Simulación del comportamiento de un sistema limpiaparabrisas utilizando modelos de atomización lagrangianos y de películas de fluidos de pequeña espesor

Simulación del comportamiento de los fluidos en un sistema limpiaparabrisas Pág. 1 Resumen Este estudio fue realizado dentro del grupo de aerodinámica del centro de cálculo técnico de SEAT. Se centra en desarrollar una metodología de trabajo práctica para evaluar el comportamiento de los sistemas limpiaparabrisas, a nivel de los fluidos, en los automóviles con las herramientas actualmente disponibles sobre el mercado. En este proyecto se utiliza el software STAR-CD y se hace uso de la capacidad de simulación del mismo en los fenómenos de atomización de fluidos (spray) y de deposición de película de pequeño espesor (liquid film) en cálculos transitorios. Se comparan los diferentes modelos de spray y deposición del líquido sobre la superficie del parabrisa a fin de optimizar de optimizar los resultados obtenidos y evaluar las capacidades del software para este tipo de estudio. Se obtiene una buena concordancia con resultados experimentales aunque faltan dados para mejorar la precisión del modelo. Siguiendo la metodología empleada en este trabajo se podrá perfeccionar el modelo en estudios futuros particularmente en cuenta a los parámetros de los inyectores. Durante el proyecto también se ha creado un modelo con generación de lluvia que se puede ser generalizado a todo el vehículo y acoplado al tema de soiling. Pág. 2 Memoria Simulación del comportamiento de los fluidos en un sistema limpiaparabrisas Pág. 3 Sumario RESUMEN ______________________________________________________1 SUMARIO _______________________________________________________3 1. GLOSARIO__________________________________________________5 2. INTRODUCCIÓN _____________________________________________7 2.1. El interés del proyecto ..........................................................................................7 2.2. Antecedentes.........................................................................................................7 2.3. Objetivos del proyecto ..........................................................................................7 3. TEORÍA ____________________________________________________9 3.1. Elementos de aerodinámica de turismos[1]......................................................9 3.2. Base de la simulación numérica de fluidos......................................................10 3.2.1. Interés..............................................................................................................10 3.2.2. Ecuaciones de mecánica de fluidos...............................................................10 3.2.3. Turbulencia......................................................................................................11 3.2.4. Condiciones límites.........................................................................................13 3.2.5. Discretización y mallado.................................................................................13 3.2.6. Algoritmos de resolución de grandes sistemas lineares................................15 3.3. Flujos bifásicos....................................................................................................15 3.3.1. Modelos de flujos bifásicos .............................................................................15 3.3.2. Estudio de la atomización...............................................................................23 3.3.3. Interacción de la fase dispersa con la pared..................................................24 4. IMPLEMENTACIÓN DEL CÁLCULO: PREPROCESO - SOLVERPOSTPROCESO ____________________________________________31 4.1. Introducción sobre la realización de un cálculo................................................31 4.2. El mallado con ANSA e ICEM...........................................................................32 4.2.1. ANSA y el mallado superficial..........................................................................32 4.2.2. ICEM por el mallado del volumen....................................................................35 4.3. Introducción al software STAR-CD....................................................................39 4.3.1. Introducción a la metodología..........................................................................39 4.3.2. Calculo estacionario........................................................................................40 4.3.3. Modelización Lagrangiana/Euleriana de fase dispersa...................................42 4.3.4. Modelización de los ciclos de limpiaparabrisas con subrutinas.....................44 4.4. Postproceso con Ensight...................................................................................47 Pág. 4 Memoria 5. RESULTADOS _____________________________________________ 51 5.1. Resultados estacionarios...................................................................................51 5.2. Resultados transitorios.......................................................................................53 5.2.1. Comparación de diferentes modelos de spray...............................................53 5.2.2. Comparación de diferentes modelos de interacción con la pared.................55 5.2.3. Evolución con el tiempo:.................................................................................59 