Xlll Congreso Nacional de lngenieria Mecânica

Estudio de la turbulencia generada por pipas deadmisiôn en flujo estacionario

J.M. DESANTES, J.V. PASTORDepartamento de Mâquinas y Motores Térmicos. Llniversidad Politécnica de Valencrajpastor @ mot.upv.es

A. DOUDOULMFTT, Sciences Faculty BP 133 Kenitra, lbn Tofail University, Morocco.

Resumen.

En el presente trabajo se realiza un estudio de los patrones de flujo generados por las pipas deadmisiÔn de una culata de serie de 4 vâlvulas por cilindro en banco de flujo estacionario, a partir demedidas realizadas mediante Anemometria Lâser Doppler (ALD). Se presenta en detalle la evoluciônde los campos de velocidad tangencial y axial para distintos levantamientos de vâlvula y dos seccronesde medida, en especial para los levantamientos de vâlvula intermedios, en los que se produce latransiciÔn entre dos patrones de flujo drferenciados. Se pretende asimismo evaluar las posibilidades deun método de anâlisis de turbulencia actualmente en boga para su posterior aplicaciôn al tratamientode datos ALD en motor. Los espectros de disipaciôn de la energla turbulenta evidencian en todos loscasos estudiados el comportamiento esperado para el sub-rango inercial a elevados nümeros deReynolds con pendiente -5/3. Para determinadas condiciones se observan fluctuaciones de bajafrecuencia, probablemente asociadas a precesiôn y nutaciôn del vôrtice forzado existente en el cilindro.

Abstract.

ln this paper a study of the flow patterns generated by the intake ports of a 4 valves cylinder head insteady flow by means of LDA is presented. Detailed evolution of tangential and axial velocitycomponents was obtained for various valve lifts, especially for intermediate lifts where a transitionbetween two clearly diflerent patterns occurs. Advantage was taken of the LDA measurement to applythe spectral analysis with a promising technique named Discretized Lagged Product Method (DLpM), inorder to evaluate its potential for the analysis of in-cylinder turbulence from engine LDA measurements.The turbulence dissipation spectra evidence for all the cases considered the expected behaviour for theinertial sub-range at high Reynolds number with -5/3 slope. Low frequency fluctuations were observed,which are probably associated to precession and nutation of the solid body vortex in the cylindei.

1. lntroduccion

El Coeficiente de Torbellino, parâmetro adimensional clâsico de caracterizaciôn deculatas, proporciona el momento angular existente en el cilindro al cierre de Iaadmisiôn, y permite estimar bajo determinadas hipôtesis la velocidad tangencial delaire en el cilindro (swirl) en el Punto Muerto Superior (PMS) de compresiôn,responsable primaria del proceso de mezcla aire/combustible. Sin embargo, lamicromezcla y, por tanto, Ia velocidad de combustiôn, vendrâ determinada por lospatrones de turbulencia existentes en PMS mâs que por la velocidad tangencial.

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Xlll Congreso Nacional de lngenieria Mecânica

Estudio de la turbulencia generadaadmision en flujo estacionario

por pipas de

J,M. DESANTES, J.V. PASTORDepartamento de Mâquinas y Motores Térmicos. Universidad Politécnica de Valenciajpastor @ mot.upv.es

A. DOUDOULMFTT, Sciences Faculty BP 133 Kenitra, lbn Tofail Universiiy, Morocco.

Resumen.

En el presente trabajo se realiza un estudio de los patrones de flujo generados por las pipas deadmisiôn de una culata de serie de 4 vâlvulas por cilindro en banco de flujo estacionario, a partir demedidas realizadas mediante Anemometria Lâser Doppler (ALD). Se presenta en detalle la evoluciônde los campos de velocidad tangencial y axial para distintos levantamientos de vâlvula y dos seccionesde medida, en especial para los levantamientos de vâlvula intermedios, en los que se produce latransiciôn entre dos patrones de flujo diferenciados. Se pretende asimismo evaluar las posibilidades deun método de anâlisis de turbulencia actualmente en boga para su posterior aplicaciôn al tratamientode datos ALD en motor. Los espectros de disipaciôn de la energia turbulenta evidencian en todos loscasos estudiados el comportamiento esperado para el sub-rango inercial a elevados nümeros deReynolds con pendiente -5i3. Para determinadas condiciones se observan fluctuaciones de bajafrecuencia, probablemente asociadas a precesiôn y nutaciôn del vôrtice forzado existente en el cilindro.

