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An�lisis de Flujo de la Tobera de Alimentaci�n de Combustible en Veh�culos con Motor de Combusti�n Interna

 

Fuel Feed Nozzle Flow Analysis in Internal Combustion Engine Vehicles

 

An�lise do Fluxo do Bocal de Alimenta��o de Combust�vel em Ve�culos com Motor de Combust�o Interna

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Correspondencia: Edwin.pozo@espoch.edu.ec

 

Ciencias T�cnicas y Aplicadas

Art�culo de Investigaci�n

 

 

* Recibido: 27 de junio de 2024 *Aceptado: 23 de julio de 2024 * Publicado: �15 de agosto de 2024

 

        I.            Escuela Superior Polit�cnica de Chimborazo, Facultad de Mec�nica, Carrera Ingenier�a Automotriz, Ecuador.

      II.            Escuela Superior Polit�cnica de Chimborazo, Facultad de Mec�nica, Carrera Ingenier�a Automotriz, Ecuador.

 

Resumen

En este trabajo, se presenta un estudio de simulaci�n de fluidos en 2D, centrado en el an�lisis del flujo interno de un perfil de una tobera, utilizando t�cnicas de din�mica de fluidos computacional (CFD). El objetivo fue examinar los perfiles de velocidad y la distribuci�n de presiones en diferentes puntos de la superficie y del dominio de simulaci�n, con el fin de entender el comportamiento del flujo. Tambi�n se identificaron zonas de recirculaci�n en la parte posterior del elemento, lo que sugiere la formaci�n de v�rtices en esa regi�n. En la primera parte del estudio, se llev� a cabo el modelado CAD de la superficie a partir de una pieza existente utilizando un software parametrico, seguido de la simulaci�n en el software CFD.

Palabras clave: Presi�n; Velocidad; V�rtice.

 

Abstract

In this work, a 2D fluid simulation study is presented, focusing on the analysis of the internal flow of a nozzle profile, using computational fluid dynamics (CFD) techniques. The objective was to examine the velocity profiles and pressure distribution at different points of the surface and the simulation domain, in order to understand the flow behavior. Recirculation zones were also identified at the back of the element, suggesting the formation of vortices in that region. In the first part of the study, CAD modeling of the surface was carried out from an existing part using parametric software, followed by simulation in CFD software.

Keywords: Pressure; Velocity; Vortex.

 

Resumo

Neste trabalho � apresentado um estudo de simula��o de fluidos 2D, focado na an�lise do escoamento interno de um perfil de bocal, utilizando t�cnicas de din�mica de fluidos computacional (CFD). O objetivo foi examinar os perfis de velocidade e distribui��o de press�o em diferentes pontos da superf�cie e no dom�nio de simula��o, de forma a compreender o comportamento do escoamento. Foram tamb�m identificadas zonas de recircula��o na parte posterior do elemento, sugerindo a forma��o de v�rtices nessa regi�o. Na primeira parte do estudo foi realizada a modela��o CAD da superf�cie a partir de uma pe�a existente com recurso a software param�trico, seguida de simula��o em software CFD.

Palavras-chave: Press�o; Velocidade; V�rtice.

 

Introducci�n

El sistema de inyecci�n es la metodolog�a de alimentaci�n de combustible en los motores a gasolina actuales. Este sistema consiste en inyectores ubicados en la c�mara de combusti�n o en los tubos de admisi�n para realizar la alimentaci�n de combustible hacia el motor. Su fundamento es la dosificaci�n exacta del combustible necesario para realizar el proceso de combusti�n dentro del motor, seg�n sea la demanda del veh�culo (Mundo Motor). Para que se produzca la combusti�n, es indispensable la presencia o la intervenci�n de estos tres elementos: un combustible, el comburente y una fuente de ignici�n o de encendido. Existe una amplia variedad de cuerpos que pueden actuar como combustibles, habiendo casos en los que los provee directamente la naturaleza y otros en que es producto del ingenio del hombre; pero no sucede lo mismo con el comburente, que en todos los casos es el ox�geno (Sardi�a, 2017).

A nivel general se necesitan varios conceptos para proporcionar una descripci�n adecuada de las propiedades de los fluidos que se pueden utilizar en c�lculos de Ingenier�a. Las propiedades fundamentales son: temperatura, densidad y composici�n. Las propiedades de los fluidos se dividen en dos grupos principalmente (Propiedades Intensivas y Propiedades Extensivas). La masa y el volumen son ejemplos de propiedades extensivas, que son propiedades que dependen de la cantidad de material. La densidad, la temperatura y la presi�n son ejemplos de propiedades intensivas. Una propiedad intensiva es una propiedad fluida que es independiente de la cantidad de material. (Chuqu�n vasco, y otros, 2020).

