Simulação Computacional do Comportamento Fluidodinâmico de uma Câmara de Combustão em um Motor à Combustão Interna

CURSO DE ENGENHARIA MECÂNICA GABRIEL ANTONIO DO PRADO SANTOS SIMULAÇÃO COMPUTACIONAL DO COMPORTAMENTO FLUIDODINÂMICO DE UMA CÂMARA DE COMBUSTÃO EM UM MOTOR À COMBUSTÃO INTERNA Projeto de Iniciação Científica apresentado à Comissão de Pesquisa da Facamp Área de Pesquisa Fluidodinâmica Computacional Prof a Orientador Dra Tatiele Dalfior Ferreira Campinas Maio de 2019 RESUMO Neste trabalho foi realizado um estudo básico da Fluidodinâmica Computacional CFD de uma câmara de combustão genérica em um motor à combustão interna dando ênfase nas câmaras de combustão que o compõe Foram utilizados pacotes computacionais com versão estudantil para construir a geometria em questão e realizar as simulações O objetivo principal do trabalho é aprender os conceitos de fluidodinâmica computacional e aplicalos para simulação de um caso prático de engenharia como a câmara de combustão de um motor Além disso houve um contato inicial com as ferramentas de simulação CFD que são largamente utilizadas no meio acadêmico e industrial Para tanto foram estudados os principais mecanismos envolvidos no funcionamento de um motor à combustão interna fazendo uso dos conceitos teóricos das disciplinas cursadas na graduação Os resultados provenientes das simulações foram analisados e comparados com dados disponíveis na literatura no tocante ao funcionamento de motores a combustão interna Palavraschave Motores de Combustão Interna CFD Simulação ABSTRACT In this work a basic study of Computational Fluid Dynamics CFD of a generic combustion chamber in an internal combustion engine was carried out giving emphasis to the combustion chambers that compose it Computational packages with student version were used to construct the geometry in question and to carry out the simulations The main objective of the work is to learn the concepts of computational fluid dynamics and apply them to simulation of a practical case of engineering like the combustion chamber of an engine In addition there was initial contact with the CFD simulation tools which are widely used in academia and industry For that the main mechanisms involved in the operation of an internal combustion engine were studied making use of the theoretical concepts of the disciplines undergraduated The results from the simulations were analyzed and compared with data available in the literature on the operation of internal combustion engines Keywords Internal combustion engines CFD Simulation Sumário 1 Introdução 4 11 Objetivos do trabalho 7 111 Objetivos específicos 8 2 Fundamentação Teórica 8 21 Motores de Combustão Interna 8 22 Fluidodinâmica computacional 11 221 Funcionamento de um código CFD 12 23 Ciclos termodinâmicos padrão ar Ciclo Otto 14 3 Metodologia 15 4 Resultados preliminares 17 41 Geometria de estudo e domínio computacional 17 42 Subdivisão do domínio malha 20 43 Condições de contorno e resultados 22 5 Referências Bibliográficas 27 4 1 Introdução A Fluidodinâmica Computacional ou CFD do inglês Computational Fluid Dynamics é a área do conhecimento que trata a respeito das simulações numéricas de escoamentos de fluidos transferência de calor e fenômenos relacionados reações químicas combustão aeronáutica etc A origem deste método se deu por meio da combinação de duas disciplinas mecânica dos fluidos e cálculo numérico uma vez que as equações utilizadas pertencem a mecânica de fluidos e podem ser resolvidas através de diferentes métodos numéricos Atualmente para a análise de problemas e desenvolvimento de projetos existem três ferramentas fundamentais Métodos analíticos Métodos numéricos Métodos experimentais Para problemas que envolvam geometrias simples podendo ser aproximadas por coordenadas retangulares cilíndricas ou esféricas e que não possuírem nenhum tipo de complicação nas suas propriedades fundamentais variação da condutividade térmica com a temperatura variação do coeficiente de transferência de calor etc ou nas condições de contorno perfil de fluxo térmico nas paredes dado por expressões complexas etc o chamado método analítico é extremamente eficiente e preciso porém a grande maioria dos problemas encontrados na prática possuem geometrias extremamente complicadas e condições de