Abstract.

ln this paper a study of the flow patterns generated by the intake ports of a 4 valves cylinder head in

steady flow by means of LDA is presented. Detailed evolution of tangential and axial velocitycomponents was obtained for various valve lifts, especially for intermediate lifts where a transitionbetween two clearly different patterns occurs. Advantage was taken of the LDA measurement to applythe spectral analysis with a promising technique named Discretized Lagged Product Method (DLPM), inorder to evaluate its potential for the analysis of in-cylinder turbulence from engine LDA measurements.The turbulence dissipation spectra evidence for all the cases considered the expected behaviour for theinertial sub-range at high Reynolds number with -5l3 slope. Low frequency fluctuations were observed,which are probably associated to precession and nutation of the solid body vortex in the cylihder.

1. lntroducciôn

El Coeficiente de Torbellino, parâmetro adimensional clâsico de caracterizaciôn deculatas, proporciona el momento angular existente en el cilindro al cierre de laadmisiôn, y permite estimar bajo determinadas hipôtesis la velocidad tangencial delaire en el cilindro (swirl) en el Punto Muerto Superior (PMS) de compresiôn,responsable primaria del proceso de mezcla aire/combustible. Sin embargo, lamicromezcla y, por tanto, la velocidad de combustiôn, vendrâ determinada por lospatrones de turbulencia existentes en PMS mâs que por la velocidad tangencial.

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Debido a que la turbulencia es un fenômeno que degenera râpidamente después desu producciÔn, no suele estudiarse la turbulencia generada durante la admisiôn. Noobstante, si se admite que su comportamiento en presencia de swirl, aunque no sumagnitud, es similar al del final de la compresiôn, vale la pena realizar el anâlisisaqui planteado, ya que proporciona informaciôn adicional sobre Ia estructura delflujo. Ademâs, en este trabajo se combina la medida del swirl generado en laadmisiÔn mediante métodos clâsicos, con anâlisis de datos ALD para estimar tantovelocidades medias como sus componentes turbulentas, intentando estimar lasposibilidades de un método de anâlisis (DLPM) actualmente en boga [6] para suposterior aplicaciôn al tratamiento de datos ALD en motor real.

1. lnstalaciones experimentales y procesado de datos.

El banco de flujo estacionario consta bâsicamente de un compresor roots encargadode generar un flujo continuo y controlado, una câmara de remanso encargada deeliminar las fluctuaciones generadas por el propio compresor, un cilindro dotado dedos ventanas rectangulares opuestas para permitir el acceso ôptico, y la culata acaraclerizar [3], que en este caso tiene dos pipas de admisiôn, una con geometriadireccional y otra helicoidal, pero con entrada comün. Las vâlvulas de escape semantuvieron cerradas durante los experimentos. El diâmetro del cilindro (D) y el delas vâlvulas de admisiôn son de 115 mm y 33 mm respectivamente. Las medidasALD se realizaron en 11 puntos en cuatro diâmetros (A, B, C y D) a 45o en dossecciones transversales a 1 .75D y 1.00D del plano de la culata (figura 1 y tabla 1). Elsistema de medida ALD se encuentra sobre una mesa de coordenadas XY parapermitir el desplazamiento del volumen de medida. El cambio de un diâmetro a otrose realiza rotando la culata sobre su eje. Las dos vâlvulas se accionabansimultâneamente en estas medidas y el salto de presiôn a través de las pipas semantuvo constante a 500 mm c.a.

