4.docx

3. KORIŠTENJE CFD - A ZA OPTIMIZACIJU MODELA Računarska dinamika fluida (CFD - Computational Fluid Dynamics) ima ogroman potencijal za industriju u 21. stoljeću. CFD tehnika temelji se na numeričkim rješenjima temeljnog upravljanja jednačinama dinamike fluida, odnosno jednačine kontinuiteta, momentne i energetske jednačine. CFD je prethodno bio uspješan u rješavanju mnogih složenih inžinjerskih problema. Mehanika kontinuuma, jedna od najuspješnijih fizičkih teorija, lako se primjenjuje na procesne industrije. U mehanici kontinuuma zanemaruje se postojanje molekula, a materija se tretira kao kontinuirani medij. Hipoteza kontinuuma vrijedi pod uslovom da se jednačine mehanike kontinuuma primjenjuju na dovoljno velikim dužinskim i vremenskim skalama tako da se osobine pojedinačnih molekula mogu zanemariti. Dodjeljivanje zakona održanja mase, momenta i energije kontinuumu rezultuje poljima jednačina koje opisuju dinamiku kontinuuma. Ova polja jednačina, poznata pod nazivom jednačine kretanja, jednačine promjena ili jednostavno jednačine održanja su nelinearne parcijalne diferencijalne jednačine koje se u principu mogu riješiti u kombinaciji sa odgovarajućim konstitutivnim informacijama i graničnim uvjetima. [5]. Numeričko rješavanje jednačina promjena važna je tema istraživanja već desetljećima kako u mehanici čvrstog tijela tako i u mehanici fluida. Mehanika čvrstog tijela je daleko jednostavnija od mehanike fluida. Zbog nedostatka nelinearnog pojma konvekcije, metoda konačnih elemenata postala je standardna metoda. Međutim, u mehanici fluida metoda konačnih elemenata prvenstveno se upotrebljava za laminarne tokove, a druge metode kao što su metoda konačnih razlika ili volumena se koriste i za laminarne i za turbulentne tokove. Sve ove metode uključuju aproksimaciju jednačina polja definisanih preko kontinuirane domene preko diskretizovanih jednačina povezanih sa konačnim skupom diskretizovanih tačaka unutar domene koju određuje korisnik, direktno ili kroz automatizovani algoritam. Za primjenu opće namjene CFD - a potrebna su 4 koraka. Prvo, domena mora biti definisana. To se odnosi na izradu geometrije za problem, što se obično vrši pomoću računarski potpomognutog dizajna (CAD). Unutar toga se definiše relevantna fizika, specificiraju se odgovarajući modeli, određuju granice i početni uslovi. Budući da se jednačine održanja i konstitutivne jednačine moraju diskretizovati na određenoj geometriji, diskretizacija domene mora biti specificirana. Ovaj proces poznat kao umrežavanje ili generisanje mreže je drugi korak u primjeni CDF - a. Mreženje se može postići pomoću dva osnovna protokola: struktuirano mreženje - što uključuje stvaranje sklopa pravilnih redova, obično heksaedara (četverostranih u dvije dimenzije) i nestruktuirano mreženje - što uključuje primjenu geometrije kontrolnim volumenom, često tetraedrima i prizmama, na nepravilan način. Nestruktuirani mrežni generatori su obično jednostavniji za korištenje kod komplikovanih geometrija i uključuju određeni stepen automatizacije. Na primjer, korisnik može odrediti jednu ili više mjera površinske gustine mreže, a generator mreže će ispuniti volumen elementima prema nekom algoritmu. U trećem koraku jednačine se diskretizuju preko specificirane mreže, a rezultujuće algebarske nelinearne jednačine se rješavaju. Razvoj solvera je još uvijek atraktivno područje istraživanja, a cilj je poboljšati vjerovatnoću i stopu konvergencije. Četvrti korak, nakon zadovoljavanje konvergencije, je ispitivanje rješenja kako bi se dobile željene informacije. [5]. Danas, priprema računarske domene može trajati do 50% cijelog simulacionog procesa. Dakle, smanjenje vremena i napora modeliranja pomaže

povećanju održivosti i isplativosti. [3]. 3.1. Mogućnost ostvarenja smjese vazduha i goriva Cilj analize koja će biti rađena u nastavku jeste optimizacija dizajna Venturi cijevi kako bi se na izlazu postigla homogena smjesa sa AFR (air/fuel ratio) omjerom 17,175 (omjer izračunat u poglavlju 2). U nastavku će biti istražen uticaj brzine strujanja vazduha na AFR omjer. Dosadašnja istraživanja su pokazala da miješanje gasnih struja može biti problematično. Gasovi mogu strujati dosta dugo jedan pored drugog uz vrlo slabo miješanje. Dominantni mehanizmi miješanja su: Difuzija. Gasovi sa aktivnim kretanjem molekula će slijediti Fickove zakone difuzije. Zbog nasumičnog kretanja molekula oba gasa će se postepeno raspršavati jedan u drugi. Ovaj proces je ovisan o parcijalnim pritiscima svakog gasa i difuzivnosti gasova, a difuzivnost je u funkciji od temperature i viskoznosti gasa. Stoga će biti razmatran uticaj temperature vazduha i goriva na formiranje homogene smjese. Veća temperatura → veći gradijent koncentracije → veći difuzioni fluks. Miješanje zbog turbulencije unutar gasa. Što je veći nivo turbulencije to je veći efekat miješanja masa. Turbulencija može nastati na brojne načine. Veća brzina proticanja znači i veći nivo turbulencije, što se dokazuje Rejnoldsovim brojem. Turbulencija se također može postići različitim izvedbama geometrije puta: oštre krivine, nagle promjene u presjeku i prepreke mogu uzrokovati smicanje u toku stvarajući veliki nivo turbulencije. Drugi faktor koji pomaže miješanju je vrijeme zadržavanja u sistemu. Duže vrijeme znači i veću mogućnost miješanja. Ako je vrijeme zadržavanja kraće onda se miješanje vazduha i goriva oslanja na turbulencije unutar sistema i dobru početnu raspodjelu vazduha i goriva u mješaču. Tipični dizelski motor radi izvan stehiometrijskog omjera pa je za bogate smjese efektivno miješanje od presudnog značaja za potpuno sagorijevanje. [1]. 3.1 Model 1