contorno complexas ou propriedades variáveis o que impossibilita a sua análise de forma analítica No entanto as soluções analíticas não devem ser ignoradas pois uma das suas importantes aplicações é a validação de casos limites de modelos numéricos uma vez que resultados analíticos são mais precisos quando resultados de um modelo numérico derem suficientemente próximos aos encontrados de forma analítica podese dizer que aquele método é confiável ÇENGEL GHAJAR 2012 5 Figura 1 Situação capaz de ser resolvida por métodos analíticos Çengel Ghajar 2012 Quando tratamos das experimentações em laboratórios a grande vantagem é o tratamento das configurações reais das situações analisadas não havendo aproximações e portanto obtendo acurácia nos resultados Nos casos em que não há modelos matemáticos existentes ou em geometrias extremamente complexas em que o custo computacional não é compensatório testes experimentais são a única alternativa Entretanto o custo para realização é extremamente alto e podem vir a trazer risco para os envolvidos por estes motivos cada vez mais há a busca de substituir testes experimentais por simulações numéricas com o objetivo de reduzir custos e agilizar a realização de projetos MALISKA 1995 Os chamados métodos numéricos apresentam poucas restrições quanto a sua utilização sendo eficientes mesmo em geometrias complexas e condições específicas sendo que o tempo e o custo necessários para a realização de um projeto diminuem drasticamente A forma de funcionamento de um método numérico é basicamente a substituição das derivadas existentes em uma equação diferencial por expressões algébricas que possibilitem resolver uma determinada função incógnita Diferentemente das soluções analíticas que são dadas em uma quantidade finita de pontos e diversas simplificações e idealizações são necessárias as soluções numéricas partem do pressuposto de que quanto maior a quantidade de pontos calculados mais próxima da solução exata será a solução encontrada ÇENGEL GHAJAR 2012 6 Figura 2 Aproximações de modelos realísticos são mais precisos do que soluções exatas de modelos ideais Çengel Ghajar 2012 Apesar dos métodos numéricos retratarem melhor a realidade do que os métodos analíticos é necessário que se tome cuidado com uma modelagem incorreta do problema tanto do ponto de vista numérico quanto físico Um erro numérico pode ser caracterizado principalmente por uma má solução das equações diferenciais por esse motivo é de suma importância comparar resultados numéricos com outras soluções analíticas ou numéricas para verificar se estão convergindo de forma satisfatória Já um erro físico é caracterizado por uma não adequação do modelo matemático para com o problema físico envolvido escolha incorreta de equações condições de contorno equivocadas simplificações erradas MALISKA 1995 A figura 3 resume os métodos disponíveis para a análise de um projeto e as fases de validação necessárias pra suas utilizações 7 Figura 3 Métodos disponíveis para a validação de modelos MALISKA 1995 11 Objetivos do trabalho Este trabalho por se tratar de um estudo introdutório tem como objetivo principal estudar os conceitos de fluidodinâmica computacional aplicandoos diretamente em um caso prático de engenharia e obter um contato inicial com ferramentas de simulação CFD que são largamente utilizadas no meio acadêmico e industrial 8 111 Objetivos específicos Realizar uma simulação computacional do comportamento fluidodinâmico dentro das câmaras de combustão de um motor à combustão interna Estudar técnicas de modelagem e simulações computacionais utilizando os conceitos de CFD Familiarizarse com ferramentas de simulação CFD 2 Fundamentação Teórica 21 Motores de Combustão Interna Os motores de combustão interna são utilizados desde 1876 com o motor de ignição por centelha desenvolvido por Nicolaus Otto e 1892 com o motor de ignição por compressão desenvolvido por Rudolf Diesel HEYWOOD 1988 O objetivo dos motores de combustão interna é a utilização da energia química armazenada no combustível para a produção de potência mecânica Essa energia é liberada através da queima ou oxidação do combustível dentro do motor sendo que os fluidos de trabalho desse processo são efetivamente a mistura arcombustível as transferências de trabalho geradoras da potência de saída desejada