UNIVERSIDAD NACIONAL DE TRUJILLO FACULTAD DE INGENIERÍA ESCUELA DE INGENIERÍA MECÁNICA
Tema: “Análisis DFC del Flujo Compresible Subsónico en un Tubo de Escape E scape de Motocicleta” Curso: Mecánica de Fluidos II Ciclo: VII Profesor: Ing. Luis Julca Verástegui Alumnos: Arenas Chancan, Víctor Barrios Cárdenas, Luis Loayza Arias, Emmanuel Luján Luján, Elvis Rodríguez Ponce, Franco Rojas Rodríguez, Willy Villarreal Núñez, César
Trujillo, 24 de julio de 2014 1
Índice 1. GENERALIDADES --------------------------------------------------------------------------------------------------------
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1.1. Introducción y resumen ----------------------------------------------------------------------------------------
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1.2. Objetivos -----------------------------------------------------------------------------------------------------------
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1.3. Condiciones y Propiedades ---------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------2. MARCO TEÓRICO TEÓRICO -------------------------------------------------------------------------------------------------------
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2.1. Descripción general del tubo de escape------------------------escape-----------------------------------------------------------------------------------------------------------
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2.2. Estructura del tubo de escape de salida libre-------------------libre--------------------------------------------------------------------------------------------------
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2.3. Componentes de los tubos de escape------------------------escape-----------------------------------------------------------------------------------------------------------------
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3. PROCEDIMIENTO DE MODELAMIENTO Y SIMULACIÓN SIMULACIÓN ------------------------------------------------------
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3.1. Propiedades del fluido de estudio ----------------------------------------------------------------------------------------- ----------------------------
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3.2. Descripción del proceso de simulación del análisis fluido-dinámico ------------------------------
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3.3. Detalle del proceso de simulación en ‘‘Solidworks Flow Simulation’’ -----------------------------
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4. PRESENTACIÓN DE RESULTADOS RESULTADOS ----------------------------------------------------------------------------------
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5. CONCLUSIONES CONCLUSIONES ---------------------------------------------------------------------------------------------------------
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6. BIBLIOGRAFÍA BIBLIOGRAFÍA -----------------------------------------------------------------------------------------------------------
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1.
Generalidades 1.1. Introducción y resumen El diseño de los sistemas de escape para los motores de combustión ha sido un tema de amplio estudio por muchos años. Desde las implicaciones de contaminación sonora, hasta las recientes de normas de conservación ambiental; siempre ha sido muy importante controlar la manera en que los gases de combustión van a salir a nuestro medio ambiente. En esta oportunidad utilizando la simulación DFC, estudiaremos el flujo de aire ideal (reemplazando a los gases de combustión) en un tubo de escape. Específicamente, el tubo de una motocicleta. Para esto, vamos a suponer valores reales de salida de gases del motor de cuatro tiempos, y a suponer condiciones de frontera a la salida del tubo de escape. Con los programas ya calculados, haremos un análisis descriptivo de cómo varían los diversos parámetros de un flujo compresible. Veremos también su aplicación en la realidad. El software a utilizar será Solidworks con el complemento ‘’Flow Simulation’’. 1.2. Objetivos
Entender el funcionamiento de un tubo de escape de motocicleta.
Verificar el comportamiento del flujo subsónico a la salida de un sistema de escape.
Analizar el comportamiento de los parámetros de flujo compresible en el tubo de escape.
Describir las condiciones correctas para que el tubo de escape vaya de acuerdo a normas de cuidado ambiental.
1.3. Condiciones y Propiedades o
Aire:
Supondremos que el fluido de trabajo es aire como gas ideal. Este tipo de análisis también se realiza en estudios de motores de combustión interna.
Temperaturas de entrada al tubo [ ]
Presión de estancamiento (entrada al tubo)
Fluido compresible con pérdida de calor
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Flujo viscoso
Flujo permanente y sin gravedad
Flujo interno
Flujo laminar y turbulento (el programa analizará para cada número de Mach si el flujo es compresible o turbulento)
2.
Marco Teórico 2.1. DESCRIPCIÓN GENERAL DEL TUBO DE ESCAPE Se entiende como tubo de escape al conjunto de elementos que permiten dar salida a los gases quemados en los motores de combustión interna, enfriándolos para que terminen su expansión. De este modo, el choque de los gases con el aire libre se produce bajo una presión y un ruido más débiles. El sistema de escape de gases incluye (ver figura 2.1): Los tubos (de enlace o de conducción a menudo soldados con las “cámaras”). - Los
silenciadores (cámara de expansión y cámara de escape). - Los accesorios que permitan el montaje (entre si o bajo el vehículo)de los diferentes elementos (abrazaderas, bridas, gomas, silent-blocks etc).