El equipo ALD es un sistema modular de una componente con lâser de He-Ne,célula de Bragg de 40 MHz, contador de periodos TSI modelo 1gB0 y tarjetaespecifica ALD de adquisiciôn de datos sobre PC. Como dopado se utilizô aceite desilicona atomizado en gotas de diâmetro inferior a 1 pm. La medida se realizô entandas de 30 000 datos, con tasas inferiores a 5 kHz, tratando de simular condicio-nes de medida adversas para estimar las posibilidades de la aplicaciôn del métodode procesado a condiciones de medida en motor real. Las medidas se realizaron enmayor detalle a levantamientos de vâlvula de 6 y B mm, rango en el que se estableceun vôrtice forzado en el cilindro en la secciôn 1.75D. Las caracterlsticas del flujo enestos casos se muestran en la tabla 2.

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Tabla 1: Puntos de medrda

Extremos ABC'D' A'B'CD.0.88 -0.8 -0.6 -0.4 -0.2 0 0.2 0.4 0.6 0.8 0.88

Tabla 2: Caracteristicas medias delflujoSecciôn Lev. vâlvula C" m AM

mm kq/m3U ;

'1.75D0.090.10

6 (1700 rpm)I (2000 rpm)

.40

.858.0c 297 8.58.86 459 7.2

0.0430.070

0.490.55

Fig. 1: Configuraciôn de la culata

El método usado para calcular la funciôn de correlaciôn Euleriana es el DLPM(Discretized Lagged Product Method) 121,17) Esta técnica estima dos matricesSUM(kAr) y H(klr), correspondientes a la suma de todos los productos cruzadosde fluctuaciôn de velocidad en cada intervalo de tiempo (lag time) y al nümero deproductos acumulados respectivamente. El cociente entre ambas determina lafunciôn de correlaciôn. A partir de ésta se determinan las escalas temporales yespaciales del flujo con la hipôtesis de Taylor [5]

3. Resultados

Las componentes axial y tangencial de la velocidad se han medido en detalle en lasecciôn 1.75D para dos levantamientos de vâlvula 6 y Bmm. En los grâficos develocidad tangencial de la fig. 2 la posiciôn del eje de rotaciôn se representamediante un triângulo, observândose en el caso de Bmm un vôrtice forzado con ejelocalizado de acuerdo con [3]. Para 6mm de levantamiento el triângulo, algo mâsgrande, indica un eje menos localizado o un vôrtice menos definido.

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(a) levantamiento 6 mm (b) levantamiento 8 mm

Fig. 2: Velocidades Tangenciales

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(a) levantamrento 6 mm (b) levantamiento B nrm

Fig 3: RMS de la velocidad tangencial

Los grâficos de la fig. 3 muestran la dispersiôn de las medidas de velocidadtangencial, con mâximos cercanos al centro del vôrtice en ambos casos. Sinembargo, el mâximo estâ perfectamente localizado en el centro del vôrtice para B

mm mientras que extiende sobre un ârea mayor en el caso de 6 mm. Esta tendencia

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es congruente con resultados obtenidos a levantamientos mayores (no mostradosaqui) y puede constituir éste un método frable para determinar la posiciôn del centrodel vôrtice en el caso de que exista. La intensidad de la turbulencia supuestaisÔtropa (fig.5) no proporciona la misma informaciôn, pudiendo mostrar valoreselevados por fricciÔn viscosa cerca de las paredes donde la velocidad axial esrelativamente baja (fig.a).

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(a) levantamiento 6 mm (b) Ievantamiento B mm (a) levantamiento 6 mm (b) levantamiento g mm

Fig. 4: Velocidades Axiales Fig, 5: lntensidad de la turbulencia

Ademâs el espectro de turbulencia en el caso de 8mm para las dos componentes develocidad muestra una frecuencia caracteristica de 56 Hz (fig 6), que no se haobservado en el caso de 6mm. Esta frecuencia podria estar asôciada a fenômenosde precesiÔn del vÔrtice [1] en el caso de Bmm (vôrtice centrado). Esta informaciônno podria obtenerse sin este anâlisis espectral.