também são causadas diretamente pelos fluidos de trabalho e os componentes mecânicos do motor Graças à boa razão entre peso e potência por serem simples e robustos os motores de ignição por compressão e de ignição por centelha possuem uma vasta aplicação em transportes aéreo terrestre e marítimo e em geração de energia elétrica O principal diferencial deste motor é justamente o fato de a combustão ocorrer dentro do conjunto que produz potência HEYWOOD 1988 Um motor de ignição por centelha é apresentado na figura 4 em uma vista de corte onde contém grande parte das peças utilizadas no motor Grande parte das peças contidas na imagem podem ser encontradas em motores dos dias de hoje com exceção do sistema de injeção e com pequenas modificações operacionais entre modelos diferentes mas que possuem funções semelhantes 9 Figura 4 Vista de corte de um motor de combustão interna HEYWOOD 1988 O mecanismo chamado de bielamanivela como mostra a figura 5 é responsável pelo movimento de ida e volta do pistão dentro de um cilindro que transmite potência ao eixo do motor A rotação constante do eixo produz um movimento cíclico do pistão Que atinge velocidade zero nas posições de Ponto Motor Superior PMS na qual o volume da mistura arcombustível do cilindro é mínimo e de Ponto Morto Inferior PMI na qual o volume da mistura arcombustível do cilindro é máximo A diferença entre o volume mínimo e o volume máximo é o volume deslocado pelo pistão A razão entre os volumes máximo e mínimo do cilindro é chamado de razão de compressão e é um importante parâmetro no projeto e operação de motores HEYWOOD 1988 Figura 5 Mecanismo bielamanivela HEYWOOD 1988 10 A grande maioria dos motores de combustão funciona no que é conhecido como ciclo de quatro tempos Quatro movimentos do pistão são requeridos em cada cilindro duas revoluções do eixo do motor para completar um ciclo de potência admissão compressão expansão e exaustão como descrito na figura 6 HEYWOOD 1988 Com o objetivo de aspirar o ar puro ou mistura ar combustível pura para dentro do cilindro o tempo de admissão começa com o pistão no PMS e termina com o pistão no PMI Para o aumento da massa de fluido induzida a válvula de admissão abre pouco antes do início do tempo de admissão e fecha pouco depois do fim deste tempo No tempo de compressão o pistão inicia no PMI e termina no PMS durante o processo as válvulas do motor estão fechadas e a mistura dentro do cilindro é comprimida em uma pequena parte de seu volume inicial Ainda no tempo de compressão a combustão é iniciada e a pressão no cilindro aumenta rapidamente O tempo de expansão chamado também de tempo de potência começa com o pistão no PMS e termina com ele no PMI é neste tempo que os gases a alta temperatura e pressão empurram o pistão para baixo e forçam o eixo do motor entrar em rotação O trabalho sofrido pelo pistão durante o tempo de expansão é cerca de 5 vezes o trabalho feito pelo pistão durante o tempo de compressão Para iniciar o processo de exaustão dos gases queimados a válvula de exaustão se abre pouco tempo antes do pistão alcançar o PMI durante o processo a pressão no cilindro é reduzida a valores próximos aos da pressão da tubulação de exaustão Para encerrar o ciclo o tempo de exaustão serve para expulsar os gases queimados remanescentes no cilindro ele começa com o pistão no PMI e termina com ele no PMS No início do processo o fato da pressão dentro do cilindro ser muito maior que a pressão na tubulação de exaustão induz tal processo Na sequência o pistão empurra o restante dos gases para fora do cilindro enquanto se move do PMI para o PMS Antes mesmo do pistão alcançar PMS a válvula de admissão se abre novamente iniciando um novo ciclo É importante observar que a válvula de exaustão se fecha pouco depois do pistão alcançar o PMS ou seja durante o tempo de admissão do próximo ciclo 11 Figura 6 Os movimentos do ciclo de quatro tempos HEYWOOD 1988 Como observado na descrição do ciclo a válvula de admissão se abre ainda no tempo de exaustão do ciclo que se encerra e a válvula de exaustão se fecha durante o tempo de admissão do ciclo que se inicia O intervalo em que as válvulas estão abertas simultaneamente é chamado de cruzamento de válvulas O tempo em que este intervalo dura da mesma forma que o instante de abertura da válvula de admissão