El an�lisis del flujo de gasolina en un veh�culo es un componente crucial para comprender el rendimiento y la eficiencia del sistema de combustible.� Este proceso implica el estudio detallado de c�mo el combustible es suministrado desde el tanque de gasolina hasta el motor, pasando por varios componentes y sistemas que regulan su flujo y presi�n. La calidad de este flujo de gasolina tiene un impacto directo en la potencia del motor, el consumo de combustible y las emisiones del veh�culo.

El presente documento describe el proceso para realizar un an�lisis de flujo de gasolina dentro de un accesorio utilizando un software de simulaci�n, ya que es esencial para garantizar un rendimiento �ptimo del motor y cumplir con los est�ndares de emisiones. Comprender el caudal y la presi�n del fluido en dicho componente, por lo que es fundamentan para diagnosticar y solucionar problemas relacionados con el consumo de combustible, el rendimiento del motor y las emisiones contaminantes.

 

Metodolog�a

En esta secci�n, se describe de manera detallada el enfoque y los procedimientos utilizados para llevar a cabo la simulaci�n de din�mica de fluidos computacional (CFD). El enfoque principal de esta simulaci�n es analizar la velocidad de flujo y presi�n total que circula por el interior del accesorio de acero.

 

Software y herramientas

Se utiliz� el software de simulaci�n de din�mica de fluidos computacional (CFD) ANSYS Fluent, versi�n 2023 R2. La geometr�a de la superficie se cre� en SOLIDWORKS con la ayuda de una pieza ya elaborada y se import� a Ansys Spaceclaim donde se configur� la geometr�a para luego proceder con la simulaci�n CFD.

 

Geometr�a y Modelaci�n

La geometr�a del sistema de flujo se gener� a partir de una pieza de accesorio modelado en 3D, donde se tom� las dimensiones internas de dicha pieza y realizar un modelo tipo superficie, con la finalidad de realizar la simulaci�n con un enfoque en 2D para simplificar el an�lisis.

 

Fig. 1:� Modelo de tobera

Fig. 2: Vista de secci�n interna del accesorio

 

Fig. 3: Croquis interior del accesorio

Fig. 4: Superficie interior del accesorio

 

Se requiere pasar por un software para que mejore la compatibilidad de una geometr�a exportada en formato global (iges) a una versi�n propia del software de elemento finito como se muestra en la figura 5.

Fig. 5: Configuraciones en Spaceclaim

 

Condiciones iniciales y de frontera

Las condiciones iniciales se establecieron con una velocidad de entrada del fluido de 3.5 m/s y se asign� una presi�n atmosf�rica en la salida del dominio. Mediante el di�metro de la tuber�a, la velocidad de entrada del fluido y la densidad y viscosidad del combustible se pudo calcular el el n�mero de Reynolds, con la siguiente formula:

Tabla 1.: Datos del combustible

Seg�n el diagrama de Moody el n�mero de Reynolds obtenido pertenece al flujo turbulento.

 

Discretizaci�n de malla

Despu�s de realizar el CAD, se lo importa al software de elementos finitos, como se muestra en la (Fig. 6). El proceso de mallado es un procedimiento que discretiza el volumen de influencia del flujo en un n�mero finito de vol�menes. Mediante partici�n de ecuaciones diferenciales, cada nodo ser� analizada y resuelta mediante el programa.

Fig. 6: Sistema de an�lisis Fluid Flow

Configuraciones del dominio computacional para el mallado en CFD

Fig. 7: Definici�n

 

Fig. 8: Mallado de la superficie interna

 

Configuraci�n de la Simulaci�n

Se utiliz� el modelo Laminar est�ndar para capturar los efectos del caudal. El fluido se consider� como gasolina y el material del accesorio de acero. El paso de tiempo se ajust� para garantizar la estabilidad num�rica del solucionador, y la convergencia se estableci� con una tolerancia de 1e-6 para las variables de flujo como se muestra en la (Fig.9).

 

Fig. 9: Par�metros de simulaci�n (SETUP)

Resultados

En la (Fig. 10), muestra la convergencia de la velocidad del fluido en la simulaci�n realizada dentro del accesorio. Se estableci� una tolerancia de 1e-10 para las variables del flujo. Se observa que despu�s de aproximadamente 250 iteraciones, la velocidad se estabiliza, lo que indica que se ha alcanzado la convergencia con relaci�n a la velocidad.

 

Fig. 10: Convergencia de la simulaci�n

 

A continuaci�n, en la Fig. 11 se analiza los resultados de presi�n que se obtuvo mediante la simulaci�n dentro del accesorio con el dise�o de la parte interior del mismo. Lo que se observa es que tiene una variaci�n de presi�n, ya que a la entrada del accesorio se presenta una presi�n m�xima de 2.12 Pa y en la salida la presi�n disminuy�.