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Fig. 6: Espectros tangenciales y axiales para g mm.

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Las escalas integrales temporales de la velocidad tangencial, obtenidas del espectroe implementadas en el método indicado en la secciôn 2 [4],se muestran en Ia figura7' Los mâximos locales revelan el centro del vôrtice con un incremento en el valor dela escala integral temporal, comportamiento similar al esperable en el motor en tornoal PMS. Los valores elevados en las proximidades de las paredes concuerdan conlos incrementos de la intensidad de la turbulencia media mostradas anteriormente enla figura 5' La escala integral espacial se ha estimado a partir de la temporal

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asumiendo la hipÔtesis de Taylor, si bien ésta solo se considera vâlida paraturbulencia homogénea e isÔtropa y de magnitud inferiot ala velocidad media. Estasescalas espaciales (fig B), muestran una tendencia similar dado que las temporalesson importantes cerca del centro del vÔrtice, alcanzando valores del doble dellevantamiento de vâlvula. Este incremento de las escalas es consecuencia de lapresencia del swirl y el mismo comportamiento cabe esperar en pMS [6],[g],favoreciendo la difusiÔn râpida del combustible en el cilindro y por tanto el procesôde mezcla. La presencia de las paredes del bowl y la interacciôn con el squish, sinembargo, puede favorecer el incremento de las escalas en la proximidad de lasparedes' Con esta salvedad, la simetria mostrada por las escalas integrales puedejustificar la validez de medidas en motor de sôlo algunos puntos de la câmara decombustiôn en las proximidades del pMS.

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(a) levantamiento 6 mm (b) levantamiento B mm (a) levantamiento 6 mm (b) levantamiento g mmFig' 7: Escala temporal de velocidad tangencial Fig. 8: Escala espacialàe velocioad tangencial

4. Conclusiones

Los resultados aquI mostrados permiten extraer importantes conclusiones de lascaracteristicas de flujos dominados por el swirl, que pueden ayudar a comprender elcomportamiento del flujo en el interior del motor real.

Cuando el vÔrtice forzado estâ bien centrado tiene asociado un incremento de ladispersiÔn tangencial alrededor de su eje de rotaciôn, atribuible a la precesiôn delvÔrtice que se hace evidente mediante el anâlisis espectral. Asi, la elevadadispersiÔn revela Ia posiciôn de su centro, si bien puede verse enmascarado endeterminados casos por efectos como por ejemplo fricciôn viscosa en las paredes.Las escalas integrales tanto temporales como espaciales muestran valores elevadoscerca del eje indicando la presencia de vôrtices grandes y râpidos asociados alprincipal. Esta caracterlstica es de amplio interés para el proceso de mezcla enmotor, revelando que la turbulencia puede acelerar los procesos de mezcla ycombustiÔn. Ademâs, sus perfiles parecen ser simétricos àon respecto al eje delswirl, que estâ localizado cerca del eje del cilindro y, por tanto, cerca del inyector.

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Esta simetria puede justificar la medida en sôlo pocos puntos de la câmara de

combustiôn en motor real para caracterizar la turbulencia. Si bien hay que tener encuenta que el efecto de la pared en el motor puede ser muy importante con escalasintegrales grandes cerca de la superficie del bowl y del cilindro, tales estructurasquedarlan confinadas en la periferia [B] sin afectar apenas al flujo cerca del eje.

Por ültimo, cabe destacar que se han obtenido resultados satisfactorios en cuanto al

anâlisis de la turbulencia, sobre la base de medidas con tasa de datosconsiderablemente inferiores a las requeridas para la aplicaciôn de este tipo demétodos, lo que revela la potencialidad del aquI empleado para el estudio del flujo encondiciones adversas a la técnica ALD como es el caso de la medida en motor real.

Referencias

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