e o fechamento da válvula de exaustão são parâmetros importantes no desempenho do motor 22 Fluidodinâmica computacional Até a década de 1980 a análise e solução de problemas envolvendo escoamento de fluidos utilizando CFD era de uso restrito a pesquisadores acadêmicos de pós graduação e doutorado ou especialistas que foram treinados durante muitos anos O uso dessa metodologia para resolver problemas complexos da engenharia e da física é uma realidade devido à grande evolução que os computadores tiveram nos últimos anos obtendo cada vez mais velocidade e capacidade de armazenamento As ferramentas disponíveis no mercado são extremamente poderosas mas sua utilização ainda requer uma alta capacidade e preparo para definir o modelo a ser utilizado compreender os resultados obtidos e avaliar sua veracidade VERSTEEG MALALASEKERA 2007 A partir da democratização do CFD ele começou a ser utilizado nos mais diversos segmentos indústria aeroespacial projeto de motores a combustão interna 12 câmara de combustão de turbinas a gás e fornos e muitos outros Graças a sua utilização por exemplo os fabricantes de veículos motorizados conseguem prever rotineiramente forças de arrasto fluxos de ar e o ambiente dentro do veículo ou seja cada vez mais o CFD está se tornando um componente vital no design de produtos e processos industriais as principais vantagens do uso de códigos CFD são VERSTEEG MALALASEKERA 2007 Redução nos custos e prazos de novos projetos Acesso ao estudo de sistemas extremamente complexos e perigosos impossíveis de realizar com experimentação Alto nível de detalhamento dos resultados obtidos 221 Funcionamento de um código CFD Todos os códigos CFD seguem um padrão de funcionamento em sua interface eles são compostos por Préprocessador Solver Pósprocessador O préprocessador é onde são definidos os parâmetros e o problema físico a ser resolvido Nesta etapa há a utilização de interface gráfica que posteriormente será transformada em uma linguagem que é reconhecida pelo solver VERSTEEG MALALASEKERA 2007 Os parâmetros a serem definidos são Domínio computacional geometria a ser estudada Discretização desse domínio na forma de uma malha computacional mesh Modelo físico ou químico a ser estudado Propriedades dos fluidos e sólidos que fazem parte do estudo Condições de contorno e de fronteira que fazem parte do sistema Critério de convergência A discretização consiste na divisão do domínio em pequenos volumes de controle não sobrepostos desta forma as equações que governantes do sistema possam ser resolvidas para cada volume separadamente conservando as variáveis de interesse em cada região do domínio O número de elementos dessa divisão está diretamente 13 relacionado com a precisão da solução final e também com o tempo e custo computacional requerido quanto mais elementos existirem mais precisa e próxima da solução exata está a aproximação numérica no entanto um número maior de elementos também encarece a simulação e o projeto como um todo VERSTEEG MALALASEKERA 2007 A etapa de solver é responsável por resolver as equações envolvidas no problema por meio de métodos numéricos iterativos para isso é necessário traduzir as informações de entrada em uma linguagem computacional e aplicar o método adequado ao problema que se é estudado Os principais métodos presentes nos softwares são Método dos Elementos Finitos MEF e o Método dos Volumes Finitos MVF VERSTEEG MALALASEKERA 2007 Ambos os métodos seguem uma linha de raciocínio semelhante Integração das equações governantes em cada elementovolume do domínio Conversão das equações integrais em equações algébricas por meio de um método de discretização Resolver as equações algébricas por um método iterativo Verificar a convergência das soluções ou seja monitorar os resíduos das medidas de conservação até que o erro percentual entre a solução atual e a anterior seja menor do que um critério préestabelecido Verificar se as soluções de um tamanho de malha específico são suficientemente próximas de soluções com outros tamanhos de malha Após a solução e verificação da convergência dos dados obtidos é necessário interpretalos na etapa de pósprocessamento para isso estão disponíveis ferramentas de plotagem de campos vetoriais das propriedades de interesse plotagem de contornos sombreados valores obtidos em