بخشی از مقاله
*** این فایل شامل تعدادی فرمول می باشد و در سایت قابل نمایش نیست ***
شبیه سازی عددی رادیاتور اتومبیل و مقایسه با نتایج تست تونل باد به منظور بهینه سازی عملکرد موتور و مقدار مصرف سوخت
چکیده
بهینه سازی شرایط کارکرد موتور خودرو یکی از مهمترین راههای کاهش مصرف سوخت و آلودگی هوا می باشد. در صورتی که خنک کاری سیلندر و بدنه موتور بخوبی صورت گیرد، عملکرد آن بهبود یافته و مقدار بهینه ای برای حرارت دفع شده در رادیاتور به دست می آید. در این حالت، سهم توان اندیکاتوری از حرارت تولید شده بهینه بوده و منجر به شرایط کار کرد بهینه موتور میگردد. در این مقاله، عملکرد رادیاتور پژو ۶۰۵ توسط نرمافزار فلوئنت بررسی شده و با نتایج تونل باد مقایسه شدهاند. طراحی اولیه رادیاتور بهینه توسط نرم افزار دکتر وب صورت گرفته؛ سپس در سه تحلیل متفاوت که شامل تحلیل فین و لوور، تعیین دبی عبوری از لوله ها و تعیین انتقال حرارت از هر لوله می باشند، برای یافتن دمای بهینه آب در ورود به موتور تحلیل شده است. نتایج نشان میدهد که انتقال حرارت از آب به محیط در رادیاتور بهینه بوده که مانع از افزایش دمای موتور و قطع جریان سوخت شده و منجر به عملکرد موتور نزدیک به شرایط استوکیومتری گردیده و از غلظت آلاینده های خروجی خواهد کاست.
واژههای کلیدی: رادیاتور خودرو، فلوئنت، فین و لوور، تست تونل باد، سوخت
۱ - مقدمه حدود یک سوم از حرارت تولید شده از احتراق موتور اتومبیل باید توسط سیال خنک کننده دفع گردد. افزایش بیش از حد دما در داخل موتور باعث اشتعال زودرس و ایجاد ضربه می شود که منجر به افزایش مصرف سوخت، تبخیر بنزین در داخلی پمپب و لولههای مرتبط، افزایش مقدار سوخت نسوخته در انتهای فرایند، انحراف واکنش از حالت استوکیومتری و رشد مقدار آلاینده ها در خروجی موتور میگردد [۱]. چنانچه مقدار خنک کنندگی سیلندر و موتور بیش از حد معمول باشد، بدنه موتور سرد شده و گرادیان دما در جداره های فلزی منجر به ایجاد ترکهای ریز و نهایتاً ترکهای بزرگتر میگردد. در ضمن این امر منجر به انتقال حرارت بیشتر به جداره موتور بجای تبدیل آن به توان اندیکاتوری و کاهش بازدهی میگردد ۲]. بنابراین باید دمای جداره های موتور در محدوده مشخصی باقی بماند که این منوط به بهینه سازی خنک کاری توسط سیال خنک کن است. چنانچه سیال خنک کن در داخل رادیاتور به اندازه مناسبی سرد نشود، توانایی انجام خنک کاری را نخواهد داشت. در ضمن ابعاد رادیاتور می تواند باعث تغییر هندسه جلوبندی اتومبیل گردد که می تواند باعث انحراف از حالت آیرودینامیکی شده و افزایش ضریب پسا و به تبع آن مصرف سوخت را در پی دارد[۳و ۴]. بنابراین طراحی رادیاتور بهینه از نظر انتقال حرارت و آیرودینامیک از عوامل مهم و تأثیرگذار در عملکرد موتور میباشد. در مراحل اولیه طراحی رادیاتور با توجه به روابط تحلیلی و تجربی، اجزا و ابعاد آن طوری تخمین زده و طراحی می شوند که جوابگوی شرایط استاندارد طراحی باشد. اکثر روابط ارائه شده در محدود مشخصی از دما و سرعت اعتبار داشته و برای طراحی اولیه اجزای رادیاتور مناسب بوده و تخمین خوبی از انتقال حرارت را ارائه می دهند. از این نمونه می توان به کار دکتر Webb و همکارانش [۵ ] اشاره نمود. فعالیت آنها روی روشهای نیمه تحلیلی و فرضیات ساده کننده جریان عبوری از روی پره های رادیاتور به منظور به دست آوردن جوابهای نیمه تحلیلی و همچنین روی تغییر جنسی اجزاء رادیاتور می باشد که در طراحی نرمافزارهای مختلف نیمه تحلیلی بکار برده می شوند؛ ولی این روابط برای همه هندسه ها در همه شرایط جریانی جوابهای دقیقی ارائه نمی دهند. رادیاتور بهینه طراحی شده توسط نرم افزارهای نیمه تحلیلی موجود در داخل تونل باد قرار