 

Fig. 11: Simulaci�n de la presi�n del combustible circulante

La Fig. 12 muestra la velocidad del fluido dentro del accesorio utilizando gasolina de combustible. Para realizar est� simulaci�n se tom� como dato inicial una velocidad de entrada de 3.5 m/s. Se nota que la velocidad de salida tiene un aumento significativo en un valor de 6.29 m/s y en los entremos de la superficie interna tiene una velocidad menor, as� como se observa en la Fig. 12.

 

Fig. 12: Simulaci�n de comportamiento de velocidad del combustible dentro del accesorio de acero

 

Fig. 12: Comportamiento de la velocidad en funci�n de la distancia del di�metro exterior del accesorio

 

En la Fig. 13 Se observa una regi�n de alta vorticidad en el extremo lateral donde hay un di�metro mayor de la superficie. Esta regi�n de recirculaci�n indica la formaci�n de un v�rtice en el accesorio.

 

Fig. 13: Simulaci�n L�neas de fluido en el accesorio.

 

Conclusiones

-        Se llev� a cabo una simulaci�n de fluidos detallada para analizar el flujo de combustible dentro del accesorio utilizando la din�mica de fluidos computacional (CFD). Se investigaron los perfiles de velocidad, las presiones y las �reas de recirculaci�n para comprender mejor el comportamiento del flujo en diferentes tramos de la superficie.

-        Los resultados de la simulaci�n mostraron de manera clara y concisa los perfiles de velocidad y la distribuci�n de presiones, lo que demostr� que existe una aceleraci�n de flujo en el modelo del accesorio.

-        La identificaci�n de las �reas de recirculaci�n fue crucial para comprender la formaci�n de v�rtices en el interior del accesorio de acero, proporcionando una informaci�n valiosa sobre los patrones de flujo.

 

Referencias

      1.            Chuqu�n Vasco, Nelson Santiago, Chuqu�n Vasco, Juan Pablo y Chuqu�n Vasco, Daniel Antonio. 2020. Hidr�ulica en Tuber�as y Accesorios (V�lvulas Industriales): P�rdidas, Casos reales de Aplicaci�n y Selecci�n de Bombas Centr�fugas. Guayaquil : s.n., 2020.

      2.            Flor�z Trujillo, Diego Fernando. 2020. AN�LISIS MEDIANTE DIN�MICA DE FLUIDOS COMPUTACIONALES DE UN. Pereira : s.n., 2020.

      3.            Galeano Galviz, Brayan Esteveen y Aguirre Cardona, Anderson. 2020. AN�LISIS AERODIN�MICO DEL CUERPO DE AHMED MEDIANTE DIN�MICA DE. Pereira : s.n., 2020.

      4.            Morales Velasco, No�. 2017. Simulaci�on num�erica de la aerodin�amica. Quer�taro : s.n., 2017.

      5.            Mundo Motor. Sistema de inyecci�n, evoluci�n, funci�n, partes, tipos y beneficios. [En l�nea] [Citado el: 26 de 8 de 2023.] https://www.mundodelmotor.net/sistema-de-inyeccion.

      6.            Paul Marcelo y Cristofher. 2021. Dise�o de una metodolog�a para analisis de flujo en 2d de transporte .

      7.            Riobamba : s.n., 2021.

      8.            Sardi�a, Martin Andr�s. 2017. Alimentaci�n de Motores de combustion Interna. Buenos Aires : s.n., 2017.

      9.            Villavicencio Robalino, Mart�n Andr�. 2020. Simulaci�n num�rica de la aerodin�mica. 2020.

  10.            Versteeg, H. K., & Malalasekera, W. (2007). An introduction to computational fluid dynamics: The finite volume method (2nd ed.). Pearson Education.

  11.            Ferziger, J. H., & Peric, M. (2002). Computational methods for fluid dynamics (3rd ed.). Springer.

  12.            Anderson, J. D. (1995). Computational fluid dynamics: The basics with applications. McGraw-Hill.

  13.            Patankar, S. V. (1980). Numerical heat transfer and fluid flow. Hemisphere Publishing Corporation.

  14.            Tu, J., Yeoh, G. H., & Liu, C. (2018). Computational fluid dynamics: A practical approach (3rd ed.). Butterworth-Heinemann.

 

 

 

 

 

 

� 2024 por los autores. Este art�culo es de acceso abierto y distribuido seg�n los t�rminos y condiciones de la licencia Creative Commons Atribuci�n-NoComercial-CompartirIgual 4.0 Internacional (CC BY-NC-SA 4.0)

(https://creativecommons.org/licenses/by-nc-sa/4.0/).

 

 

 

 

 

 

 

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