Un approccio alla discretizzazione automatica per l'analisi fluidodinamica di componenti di ...

250 Pages·2006·13.09 MB·Italian

Politecnico di Milano
Facoltà di Ingegneria Meccanica
Dipartimento di Meccanica
Dottorato di Ricerca in Ingegneria dei Sistemi
Meccanici - XVIII ciclo

“Un approccio alla discretizzazione
automatica per l’analisi fluidodinamica di
componenti di impianti di aspirazione e
scarico”

Coordinatore del Corso: Prof. Stefano Bruni

Relatore: Prof. Umberto Cugini

Tutor: Prof. Giorgio Colombo

Candidata: Dott.ssa Laura Bocchi
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Al mio caro papà

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Indice

Sommario...............................................................................................................pag. 5
1. Introduzione....................................................................................................pag. 7
2. Generalità degli impianti di aspirazione e scarico….……….……pag. 13
2.1 Architettura di un impianto…………………………………………...pag.13
2.2 Silenziamento del veicolo.......................................................................pag. 18
2.3 Normative internazionali in vigore………………………….………..pag.20
2.4 Dispositivi silenziatori………………………………………...……….pag. 20
3. Il processo di progettazione e gli strumenti disponibili.................pag. 25
3.1 Metodologia di progettazione...............................................................pag. 27
3.1.1 Criteri di progetto……………………………………………….pag. 28
3.1.2 Applicazioni: esempi di ottimizzazione……………………...…pag. 33
3.2 Sistemi per la prototipazione virtuale..................................................pag. 41
3.3 Modelli di calcolo...................................................................................pag. 42
3.3.1 Modelli monodimensionali………………………………….….pag. 44
3.3.2 Modelli bi- e tridimensionali…………………………………...pag. 48
3.4 Analisi dei metodi numerici..................................................................pag. 55
4. Dal modello CAD alla discretizzazione automatica CFD: un
approccio......................................................................................................pag. 64
4.1 Generazione del modello geometrico della cavità...............................pag. 67
4.1.1 Modello geometrico di in una camera di espansione……..…….pag. 67
4.1.2 Modello geometrico della marmitta Maserati.............................pag. 68
4.2 Il formato STEP……………………………………………………….pag. 68
4.2.1 Cenni storici.................................................................................pag. 69
4.3 Feature fluidodinamiche elementari....................................................pag. 72
4.4 Regole di discretizzazione.....................................................................pag. 76
4.5 Discretizzazione delle feature fluidodinamiche...................................pag. 81
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4.5.1 Feature geometriche elementari...................................................pag. 81
4.5.2 Aggregazioni di feature fluidodinamiche elementari…………..pag. 87
5. Riconoscimento automatico delle feature fluidodinamiche…...pag. 89
5.1 Approccio logico utilizzato....................................................................pag. 90
5.2 Implementazione....................................................................................pag. 94
6. Validazione della metodologia...........................................................pag. 103
6.1 Casi di studio elementari………………………………………...…..pag. 103
6.2 Caso di studio complesso…………………………………………….pag. 109
6.2.1 Discretizzazione…………………………………………..…...pag. 113
6.2.2 Simulazione e confronto con i dati sperimentali………………pag.113
7. Sviluppi futuri......................................................................................pag. 117
Conclusioni........................................................................................................pag. 119
Appendice 1: Normative...............................................................................pag. 122
Appendice 2: Formalizzazione IDEF del processo di simulazione
1D..............................................................................................pag. 126
Appendice 3: Metodo delle caratteristiche............................................pag. 137
Appendice 4: Configurazione dei parametri di simulazione eseguita
sulla marmitta Maserati mediante il codice
Fluent………………………………………………………..pag. 143
Appendice 5: Informazioni geometriche rappresentate nel formato
standard STEP.....................................................................pag. 149
Appendice 6: Attività.....................................................................................pag. 158
Appendice 7: Esempio di file STEP generato dal modellatore Solid
Works......................................................................................pag. 159
Appendice 8: Struttura del codice implementato ANALIZZA STEP e
files temporanei...................................................................pag. 175
Appendice 9: Riordina STEP.....................................................................pag. 211
Appendice 10: Estrazione dati...................................................................pag. 212
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Appendice 11: Acquisizione dati...............................................................pag. 213
Appendice 12: Elaborazione dati: lib02..................................................pag. 214
Appendice 13: Elaborazione dati: lib03..................................................pag. 215
Appendice 14: Elaborazione dati: lib04..................................................pag. 216
Appendice 15: Elaborazione dati: lib05..................................................pag. 217
Appendice 16: Elaborazione dati: lib06..................................................pag. 218
Appendice 17: Elaborazione dati: giunz07............................................pag. 219
Appendice 18: Elaborazione dati: giunz08............................................pag. 220
Appendice 19: Analisi degli STEP generati da diversi CAD…...…pag. 221
Bibliografia........................................................................................................pag. 236
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Sommario