می گیرد. در این آزمایشی، تمامی جریان ورودی به تونل از درون رادیاتور عبور کرده و مابقی مقطع تست بسته است. افت فشار جریان در عبور از رادیاتور اندازهگیری شده و در همین حال آب داغ از درون لوله های رادیاتور عبور کرده و اختلاف دمای بین هوای ورودی و خروجی و آب ورودی و خروجی اندازه گیری می شود. نکته اول اینکه برخی از نرم افزارهای موجود که از روابط نیمه تحلیلی استفاده می کنند برای تحلیل انواعی از رادیاتورها جوابهایی با بیش از ۵۰٪ خطا با نتایج تست ارائه می دهند. همچنین گاهی اوقات در این نرمافزارها روابط مربوط به ضریب افت فشار و انتقال حرارت بایستی بعنوان یک ورودی وارد نرم افزار شوند. نکته دوم اینکه برای انجام تست تونل ساخت نمونه با مقیاس کامل مشکلاتی از قبیل رسیدن به شرایط جوی و رطوبتی مورد نیاز، عدم اندازه گیری مقادیر در همه نقاط و اغتشاش در جریان به دلیل وجود پرابهای موجود وجود دارد. نکته سوم اینکه در انجام تست با توجه به اینکه تمامی جریان از داخل رادیاتور عبور کرده و بقیه مقطع تست بسته است، جریان
عبوری ماهیتی متفاوت با آنچه در واقعیت رخ میدهد خواهد داشت و نتایج تست دارای مقداری خطای ذاتی می باشند. علاوه بر این آزمایش یک رادیاتور و حصول اطمینان از صحت نتایج آزمایش کاری بس زمان بر و هزینه بر است. در سالهای اخیر با رشد سریع فناوری های محاسباتی دیده می شود که بهترین روش برای کالیبره کردن نتایج تست تونل باد استفاده از شبیه سازی عددی است. وقتی که نتایج یک تست با نتایج تحلیل کامپیوتری همان هندسه مطابقت داشته باشد، روش عددی آن شبیه سازی می تواند برای تحلیل سایر رادیاتورها استفاده شود که هزینههای زمانی و مالی را به شدت کاهش میدهد. از این نمونه می توان به نرم افزاری به نام PaSSage اشاره نمود که توسط کمپانی TechnalySiS برای تحلیل رادیاتور نوشته شده است. این نرم افزار از روش اجزای محدود برای تحلیل عددی بهره میگیرد. در کاری که توسط A. Ecer و همکاران [6] در شرکت فیات برای به دست آوردن دمای هوای ورودی خنک کن که منجر به جوش آمدن آب داخل رادیاتور می شود انجام شده است، نشان داده شد که جوابهای تحلیل عددی دارای خطای قابل قبولی نسبت به نتایج تجربی می باشند. در این تحقیق هیچگونه مدلسازی اجزای رادیاتور انجام نشده و رادیاتور بصورت یک بسته یکپارچه منظور شده است.
۲- مراحل شبیه سازی
در این تحقیق رادیاتور بهینه پژو ۶۰۵ توسط نرم افزار دکتر وب طراحی شده و برای شبیهسازی انتخاب شده است. این رادیاتور از ورق آلومینیومی با ضخامت ۰/۰۸mm ساخته شده و بین لوله های رادیاتور از فینهائی استفاده شده که طول کلی یک ردیف فین برابر ۲۸mm، ارتفاع آن ۷mm و عرض آن ۲/۵mm است. این فینها دارای لوور نیز می باشند. تعداد ۲۰ لوور در داخل یک فین تعبیه شده است. وظیفه این لوورها افزایش سطح انتقال حرارت و ایجاد اغتشاش در جریان است. حداقل و حداکثر بعد طول در داخل یک فین حدود ۳۵۰ مرتبه با یکدیگر فاصله دارند. برای یک دامنه عددی مناسب با تعداد معقولی سلول که مشکلاتی از قبیل تیزی و نسبت منظری زیاد در آن بروز نکند، حدود ۱۳۰۰۰۰۰ سلول مورد نیاز است. در داخل یک رادیاتور با طول بیش از ۹۲cm، بیش از ۱۹۰۰۰ فین با هندسه شکل ۱ تعبیه می شوند. برای شبیه سازی فینهای رادیاتور حدود ۲۵ میلیارد سلول مورد نیاز است که با توجه به سختافزار موجود بایستی از روشهایی مسأله را ساده نمود تا قابل تحلیل باشد. در اینجا از نرم افزار فلوئنت برای شبیه سازی جریان هوا و آب استفاده شده است. با صرفنظر از اثرات ورودی و خروجی لوله های آب، یک ردیف فین با دو نیمه لوله در بالا و پائین آن با شرط مرزی تقارنی در هر چهار طرف مدل، شبکه بندی و تحلیل می شود. شرط مرزی ورودی سرعت هواست و دامنه حل بگونه ایست که بتوان از شرط مرزی توسعه یافته در خروج استفاده نمود. در یک دما و سرعت مشخص هوای عبوری، دمای جداره خارجی لوله های در تماس با هوا تغییر داده شده و ضریب انتقال حرارت جابجائی و افت فشار جریان در عبور از فین محاسبه می شود. این ضریب انتقال حرارت تابعی از دمای دیواره خواهد بود. قبل از اعمال این ضریب به لوله های اب ،نسبت دبی جرمی عبوری از درون لوله ها باید مشخص گردد.40لوله افقی مشابه درون