regiões de interesse Cabe ao usuário saber avaliar se os resultados obtidos condizem com a realidade e se estão precisos o suficiente para a aplicação desejada VERSTEEG MALALASEKERA 2007 14 23 Ciclos termodinâmicos padrão ar Ciclo Otto Os ciclos termodinâmicos reais possuem alta complexidade devido aos processos químicos e físicos que o compõem Para facilitar seu estudo possibilitando chegar em conclusões qualitativas e em alguns casos quantitativas associase cada ciclo real com um ciclo padrão ar que possua semelhanças o suficiente para permitir uma aplicação da Termodinâmica respeitando algumas hipóteses simplificadoras tais hipóteses são BRUNETTI 2012 1 O fluido ativo é ar 2 O ar é um gás perfeito ideal 3 Não há admissão nem escape não há necessidade de se trocarem os gases queimados por mistura nova Essa hipótese permite a utilização da Primeira Lei da Termodinâmica para sistemas em lugar da Primeira Lei para Volume de Controle 4 Os processos de compressão e expansão são isoentrópicos ou seja adiabáticos e reversíveis 5 A combustão é substituída por um fornecimento de calor ao Fluído Ativo FA a partir de uma fonte quente Esse fornecimento de calor poderá se dar em um processo isocórico ou em um processo isobárico ou em uma combinação destes dependendo do ciclo 6 Para voltar às condições iniciais será retirado calor por uma fonte fria num processo isocórico 7 Todos os processos são considerados reversíveis O ciclo Otto é um ciclo ideal que mais se aproxima do motor de combustão interna Tal processo pode ser representado em diagramas Pv e Ts conforme a figura a baixo 15 Figura 7 Diagramas do ciclo padrão ar Otto VAN WYLEN 1998 O processo que ocorre na fase 12 é uma compressão isotrópica do ar por meio do movimento do pistão indo do ponto morto inferior PMI para o ponto superior PMS Posteriormente no processo 23 o calor é transferido para o ar com o volume mantendo se constante enquanto o pistão permanece momentaneamente em repouso no PMS tal processo corresponde à ignição da mistura arcombustível pela centelha e a subsequente queima O processo 34 trata de uma expansão isotrópica correspondente ao pistão sendo movido do PMS até o PMI pela força gerada na reação química exotérmica de combustão ocorrida da fase anterior tal movimento do pistão converte a energia térmica em energia mecânica fazendo com que a temperatura do sistema diminua Por fim a fase 41 é quando os gases gerados pela reação são expelidos para fora da câmara diminuindo ainda mais sua temperatura e pressão interna VAN WYLEN 1998 3 Metodologia Neste capítulo a metodologia utilizada para construção da geometria simular validar a simulação e avaliar os resultados é apresentada A geometria escolhida para o estudo foi baseada em uma câmara de combustão padrão BRUNETTI 2012 conforme mostrado na figura 8 O domínio de interesse é o volume interno dessa câmara de tal forma que não haja necessidade de representar as geometrias interiores como pistão cabeçote biela virabrequim e demais componentes 16 Figura 8 Câmara de combustão utilizada como modelo para a geometria BRUNETTI 2012 Esta mesma câmara pôde ser reproduzida computacionalmente utilizando a versão estudantil do software Autodesk Inventor 2019 disponível no próprio site da empresa A extração do volume interno ou o chamado volume molhado do sistema foi realizada utilizando a versão estudantil do software Ansys SpaceClaim Este volume consiste no domínio computacional ou região de estudo que serviu como base para a geração da malha Uma vez tendo o domínio computacional definido as próximas etapas serão realizadas utilizando as versões estudantis dos softwares Ansys Mesh e Ansys CFX para a discretização do domínio malha e resolução das equações governantes do sistema respectivamente Antes de efetuar as simulações com as condições de contorno reais do sistema é necessário que seja feito o teste de independência de malha ele serve para avaliar se os resultados encontrados pelo solver estão independentes do tamanho de malha utilizado em outras palavras buscase qual o tamanho ideal de malha para que se encontre a melhor relação precisão x custo computacional O tamanho ótimo de malha é quando os resultados obtidos variem minimamente em relação ao refinamento da malha Após realizado o teste de malha para se chegar no tamanho ideal