2.1.1.Funcionamiento El principio de funcionamiento de un tubo de escape es hacer pasar los gases de escape a través de una caja (el silenciador), en la que se aplican los siguientes procesos:
Reflexión: Cada desviación del flujo gaseoso principal (ejemplo: rebote en una pared) provoca una reducción del ruido => organizar "circuitos" dentro del silenciador, por medio de tubos y tabiques.
Absorción: El paso del flujo gaseoso, o mejor de la onda acústica, a través de un material insonorizante (lana de vidrio) provoca una reducción del nivel sonoro (sobre todo a alta frecuencia).
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Presión: La reducción de la presión del flujo gaseoso (ejemplo: expansión en una cámara de gran volumen, paso por un tubo de gran diámetro) provoca una reducción del nivel sonoro.
Interferencia: En ciertas condiciones, cuando están presentes ondas sonoras que tengan frecuencias de vibración diferentes, se traduce por la anulación de estas ondas sonoras y, por consiguiente, en la reducción del nivel del ruido.
2.1.2. Diferencias entre tubos de escape homologados y no homologados La principal diferencia entre el tubo de escape homologado y el no homologado, es el tubo interno del silenciador. En el primer caso, el tubo interno lleva un circuito de conducción de gases para conseguir la reflexión de los gases. En el caso de los tubos no homologados el tubo interno es de paso directo, con lo que no se produce dicha reflexión. En las motos deportivas de 4T (Racing, Off-road y Quads), para uso en competiciones o circuitos cerrados, los tubos de escape originales son substituidos, generalmente, por tubos competición o de escape libre, no homologados, para conseguir una mejora global de las características mecánicas del motor.
En comparación con los tubos homologados, los
tubos no homologados consiguen un incremento del par y de la potencia en todos los regímenes de rotación (Figura2.2.), con una distribución más potente y fácilmente utilizable a regímenes intermedios, un aumento de la potencia máxima y una sensible capacidad de alargue en altas revoluciones. La sonoridad de estos escapes es de tipo deportivo, con ahorro en términos de peso y de resistencia al estrés mecánico y térmico. Además, el aumento de potencia (5-10%) en los regímenes medios y medios altos, robustecen la producción de potencia del motor. La usual caída de potencia cuando se está “pasado de revoluciones”, propio de los escapes tradicionales, es drásticame nte reducida, permitiendo
un mayor rendimiento de aceleración y de velocidad máxima.
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2.2. ESTRUCTURA DEL TUBO DE ESCAPE DE SALIDA LIBRE Este tipo de silenciadores están compuestos por una estructura externa formada por una carcasa (o botella) que puede ser de Aluminio pulido, de Fibra de Carbono (que consta de dos capas, interior y exterior, separadas por una malla de inoxidable que le confiere una mayor rigidez), o de Acero inoxidable. En los extremos de dicha botella encontramos dos toberas de Aluminio fundido, una es la que da salida a los gases de combustión y la otra va unida a los colectores y tubos de enlace de la moto. Estos últimos son de acero inoxidable AISI-304, así como todas las abrazaderas o arandelas que se añaden al tubo para una mejor sujeción a la moto. La estructura interna consta de un cilindro de malla perforada de acero inoxidable que trabaja en combinación con una banda de fibra de vidrio anticalorica, un buen material acústico absorbente para competiciones (Fig.2.3). Todo ello consigue un eficaz efecto de absorción acústica y una gran resistencia mecánica, que impide la dispersión de los gases del escape.
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2.3. COMPONENTES DE LOS TUBOS DE ESCAPE Existen dos tipos de tubos de escape de salida libre: los Bolt-on (Figura 4), el silenciador de los cuales va directamente unido a los colectores de la moto, y los Sleep-on (Figura 5) en los que el silenciador va unido a la moto mediante un tubo de enlace. Los componentes que forman dichos tubos serán distintos según el modelo de tubo de escape.
2.3.1. Componentes
Carcasa: Es el elemento que recubre el silenciador y queda a la vista del público, por ello sus acabados deben ser excelentes, puesto que los usuarios potenciales de dichos
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tubos además de estar interesados en las mejores características técnicas, también tienen en cuenta la estética de la moto. Son tubos que se obtienen por extrusión, y pueden ser cilíndricos o bien ovales, según el modelo (Fig.2.6).
Material: La carcasa puede ser de tres materiales distintos: de Aleación de Aluminio 6060, que tiene una resistencia a la tracción de Rt=25 Kg/mm2, de Acero inoxidable AISI-304, con una resistencia Rt=50-70Kg/mm2 con lo que se obtiene una mayor robustez, o bien de Fibra de Carbono que consta de dos capas (interior y exterior), separadas de una malla de inoxidable que le confiere mayor rigidez sin incrementar su peso.
