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Type: DISSERTAÇÃO DIGITAL
Degree Level: Mestrado
Title: Numerical simulation of unsteady flow inside single-cylinder engine's intake and exhaust manifolds : Simulação numérica de escoamento transiente dentro dos coletores de admissão e exaustão de motor monocilíndrico
Title Alternative: Simulação numérica de escoamento transiente dentro dos coletores de admissão e exaustão de motor monocilíndrico
Author: Gomes, Felipe Augusto Ferreira, 1991-
Advisor: Gallo, Waldyr Luiz Ribeiro, 1954-
Abstract: Resumo: As características do escoamento dentro dos coletores de admissão e escape influenciam diretamente o desempenho do motor e um modelo capaz de estimar seu comportamento se torna essencial. Vários modelos numéricos foram usados, de baseados em dados experimentais até modelos tridimensionais de alta complexidade. Porém, a abordagem não-viscosa unidimensional (1D) se mostrou como uma boa aproximação para o problema. Existem diversos métodos numéricos de diferentes graus de acurácia para aproximar um escoamento 1D transiente e compressível. Entre esses, o método das características (MC), que possui acurácia de primeira ordem, foi o primeiro método a ser aplicado em escoamento dentro dos coletores com resultados confiáveis. Outro método muito usado é dois passos de Lax-Wendroff (LW2), que possui segunda ordem de precisão nas regiões suaves do escoamento e soluções espúrias na presença de ondas de choque e superfícies de contato. A literatura indica que ambos os métodos apresentam resultados similares em relação ao desempenho do motor. Por essa razão, duas abordagens diferentes do MC; a abordagem clássica (MC-Winterbone) e a modificação feita por Payri (MC-Payri), e LW2 foram implementados e comparados entre si em simulações de tubos com área variável. No intuito de representar os coletores adequadamente, as condições de contorno mais comumente encontradas nos sistemas de admissão e escape foram implementadas. Essas são: extremo livre, conexões de tubos, válvula e válvula borboleta. Os modelos foram adicionados ao Simulador de Motores desenvolvido pelo Laboratório de Motores de Biocombustíveis (LMB) da Universidade Estadual de Campinas e comparados a trabalhos encontrados na literatura e com programas bem estabelecidos; OpenWAM e GT-Power. Os resultados no tubo de área variável mostraram que MC-Payri melhorou a conservação de massa e a qualidade das propriedades estimadas quando comparado ao MC-Winterbone, enquanto LW2 apresentou resultados consistentes contra OpenWAM. Todas as condições de contorno foram testadas separadamente para isolar seus efeitos no escoamento. Os modelos das conexões de tubos e da válvula apresentaram resultados praticamente idênticos aos do OpenWAM enquanto o modelo da válvula borboleta subestimou a queda de pressão comparado a dados experimentais para uma onda de pressão chegando na condição de contorno, apesar de ter capturado razoavelmente bem o seu comportamento. O LMB Simulador de Motores foi testado em uma simulação de um motor real e os resultados mostraram uma boa concordância qualitativa para potência e torque, mesmo com várias simplificações feitas na geometria dos coletores

Abstract: The flow characteristics inside intake and exhaust manifolds direct influence engine performance and a model capable of estimating its behavior becomes essential. Many numerical models have been used, from experimental based models to highly complex three dimensional models. However, the inviscid one-dimensional (1D) approach has shown to be a suitable approximation for the problem. There are many numerical methods of different levels of accuracy to approximate 1D unsteady compressible flow. Among them, the method of characteristics (MC), which has first order accuracy, was the first method to be applied to gas motion inside engine manifolds with reliable results. Another widely used method is the two step of Lax-Wendroff (LW2), which has second order accuracy on smooth regions of the flow and spurious solution in the presence of shock waves and contact surfaces. The literature indicates that both methods presented similar results regarding engine performance. For that reason, two different approaches for MC; the classical method (MC-Winterbone) and the modification made by Payri (MC-Payri), and LW2 were implemented and compared with each other in a tapered pipe simulation. In order to represent the manifolds properly, the most common boundary conditions encountered in gas exchange systems were implemented. These are open end, pipe junctions, poppet valve and throttle valve. The models were added to the Engine Simulator developed by the Laboratory for Biofuel Engines (LMB) in the University of Campinas and compared to works found in the literature and well-established software, OpenWAM and GT-Power. The results in a tapered pipe showed that MC-Payri improved the mass conservation and the quality of the estimated properties when compared to MC-Winterbone while LW2 presented consistent results against OpenWAM's. All the boundaries were tested separately to isolate its effect on the flow. Pipe junction and poppet valve models presented results almost identical to OpenWAM's while the throttle valve model under-predicted the pressure drop compared to experimental data for an incident pressure wave arriving at the boundary, although it captured fairly well its behavior. The LMB Engine Simulator was tested in a real engine simulation and the results showed a good qualitative agreement for power and torque, even though multiple simplifications were made to the geometry of the manifolds
Subject: Dinâmica dos gases
Motores de combustão interna
Métodos numéricos
Language: Inglês
Editor: [s.n.]
Citation: GOMES, Felipe Augusto Ferreira. Numerical simulation of unsteady flow inside single-cylinder engine's intake and exhaust manifolds: Simulação numérica de escoamento transiente dentro dos coletores de admissão e exaustão de motor monocilíndrico. 2019. 1 recurso online (148 p.). Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Mecânica, Campinas, SP.
Date Issue: 2019
Appears in Collections:FEM - Tese e Dissertação

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