La simulación FSI (Fluid-Sestructura-Interacción) describe las interacciones entre la mecánica y el flujo en los componentes considerados. Por lo tanto Análisis de CFD y análisis de MEF ...se unieron entre sí. En este ejemplo de simulación, se investigará la influencia del enfriamiento del aire por conducción y transferencia de calor en la cabeza del cilindro en las tensiones mecánicas, deformaciones y fuerzas en el componente. Para llevar a cabo la simulación Cálculo de MEF y Cálculo del CFD están acoplados entre sí de tal manera que los resultados parciales del respectivo paso de tiempo están disponibles como condición límite para el cálculo de FEM así como para el cálculo de CFD. Por lo tanto, la utilidad de los resultados depende de la transferencia de datos sin errores en la interfaz entre el modelo FEM y el modelo CFD.
Cálculo de MEF
Para un cálculo estable de MEF, el modelo se construye de la forma más limpia y estructurada posible. Para la aleación de aluminio (EN AW-7075 T6) se especifican los siguientes datos del material:
- Densidad
- El módulo de Young
- Número de Poisson
- Coeficiente de expansión térmica
- Capacidad de calor específica
- Conductividad térmica
Las capacidades y conductividades térmicas se consideran dependientes de la temperatura para la aleación de aluminio.
Condiciones límite para el análisis de FE
La junta de la cabeza compensa las diferentes expansiones térmicas entre el cárter (hierro fundido gris) y la cabeza (aluminio). También compensa las irregularidades en las superficies de sellado que se producen con el tiempo debido a las cargas que actúan sobre ellas. Dado que en la simulación de la FSI sólo se debe considerar la culata del cilindro y la junta es flexible, no se muestra en este caso. Para simplificar, se supone que la superficie de la junta es fija.
- Cojinete: Cojinete fijo alrededor de las cabezas de los pernos y en la superficie de sellado
- Carga: Carga de temperatura en toda el área base
No hay fuerzas o presiones definidas como condiciones iniciales. Antes de acoplarse al cálculo del CFD, se realiza el cálculo del FEM y se evalúa para la validación de los resultados.
El modelo FSI de la cámara de flujo y la cabeza del cilindro
Cálculo del CFD
Para el cálculo del CFD, el espacio de flujo que envuelve las aletas de enfriamiento debe ser descrito en consecuencia, por lo tanto el modelo FEM se resta del espacio de flujo. Para el aire que fluye alrededor del sólido a temperatura ambiente, se supone lo siguiente para el análisis de CFD:
- Modelo de viscosidad: k-ε-RNG
- Fluido: Aire, como un gas compresible ideal
Para el flujo alrededor del componente, se modelan un flujo de entrada y uno de salida y se asume un flujo de masa constante.
Análisis FSI del componente y del aire ambiente
Para la simulación de la FSI, el acoplamiento entre el flujo y la mecánica estructural debe tener lugar en las áreas de las paredes para poder mapear la transferencia o disipación de calor de las paredes de la cabeza del cilindro al entorno. Así, sobre todo, el intercambio numérico de flujos de calor y temperaturas de pared se define para el paso de iteración respectivo y algunos ajustes adicionales impiden que la simulación se rompa debido a inexactitudes entre el modelo de FE y el modelo de CFD.
Resultado del análisis de la FSI
La interacción fluido-estructura (simulación FSI) puede utilizarse para modelar las tensiones y deformaciones en el componente, así como las interacciones con el aire ambiente. Debido a la complejidad de la interacción del cálculo de CFD y el cálculo de FEM, especialmente en las interfaces de los modelos, surgen numerosas fuentes de error.
La temperatura de la pared, la temperatura y la dirección del flujo
Por ejemplo, se necesitan especialistas experimentados para hacer los ajustes correctos para que una simulación FSI se ejecute de forma estable y ofrezca resultados plausibles. A pesar del hardware moderno, un análisis FSI complejo puede llevar rápidamente a enormes tiempos de computación, por lo que las simplificaciones son inevitables en la mayoría de los casos.
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