Tratamientos superficiales: Las de Acero inoxidable AISI-304 son sometidas a recocido, y solo puede endurecerse en frío. Todas ellas son pulidas e incluso algunas pintadas para obtener distintos efectos estéticos. Medidas y cotas principales: La longitud de la carcasa es de con un diámetro exterior de y un espesor de . El diámetro interior
ha de permitir un ajuste con apriete para no transmitir un esfuerzo notable, y poder montar y desmontar las piezas.
Tobera de entrada: Los gases de combustión interna del motor entran en el silenciador a través de la tobera de entrada. Éstas se obtienen por fundición a presión en cámara fría. Existen distintos tipos de toberas de entrada, según sean para tubos de escape Sleep-on (Fig.2.7), o para tubos de escape Bolt-on (Fig.2.8).
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Tobera de salida:
Esta tobera es la que da salida a los gases de combustión ya filtrados. La estética de ésta también es importante, pues forma parte del silenciador, propiamente dicho. Las toberas se obtiene por fundición de aluminio. La tobera de salida es igual para los dos tipos de tubos de escape, y tiene dos formas según la forma del tubo, oval o circular. (Fig.2.9).
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Tubo Interno:
Se trata del tubo interno del silenciador por donde pasan los gases de combustión. Éste les da salida directa al exterior, pero al estar perforado permite que los gases lleguen hasta la fibra de vidrio que atenúa el ruido (Fig.2.10). En casos en los que se necesite elevada resistencia a la presión y absoluta impermeabilidad a los gases, este tubo interno tiene unos redoblones que actúan como atenuador especial para reducir el sonido (Fig.2.11).
Envoltorio de fibra de vidrio
La fibra de vidrio es un material anticalórico y un buen absorbente acústico. Esta fibra de vidrio esta aleada con elementos químicos preciosos que proporcionan una excelente resistencia a temperaturas de hasta 850ºC en funcionamiento continúo y es capaz de soportar, sin daños, picos de 1000ºC. El diámetro y el largo de sus fibras aseguran una
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eficaz absorción acústica y una gran resistencia mecánica, que impide la dispersión de los gases de escape. La sección de lana de vidrio está sobre los 0.2 m2 y varía según el modelo de tubo de escape.
Tubo de enlace:
Una de las características más importantes de este tipo de tubos de escape es su exclusividad, es decir, para cada modelo de moto se fabrica un especifico silenciador y cada tubo se distingue del otro por el enlace. El tubo de enlace tendrá distinta forma según el modelo de moto, acoplándolo al máximo a ésta y conseguir la forma más aerodinámica de la moto y así un mayor rendimiento (Fig.2.12). La función del tubo de enlace es la de dar salida a los gases quemados al salir del motor y enviarlos al silenciador.
Platina inox: La platina sirve para unir el tubo de enlace al silenciador en el caso de tubos Sleep-on Circular. Se trata de una plancha circular de 3mm de espesor cortada por láser (Fig.2.13).
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Cono:
En los tubos Bolt-on, en el extremo de entrada de aire del tubo interno, lleva soldado un cono, que sirve para expandir los gases a la salida del silenciador. (Fig.2.14).
Muelles:
El tubo de enlace, de los tubos Sleep-on ovales, va unido a la tobera mediante dos muelles con ganchos en los extremos, que aplican presión entre ambas partes (Fig.2.15).
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Accesorios: Se entiendo por accesorios a todos los elementos necesarios para colgar el silenciador de la motocicleta. Estos no son iguales para cada modelo y dependen de las exigencias del cliente. Entre ellas encontramos: - Abrazaderas de aluminio (Fig.2.16) - Arandelas (Fig.2.17). - Estribos para el acompañante (Fig.2.18), etc.
Sistema de Escape A primera vista podía parecer que el dispositivo de evacuación de los gases de escape de los automóviles debía ser un simple tubo que desechara los gases a la atmósfera, pero en la práctica, ese concepto está bien lejos de la realidad, y, de hecho, este sistema es muy importante y tiene sus particularidades que veremos a continuación. El sistema de escape se puede dividir en dos partes: las que corresponden al motor, y las que corresponden al tubo de escape que conduce los gases al ambiente. En la figura 1 se muestra un diagrama de bloques de un sistema de escape. En él se podrá observar que las partes que lo constituyen son las siguientes:
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Las válvulas de escape. El múltiple de escape. Los sensores de oxígeno. El convertidor catalítico. El silenciador. El resonador. El tubo de cola o salida. Los tramos de conducto que unen las partes. Se observará que los gases muy calientes, (hasta 700ºC), que abandonan el motor se
hacen converger en el múltiple de escape, y se conducen a través de tuberías a los distintos dispositivos que componen el sistema, hasta terminar en la atmósfera a través del tubo de cola. Note que la temperatura de los gases va decreciendo a medida que se mueve por el sistema, pero siempre se tratará de que salgan a la atmósfera aun a más de 100ºC. Veamos ahora algunas particularidades de las partes componentes.
