Desenvolvimento de metodologia de análise acoplada 1D e 3D em um coletor de admissão de motores de combustão interna

Abstract

O objetivo deste trabalho foi desenvolver uma metodologia de análise para coletores de admissão de motores de combustão interna aplicados a protótipos Fórmula SAE, capaz de suprir as carências encontradas nas representações anteriores dos efeitos tridimensionais do escoamento do ar dentro dessas geometrias complexas. Para isso, foi criado um modelo unidimensional de análise transiente utilizando o software GT-Suite da Gamma Technologies, que forneceu condições de contorno sobre a demanda de escoamento de ar do motor para o software de simulação CFD Ansys Fluent. Este, por sua vez, retornou ao modelo 1D as condições reais proporcionadas pela geometria do coletor, permitindo que as condições de contorno de cada um dos pacotes computacionais - 1D e 3D - fossem compartilhadas de forma bidirecional. Essa metodologia visa ampliar o entendimento da equipe sobre as possíveis otimizações do motor, incentivando a exploração de melhorias ao longo das demais fases do ciclo de vida do protótipo. A aplicação da metodologia descrita permitiu representar numericamente o comportamento do motor em operação de forma mais adequada, permitindo a visualização de diversos fenômenos fluidodinâmicos como diferentes campos de velocidades e distribuições de ar na admissão. Reduziu-se de 2% para 1,6% a diferença no cálculo da eficiência volumétrica quando comparada à simulação 1D isolada, assim como a diminuição de 2% para 1% no erro de cálculo do torque.

The objective of this work was to develop an analysis methodology for intake manifolds in Formula SAE prototypes, addressing the limitations found in previous representations of the three-dimensional airflow effects within these complex geometries. To achieve this, a one-dimensional transient analysis model was created using the GT-Suite software from Gamma Technologies, which provided boundary conditions for the engine's airflow demand to the CFD simulation software Ansys Fluent. In turn, Ansys Fluent returned to the 1D model the actual conditions imposed by the manifold geometry, enabling a bidirectional simulation that offers greater clarity in evaluating the engine's functional parameters and internal components. This methodology aims to enhance the team's understanding of potential engine optimizations, encouraging the exploration of improvements throughout the remaining phases of the prototype's lifecycle. The application of the described methodology enabled a more accurate numerical representation of the engine's operational behavior, allowing the visualization of various fluid dynamics phenomena such as different velocity fields and air distribution in the intake. Consequently, it reduced the divergency in the volumetric efficiency calculation from 2% to 1,6% when compared to the standalone 1D simulation, as well as decreasing the torque calculation error from 2% to 1%.