رادیاتور وجود دارند. ارتفاع کلی رادیاتور حدود ۶۵cm است. از آنجائیکه گرانش تأثیر زیادی روی توزیع جرم در لوله ها دارد، مدل دوبعدی شکل ۲ بهمراه محفظه های ورودی و خروجی و ۶۰ لوله ساخته شده است. شرط مرزی دبی جرمی در ورودی و فشار خروجی در خروج تنظیم می شود. با تقسیم بازه بین دو دبی حداکثر و حداقل به چهار بازه یکسان، پنج دبی باقی میماند که با عبور آنها از درون یک لوله، یک منحنی هموار برای تغییرات دمای آب خروجی بر حسب دبی بدست می آید. دمای خروجی در سایر لوله ها می تواند از میانیابی سایر نقاط نمودار بدست آید. در انتها، دمای آب در خروج از رادیاتور از تعادل حرارتی آب خروجی این ۶۰ لوله به - دست می آید. سطح مقطع لوله های رادیاتور بصورت یک مستطیل با دو نیم دایره در دو انتهای آن می باشند. طول مستطیل برابر mm ۲۶ و عرض آن برابر ۱/۵۹mm می باشد. قطر هیدرولیکی این سطح مقطع برابر است با:
در این رابطه ,Dh قطر هیدرولیکی، .Acs مساحت سطح مقطع و محیط تر شده هستند.
شکل ۱- هندسه فین تعبیه شده بین دو نیمه لوله (مدل شبیه سازی اول)
شکل ۲- آرایش لوله ها و محفظه های ورودی و خروجی در یک مدل دوبعدی (مدل شبیه سازی دوم)
در تحلیل عددی لوله به خاطر تقارن سطح مقطع لوله، یک چهارم آن مدل می شود. هندسه لوله در شکل ۳ دیده می شود. شرط مرزی ورودی دبی جرمی معلوم و شرط مرزی خروجی توسعه یافته است. به دلیل طول زیاد لوله که برابر ۹۲۹mm است نسبت به قطر هیدرولیکی، شرط مرزی جریان خروجی است، قابل قبول می باشد.
شکل ۳- سطح مقطع لوله نسبت به طول مدل برای یافتن دمای خروجی آب رادیاتور (مدل شبیه سازی سوم)
۲- ۱- تحلیل فین
در این مرحله، هندسه شکل ۱ تحلیل می شود. برای تولید شبکه در نرم افزار Gambit از شبکه بی سازمان با حدود ۱۳۰۰۰۰۰ سلول مثلثی استفاده شده است. به منظور مقایسه با نتایج تونل باد، هوا با سرعت m/S ۲/۵۵ و دمای C ۲۰/۷ با مدل جریان آرام از روی هندسه عبور می کند. است.
۲- ۲- تحلیل رادیاتور دو بعدی
در این مرحله، مدل دو بعدی شکل ۲ با بیش از ۹۲۰۰۰۰ سلول تحلیل شده است. سلولهای داخل لوله ها و در نزدیکی لوله های ورودی و خروجی بصورت مستطیلی می باشند. برای کاهش تعداد سلولها در سایر نقاط هندسه، سلولهای مثلثی استفاده شده اند. مقدار تقریبی متوسط عدد رینولدز جریان در داخل لوله ها برابر است با:
که Re نشانگر عدد رینولدز، دبی جرمی درون لوله و ویسکوزیته سیال است. پس جریان داخل لوله ها مغشوش می باشد که از روش استاندارد به دلیل گرادیانهای کم مسأله استفاده شده است.
Re = & 25000 (Y)
۳-۲- تحلیل لوله
حدود ۳۵۰۰۰۰ سلول مکعبی در شروع حل در نرم افزار Gambit برای یک چهارم لوله تولید شده اند که در
طی فرایند حل تعداد سلولها به بیش از ۱۰۰۰۰۰۰ سلول می رسد. دمای آب ورودی برابر C 95 و دبی آن بین
حداقل و حداکثر به دست آمده قرار داده می شود. مدل توربولانسی استفاده شده است.
۳- نتایج به دست آمده و بحث
۱-۳ -- نتایج تحلیل فین
جریان آرام هوای عبوری از روی فینها باعث ایجاد یک ناحیه سکون در جلوی فین میگردد. افزایش فشار در این ناحیه برای دمای دیواره C ۹۰ در شکل ؛ دیده می شود. این توزیع فشار وابستگی به دمای فین ندارد.
شکل 4- توزیع فشار روی فین در دمای 90 C