o enfoque deve ser na modelagem e entendimento da situação para que a física envolvida possa ser modelada corretamente Como explicado no capítulo 2 uma câmara de motor a combustão interna com ciclo de 4 tempos possui as etapas de admissão compressão expansão e exaustão sendo que cada uma delas possui diferentes volumes de controle instantâneos regiões em que 17 a mistura ar combustível e posteriormente os gases de exaustão entram em contato será necessária uma mudança da malha durante o cálculo permitindo que partes da geometria sejam adicionadas ou removidas Por exemplo nas etapas de admissão e exaustão somente uma das válvulas estará aberta portanto somente um tubo precisará estar presente na geometria sendo que o outro pode ser retirado Durante a compressão e expansão as válvulas de admissão e exaustão estão fechadas e ambos os tubos não são necessários para o cálculo Para a análise de tais situações foram construídos mais três volumes de controle em um deles ambos os tubos admissão e exaustão foram retirados em outro apenas um dos tubos foi retirado e no último além de serem retirados ambos os tubos é representado o pistão no PMS sendo assim o volume de controle resumese no chamado volume morto Serão realizadas 4 simulações para representar cada um dos ciclos existentes Antes dos procedimentos de criação das condições de contorno é importante definir qual será a ordem das simulações Na primeira o pistão se encontra no ponto morto superior a válvula de admissão está aberta e a válvula de exaustão fechada portanto o primeiro tempo a ser representado é a admissão sendo esta feita na condição aspirada A simulação subsequente se dá com o fechamento da válvula de admissão quando o pistão atinge o ponto morto inferior permanecendo o cilindro completamente fechado para os ciclos de compressão e expansão Por fim na última simulação a válvula de exaustão se abre e os gases de exaustão são descarregados do cilindro 4 Resultados preliminares Neste capítulo serão mostrados e analisados os resultados obtidos com o presente trabalho 41 Geometria de estudo e domínio computacional Como citado anteriormente a geometria de estudo foi construída a partir de um modelo já existente suas medidas de maior relevância estão presentes na tabela 1 18 Tabela 1 Medidas mais importantes da câmara de combustão Diâmetro da câmara 70mm Curso do pistão 90mm Diâmetro das válvulas de admissão e escape 25mm Figura 9 Geometria da câmara de combustão Elaboração própria Uma vez construída a geometria o domínio computacional que é a parte molhada ou seja os componentes em que entram em contato com os gases de combustão foram extraídos e podem ser observados a figura 9 Figura 10 Domínio computacional Elaboração própria 19 Figura 11 Domínio computacional com uma válvula fechada Elaboração própria Figura 12 Domínio computacional com ambas válvulas fechadas Elaboração própria Figura 13 Domínio computacional representando o volume morto Elaboração própria 20 42 Subdivisão do domínio malha Há diferentes tipos de elementos usados para discretizar o domínio computacional hexaédricos tetraédricos prismáticos e piramidais Qual o tipo de elemento a ser utilizado depende principalmente da complexidade da geometria e dos recursos computacionais disponíveis Os elementos hexaédricos são a melhor escolha pois eles reduzem os erros numéricos e pode ser gerada uma malha de boa qualidade com poucos elementos entretanto nem sempre é possível gerar esses elementos em todo o domínio computacional pois dependem de geometrias simples cilindros cubos etc Por outro lado os elementos tetraédricos são muito mais simples de criar em qualquer tipo de geometria porém o número de elementos requeridos para criar uma malha da mesma qualidade que uma malha de hexaédricos é maior e os erros numéricos tendem a ser maiores também ANSYS INC 2016 Os elementos criados para a realização do estudo foram os tetraédricos e para a realização do teste de malha o domínio foi discretizado com quatro tamanhos de malha diferentes 2mm 15mm 1mm e 09mm Figura 14 Domínio discretizado com malha de 2mm Elaboração própria 21 Figura 15 Domínio discretizado com malha de 15mm Elaboração própria Figura 16 Domínio discretizado com malha de 1mm Elaboração própria 22 Figura 17 Domínio discretizado com malha de 09mm Elaboração própria 