CFD proces, kao što je navedeno na početku poglavlja, može se podijeliti u 4 faze: konstrukcija geometrije, sinteza računarske domene, proces simulacije - stvarni prikaz simulacije i analiza rezultata nakon obrade. [3]. Na osnovu gore ponuđene geometrije urađen je model u Catia V5R20 te importovan u STAR CCM+, kao što je prikazano na slici 3.2. lijevo. Sam početak rada u ovom software - u obuhvatio je definisanje granica, tj. određivanje mjesta ulaza vazduha, ulaza goriva te izlaza smjese, slika 3.2. desno.

Sljedeći korak je odabir mrežnih modela. Odabir gustine mreže je vrlo važan korak u CFD procesu. S jedne strane previše gusta mreža dovodi do dugog vremenskog perioda računanja, a sa druge strane previše grubo granulirana diskretizacija dovodi do grešaka na temelju niske rezolucije [3]. Da bi se dobili optimalni rezultati odabrana je veličina baze mreže 2 mm, a odabrani mrežni modeli prikazani su na slici 3.3. lijevo. Na slici 3.3. desno može se vidjeti prikaz volumetrijske mreže na 3D modelu.

Nakon generisanja mreže potrebno je odabrati fizičke modele. Odabrani fizički modeli mogu se vidjeti na slici 3.4.

Kao što je već prethodno navedeno da bi došlo do miješanja plinskih struja potreban je turbulentan tok fluida. Turbulencija se sastoji od fluktuacija u polju toka u vremenu i prostoru i može imati značajan uticaj na karakteristike protoka. Turbulencija nastaje kada sile inercije u tečnosti postanu značajne u odnosu na viskozne sile, a karakterizuje je visok Reynolds - ov broj. Da bi se simulirali parametri turbulencije odabran je standardni k - ε model turbulencije sa izotermnim uvjetima prenosa toplote. K - ε model turbulencije ima široku primjenu za analizu toka fluida gdje je k - kinetička energija turbulencije i definiše se kao odstupanje fluktuacija u brzini, a ε je turbulentna vrtložna disipacija (stopa rasipanja fluktuacija) [2]. Ovaj model može postići najbolje uslove između vremena i tačnosti simulacije za subsonični unutrašnji tok. Sljedeća odabrana važna fizička karakteristika je mjerenje protoka bez reakcije. Ovo za software podrazumijeva rješavanje dodatnih jednačina za masene protoke komponenti. U ovoj simulaciji pretpostavlja se da nema reakcije između vazduha i goriva. Prilikom definisanja granica potrebno je voditi računa o sljedećem: Granica za ulaz vazduha – pretpostavlja se da su uvjeti na ulaznoj granici fiksni. Za stanje fiksne brzine solver protoka određuje maseni protok za svaku granicu koristeći specifičnu brzinu zajedno sa pritiskom, temperaturom i brzinom; Granica za ulaz goriva – na ulazu goriva koriste se uslovi fiksnog statičkog pritiska. Korištenjem ovog graničnog uvjeta masa goriva uvedena u Venturi cijev biće dio rješenja. Gorivo biva usisano u Venturi cijev zbog podpritiska stvorenog u grlu; Izlazna granica - uvjeti fiksnog pritiska na izlazu omogućavaju utvrđivanje pritiska u sistemu i zadovoljenje kontinuiteta u dotoku i oticanju u domeni. Budući da fiksan pritisak na izlazu može dopustiti i priliv važno je osigurati realne vrijednosti turbulencije i temperatura u granicama iako nisu zahtijevane. Ove vrijednosti koriste se samo za procjenu raspodjele na granici. [4]

Model 2 Budući da se gorivo dovodi kroz 8 otvora potrebno je dovesti gorivo sa jednog mjesta do ova 8 otvora. U tu svrhu oko grla ejektora formiran je ''prsten'' kroz koji će se gorivo dovesti samo jednim otvorom. Model A2 (slika 3.12.) ima postavljen na izlazu određeni prigušivač koje će omogućiti veće turbulencije, a samim tim i bolje miješanje vazduha i goriva.

Kroz otvore na grlu,ubačene su cjevčice osam ovakvih cjevčica su ravnomjerno raspoređene po grlu Venturi cijevi. Izgled cjevčica prikazan je na slici 3.17.

Odnos Pritiska i dužine Ejektora 2500 2000

1500 1000

PRITISAK (PA)

500 0 0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

-500 -1000 -1500 -2000 -2500 -3000

DUŽINA EJEKTORA (M) Najjednostavniji Model

Analiza modela 1 i 2 Maseni protok

Najbolji Model

0.6

0.7

0.8

Pritisak