variação de projeto geométrico e a reutilização da configuração de simulação existente em outra geometria.

Validação contra experimentos

Tanto a solução In-Cylinder quanto o Simcenter STAR-CCM+ foram extensivamente validados para simulações de motores, usando projetos de motores proprietários e de domínio público. Um exemplo é a validação do Motor de Combustão Interna Óptica da Câmara de Combustão Transparente III (TCC-III) da Universidade de Michigan, que é um motor de ignição por centelha de 2 válvulas, 4 tempos, com uma câmara de combustão em forma de panqueca.

Os resultados demonstram excelente correlação com variáveis ​​termodinâmicas globais, incluindo massa, pressão e temperatura aprisionadas no cilindro, e, em comparação com a visualização da plataforma experimental, as principais características do campo de fluxo também são bem capturadas.

Outro estudo de validação detalhado foi conduzido com o departamento de pesquisa e desenvolvimento da Daimler AG, comprovando excelente correlação entre medições PIV de alta velocidade/alta resolução e previsões do Simcenter STAR-CCM+ em uma configuração de motor GDI de última geração.

Comprometido com o mercado de motores IC

A Siemens Digital Industries Software é totalmente dedicada ao mercado de simulação de motores IC, reconhecendo que os motores de combustão interna vieram para ficar e que somente a simulação avançada pode fornecer os motores mais limpos e eficientes que a sociedade merece.

Como parte do Simcenter STAR-CCM+, o complemento In-Cylinder recebe atualizações três vezes por ano e continuaremos a adicionar recursos que abordam essas simulações.

A qualquer momento, uma equipe dedicada de excelentes especialistas em CFD de motores estará presente para apoiá-lo, resolvendo até mesmo os problemas mais difíceis de CFD em cilindros.

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