43 Condições de contorno e resultados Tendo em vista que este é apenas um teste de independência de malha as condições de contorno utilizadas não foram as mesmas condições presentes na simulação de combustão propriamente dita as características em questão foram Domínio fluido Escoamento simples Velocidade de 4ms na entrada Gás ideal como fluido de trabalho Paredes com condição de não escorregamento Nenhuma troca térmica envolvida Uma vez sendo aplicadas tais condições de contorno foram capturadas duas situações para cada tamanho de malha as chamadas linhas de corrente retratam o caminho percorrido pelo fluido no interior do domínio computacional já o plano de velocidades mostra de uma forma mais clara as regiões de maior e menor velocidade no decorrer do escoamento É possível observar em ambas imagens que as regiões de maior velocidade são as regiões de entrada e saída de fluido enquanto que as regiões que apresentaram a menor velocidade foram nas paredes do domínio computacional 23 Outro parâmetro útil para a análise foi a plotagem de um gráfico de velocidade de escoamento x posição vertical da câmara onde foram coletados dados na região central da câmara nele fica nítido que a região de maior velocidade do fluido fica na parte superior entre a entrada e saída sendo que os demais locais do domínio apresentaram velocidades menores Tal comportamento da velocidade do fluido visto em todas as situações pode ser explicado devido ao aumento da área após o fluido ter entrado pela válvula de admissão o que acarreta em uma diminuição bruta na velocidade por outro lado na válvula de escape a área volta a diminuir o que também ocasiona um aumento na velocidade do escoamento Figura 18 Linhas de corrente de fluido para malha de 2mm Elaboração própria Figura 19 Plano de velocidades do fluido para malha de 2mm Elaboração própria 24 Figura 20 Linhas de corrente de fluido para malha de 15mm Elaboração própria Figura 21 Plano de velocidades do fluido para malha de 15mm Elaboração própria Figura 22 Linhas de corrente de fluido para malha de 1mm Elaboração própria 25 Figura 23 Plano de velocidades do fluido para malha de 1mm Elaboração própria Figura 24 Linhas de corrente de fluido para malha de 09mm Elaboração própria Figura 25 Plano de velocidades do fluido para malha de 09mm Elaboração própria 26 Figura 26 Gráfico das Velocidades x Posições Verticais Elaboração própria Como é dito anteriormente a independência de malha basicamente é feita com um refino sucessivo de uma malha inicialmente grosseira para uma mais refinada até que a variação das grandezas de interesse seja mínima ou nula Sendo assim foram criadas malhas com quatro tamanhos diferentes 2mm 15mm 1mm e 09mm É possível observar na figura 26 que a variação entre as curvas de 1mm e 09mm é praticamente nula uma vez que estão quase sobrepondo uma a outra no entanto a diferença se torna considerável quando comparadas as curvas de 15mm e 2mm por estes motivos a malha que será utilizada para as próximas análises e simulações será a malha de 1mm uma vez que continuar a refinala apenas aumentará o custo computacional sem que obtenhase um ganho significativo na precisão dos resultados 0 002 004 006 008 01 012 014 016 018 02 0 05 1 15 2 25 Posição Vertical m Velocidade ms Velocidade x Posição Vertical 1mm 2mm 15mm 09mm 27 5 Referências Bibliográficas ANSYS INC ANSYS CFXSolver Theory Guide Canonsburg 2016 BRUNETTI Franco Motores de Combustão Interna Volume 1 Editora Edgard Blucher 2012 ÇENGEL Yunus A GHAJAR Afshin J Transferência de Calor e Massa AMGH 012012 FONSECA LG Caracterização do Escoamento de Ar em um Motor de Combustão Interna utilizando Mecânica dos Fluidos Computacional Dissertação apresentada ao Programa de PósGraduação em Engenharia Mecânica da Universidade Federal de Minas Gerais como requisito parcial à obtenção do título de Mestre em Engenharia Mecânica Belo Horizonte 2014 HEYWOOD John B Internal Combustion Engine Fundamentals New York 1988 McGraw Hill MALISKA Clovis R Transferência de Calor e Mecânica dos Fluidos Computacional Editora Afiliada 1995 VAN WYLEN GJ SONNTAG R E e BORGNAKKE C Fundamentos da Termodinâmica São Paulo Edga Blucher 1998 VERSTEEG H K MALALASEKERA W An Introduction to Computational Fluid Dynamics The finite volume method 2 ed England Pearson Education Limited 2007