Case History: Simulazione fluidodinamica di un sottocofano

Ott 26, 2021 | Simcenter FLOEFD, Simulazione Fluidodinamica

Progetto e Obiettivi

Si vogliono simulare le condizioni termiche operative di un macchinario movimento terra ad architettura ibrida con il fine di ottenere le corrette condizioni al contorno per il dimensionamento di uno scambiatore di calore. Lo scambiatore sarà posizionato, al pari degli altri componenti considerati, nell’ambiente sotto il cofano del macchinario. Tra gli altri elementi citiamo:

  • il motore termico, la cui temperatura di servizio è nota
  • l’impianto di scarico dei gas, dei cui gas conosciamo la portata e la temperatura di uscita dal motore termico
  • il pacco batterie, di cui conosciamo la quota di potenza termica dispersa dalle celle e la portata del fluido refrigerante che vi passa all’interno
  • La ventola che sarà posta davanti ai radiatori e che genererà la portata di ricircolo all’interno del cofano

 

Approccio all’analisi

Da sinistra a destra: dettaglio delle serpentine di raffreddamento del pacco batterie, dettaglio della ventola di ricircolo, dettaglio delle bocchette di mandata e di aspirazione.

Impostando le dovute condizioni al contorno sui vari elementi, è possibile cogliere i risultati della simulazione, ad esempio:

  • Linee di flusso sull’intero dominio computazionale
  • Vettori direzionali del flusso sull’intero dominio
  • Focus dei vettori nell’ambiente sotto cofano per cogliere eventuali problemi di stagnazione/turbolenza
  • Densità e temperatura dei gas di scarico

Temperatura e direzione del flusso sull’intero dominio (sinistra) e focus nell’ambiente sottocofano (destra)

Temperature solide superficiali dell’esterno cofano (sinistra) e di una batteria (destra). Su quest’ultima è possibile apprezzare l’effetto del passaggio interno del fluido refrigerante.

In seguito a tale analisi generale, si è proseguito con un focus su uno dei tre scambiatori da progettare, andando a isolare il volume attorno agli scambiatori e svolgendone un’analisi trasferendo le condizioni al contorno di flusso e temperatura dall’analisi appena conclusa (transferred boundary conditions):

 

Il volume considerato nell’analisi di dettaglio con le condizioni al contorno trasferite (sinistra) e il volume di fluido interno dello scambiatore oggetto (destra)

Temperature sui due piani principali passanti per lo scambiatore.

Grazie al trasferimento delle condizioni al contorno, la distribuzione delle velocità e delle temperature del flusso d’aria è decisamente simile a quelle che saranno le reali condizioni operative, fornendo così la sicurezza che le ipotesi fatte siano quantomeno coerenti e poco inclini a sottostimare/sovrastimare eventuali fenomeni problematici.

 

La geometria dello scambiatore era già nota ma la posizione delle porte di ingresso e di uscita del fluido interno ancora no. Sono state quindi simulate tre differenti configurazioni, trovando che:

Conclusioni

Appare chiaro che la configurazione n.3 sia la migliore in quanto garantisce i minori fenomeni di ricircolo e stagnazione oltre che i migliori risultati in termini di calore dissipato, rispetto alla configurazione 1, infatti, garantisce un fluido in uscita a circa 10 °C in meno, e 4 °C inferiore rispetto alla configurazione 2.

 

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