3.
Procedimiento de Modelamiento y Simulación
3.1 Propiedades del fluido de estudio y datos geométricos de la sección :
Para el proceso de simulación del análisis fluido-dinámico, el fluido considerado será el aire como gas ideal, en reemplazo de los gases de combustión. El comportamiento es muy similar, y nos facilita la tarea de simulación. Se considera también con flujo laminar y turbulento, permanente, compresible y viscoso.
El flujo del aire se supone también estacionario; esto sucede cuando la velocidad en un punto es independiente del tiempo.
El fluido a evaluar es aire a presión de estancamiento , temperaturas . Hemos tomado estos valores basándonos en valores
experimentales típicos de temperatura de salida del motor de combustión de cuatro tiempos.
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La superficie del tubo será considerada como perfectamente lisa. Supondremos también que cuando la motocicleta ya está trabajando, la temperatura del tubo de escape se hace uniforme y elegimos el valor constante de 373 K. Más adelante explicaremos el porqué de elegir este valor.
Damos detalle de nuestro tubo de escape.
3.2 Descripción del proceso de simulación del análisis fluido-dinámico 3.2.1 Detalle del proceso de simulación en Solidworks Flow Simulation Daremos detalle del proceso de simulación para un número de Mach a una de nuestras temperaturas de entrada del aire a tubo de escape.
En primer lugar dibujamos el tubo de escape en el programa Solidworks. Guardamos el archivo en su propia carpeta. Debemos crear Lids (tapas) para crear un volumen cerrado y poder establecer condiciones de frontera. Vamos a Wizard y n la configuración seleccionamos Create New. Damos nombre al programa y a la configuración nueva.
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Seleccionamos flujo interno y excluimos cavidades sin condiciones de flujo.
Seleccionamos aire como fluido y elegimos flujo laminar y turbulento. Como sólo trabajaremos con flujos subsónicos (una moto nunca de pasa de Ma = 1 en cuanto a sus gases de escape).
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Seleccionamos pared adiabática sin rugosidad.
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No establecemos ninguna condición pues más adelante se pondrá las condiciones de frontera asignadas. Sólo colocamos las temperaturas de entrada de aire y la presión de entrada de 2 bar.
Ubicamos el refinamiento de la solución en 5 y finalizamos el ‘’Wizard’’.
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Ahora establecemos el dominio computacional 3D.
En los Boundary Conditions elegimos el LID de la izquierda para colocar el Mach de entrada correspondiente. En el LID de la derecha colocamos la presión atmosférica y temperatura ambiental de 293 K como condiciones de salida. También daremos condiciones de pared real a 373 K a toda superficie del tubo que tenga contacto con el aire.
Finalmente hacemos correr el programa y empezamos a analizar los resultados.
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4.
Presentación de los Resultados A continuación mostraremos los resultados de Cut Plot de las simulaciones para cada uno de los Números de Mach de entrada y Temperaturas de entrada. A partir de ellos analizaremos el efecto del tubo de escape en el flujo de salida de un motor de motocicleta.
Gráficos para temperatura de entrada del aire al tubo de escape = 573 K, Número de mach = 0.2 Presión:
Velocidad:
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Número de Mach:
Gráficos para temperatura de entrada del aire al tubo de escape = 573 K, Número de mach = 0.4 Presión:
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Velocidad:
Número de Mach:
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Gráficos para temperatura de entrada del aire al tubo de escape = 573 K, Número de mach = 0.6 Presión:
Velocidad:
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Temperatura:
Gráficos para temperatura de entrada del aire al tubo de escape = 573 K, Número de mach = 0.8 Presión:
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Velocidad:
Número de Mach:
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Gráficos para temperatura de entrada del aire al tubo de escape = 673 K, Número de mach = 0.2 Presión:
Velocidad:
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Número de Mach:
Gráficos para temperatura de entrada del aire al tubo de escape = 673 K, Número de mach = 0.4
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Presión
Velocidad:
Número de Mach:
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Gráficos para temperatura de entrada del aire al tubo de escape = 673 K, Número de mach = 0.6 Presión:
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Velocidad:
Número de Mach:
Gráficos para temperatura de entrada del aire al tubo de escape = 673 K, Número de mach = 0.8 Presión:
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Velocidad:
Número de Mach:
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