La corretta progettazione dei sistemi di aspirazione e scarico è un aspetto
fondamentale per la diminuzione delle emissioni inquinanti, sia chimiche che acustiche,
e per l’efficienza dei motori a combustione interna, obiettivi che oggi sono di
fondamentale importanza per la salvaguardia dell’ambiente. Questa finalità si traduce
nella ricerca di tecnologie atte alla progettazione di sistemi ad alta efficienza energetica
e basso impatto ambientale.
A tal fine rivestono un’importanza fondamentale le simulazioni numeriche, che
permettono di valutare il corretto funzionamento dal punto di vista fluidodinamico di
questi dispositivi. Tali simulazioni sono oggi ancora poco utilizzate nel mondo
industriale per la loro notevole complessità e difficoltà nella gestione dei modelli.
Risulta così essenziale la valutazione di un possibile approccio metodologico
volto alla definizione del modello fluidodinamico partendo dal prototipo virtuale
dell’impianto. Per fare questo, è necessario acquisire, formalizzare e rappresentare in
una struttura informativa le conoscenze di un esperto del settore.
L’approccio logico seguito per ricercare questa integrazione automatica è basato
sull’utilizzo di feature fluidodinamiche elementari e loro aggregazioni.
L’obiettivo di questa ricerca è l’individuazione di un approccio metodologico alla
discretizzazione automatica per l’analisi acustico-fluidodinamica monodimensionale
degli impianti di aspirazione e scarico di motori a combustione interna, utilizzando
come input il prototipo virtuale dell’impianto stesso.
Dalla caratterizzazione delle feature fluidodinamiche elementari e dalla
esplicazione delle tecniche di gestione per le discontinuità geometriche, è stato possibile
implementare un codice che integra la modellazione virtuale con gli strumenti di analisi
fluidodinamica e che permette di tradurre il prototipo virtuale dell’impianto in una
combinazione delle feature fluidodinamiche elementari individuate, generando in
maniera automatica l’input file per il simulatore fluidodinamico.
Sono stati investigati diversi strumenti disponibili per l’analisi fluidodinamica, e
dalle proprietà geometriche di forte caratterizzazione direzionale dei condotti nonché
dalla fisica che governa i fenomeni fluidodinamica di questi sistemi, si è evinto che i
modelli di calcolo numerico monodimensionale risultano a tutt’oggi più adatti a trattare
sistemi complessi e di grandi dimensioni rispetto ai codici CFD basati sulla
suddivisione spaziale.
La metodologia seguita per l’acquisizione della geometria dal modello virtuale
dell’impianto, utilizza, per motivi di generalizzazione della procedura, il formato
standard STEP, formato neutro di interscambio dati tra modellatori CAD 3D, che
contiene tutte le informazioni geometriche del prototipo in esame. Il riconoscimento
delle feature fluidodinamiche, oltre ad avere un forte carattere di generalità, risulta
adatto ad una futura integrazione nel campo dell’ottimizzazione progettuale.
Il codice implementato, ovvia alla difficoltà dell’attività di preprocessing, fino ad
oggi subordinata alle conoscenze ed all’esperienza dell’operatore.
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Per ottenere l’automatizzazione della discretizzazione monodimensionale, sono
state individuate le correlazioni tra gli elementi geometrici di base caratteristici degli
impianti di aspirazione e scarico e le corrispondenti feature fluidodinamiche; è stato così
possibile modellare un impianto complesso dal riconoscimento delle feature di base di
cui lo stesso è composto.
In questa attività ricerca si è fatto esplicito riferimento al formato STEP utilizzato
dal modellatore virtuale CAD 3D Solid Works, mentre per quanto riguarda il codice di
simulazione numerica si è considerato il programma FLUAC, basato sulla tecnica
numerica del metodo delle caratteristiche.
La metodologia di automatizzazione della discretizzazione monodimensionale di
sistemi complessi individuata e sviluppata nell’ambito di questo progetto di ricerca,
risulta confermata e validata da esempi applicativi su diversificate geometrie; e può
quindi essere considerata un primo passo per l’implementazione di una metodologia di
progettazione dei sistemi di aspirazione e scarico dei motori a combustione interna, che
permetta la riduzione dei tempi di progettazione di detti sistemi.
L’integrazione tra prototipazione virtuale e modellazione CFD, basata
sull’individuazione delle feature fluidodinamiche elementari e composizione di esse,
ottenuta mediante l’individuazione della strategia per il loro riconoscimento, è stata in
questa sede per la prima volta investigata.
La riduzione delle tempistiche e delle risorse impiegate per la corretta
progettazione di impianti di aspirazione e scarico, è quindi un argomento a forte
ricaduta industriale ed economica.
L’integrazione tra modellatore CAD e simulatore CFD ottenuto mediante
l’approccio sviluppato in questa attività di ricerca, ha caratteristiche di generalità,
applicabilità e fruibilità da parte di un elevato numero di operatori, fornendo
indicazioni interessanti per l’automatizzazione del processo di sviluppo prodotto
mediante l’utilizzo di ulteriori software integrati che permettano un’ interoperabilità
durante le fasi del processo di progettazione.
E’ pertanto legittimo supporre che la ricerca iniziata nell’ambito di questo
Dottorato, completata dalla strategia di riconoscimento di feature fluidodinamiche non
prese in considerazione in questa sede, e generalizzata al caso del formato STEP
generato da un qualunque sistema CAD, possa permettere di automatizzare il processo
di caratterizzazione di impianti di qualunque geometria, costituendo così un importante
contributo alla riduzione dei tempi e dei costi per la corretta progettazione degli
impianti di aspirazione e scarico ed un migliore livello qualitativo degli stessi.
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