6. ESTUDIO EN EL CASO DE GENERACIÓN DE LLUVIA____________ 61 6.1. Interés...................................................................................................................61 6.2. Implementación....................................................................................................61 6.2.1. Generación aleatoria de gotas ........................................................................61 6.2.2. Otras propiedades y modelos de la lluvia.......................................................64 6.3. Resultados...........................................................................................................64 7. ESTUDIOS COMPLEMENTARIOS _____________________________ 67 7.1. Impacto medio-ambiental...................................................................................67 7.2. Seguridad.............................................................................................................67 7.3. Estudio económico.............................................................................................67 CONCLUSIONES _______________________________________________ 69 AGRADECIMIENTOS ____________________________________________ 71 BIBLIOGRAFÍA_________________________________________________ 73 Referencias bibliográficas............................................................................................73 Simulación del comportamiento de los fluidos en un sistema limpiaparabrisas Pág. 5 1. Glosario ρ densidad u,v,w componentes cartesianas de la velocidad υ viscosidad g fuerza de gravedad l longitud K coeficiente de Fourier de conducción de calor T temperatura ψ función de disipación del calor ε coeficiente de disipación del energía turbulenta k energía cinética turbulenta p presión cµ coeficiente de viscosidad m masa md masa de las gotas Cd coeficiente de resistencia al avance de las gotas A superficie V velocidad absoluta Cam coeficiente de masa virtual q flujo de calor Dd diámetro de las gotas τb tiempo característico de desintegración σd tensión superficial δ espesor de la película de fluido U velocidad mediana u’ velocidad turbulenta Simulación del comportamiento de los fluidos en un sistema limpiaparabrisas Pág. 7 2. Introducción 2.1. El interés del proyecto En la aerodinámica de turismos se estudia cada vez más temas diferentes del simple flujo alrededor del coche. El temo de fluidos al exterior del vehículo ha sido poco explorado pero tiene su importancia en cuenta al la visibilidad. En efecto la deposición de fluido puede impedir una buena visión y aún mas si lleva una partículas de suciedad. 2.2. Antecedentes En SEAT la idea del tema ha surgido por problemas ocurridos al cambiar la posición de los limpiaparabrisas al reposar pasando de abajo del parabrisa a los lados. Eso ha entrenado unos problemas de líquido fluyendo sobre los motores eléctricos y causando problemas de fiabilidad del sistema. En efecto, el líquido llega en la zona de recirculación si los limpia parabrisas bajan demasio y no está ben evacuado. 2.3. Objetivos del proyecto Como se han utilizado nuevos modelos implementados en STAR-CD para la atomización y la deposición de capa de pequeño espesor, se estudiará en la lituratura los modelos teóricos que se utilizan. Ademá como el tema todaviá no ha sido explorado en SEAT, primero se necesita establecer una metodología de trabajo con el software STAR-CD y resolver los problemas informáticos debidos a la implementación de nuevos módulos en la simulación. Unos primeros resultados son encontrados que pueden ser mejorado y profundizado en el futuro. Pág. 8 Memoria Simulación del comportamiento de los fluidos en un sistema limpiaparabrisas Pág. 9 3. Teoría 3.1. Elementos de aerodinámica de turismos[1] Todavía no existen predicciones teóricas que corresponde exactamente a la realidad sobre el tema de resistencia al avance de vehículos. Esta dificultad está debido a la complejidad geométrica del coche, que se encuentra entre la de una cuerpo de revolución y de una caja rectangular. La resistencia de un cuerpo de revolución (Cd=0,05) es debida principalmente a fuerzas de fricción, por la viscosidad del aire, mientras ocurre sobre todo resistencia de presión en el caso de una caja rectangular. El flujo alrededor de un turismo se parece más al de una caja rectangular que a un cuerpo de revolución a pesar de la relativamente baja resistencia al avance. En efecto, las numerosas separaciones a lo largo de la geometría hacen que la resistencia sea sobre todo de presión. Unas de las líneas de separación están casi bidimensionales y si reenganchan la superficie, se forman burbujas de separación. El flujo dentro de estas es tridimensional por ser desprendido de un cuerpo tridimensional y contienen circulación. También hay separación tridimensional, que se forma mayoritariamente en los cantos vivos del coche. Las diferentes partes del vehículo tienen muchas interacciones entre ellas. Así el flujo no se puede estudiar parte por parte pero se tiene que considerar las causas físicas, el origen local, y el efecto sobre el campo alrededor. A continuación se recuerda las consideraciones principales sobre las diferentes partes de los vehículos. En la parte delantera se debe de una parte diseñar el frontal para que no haya separación del aire sobre el capo. De otra parte se posiciona el punto de estancamiento, que determina la proporción de aire que pasa sobre y debajo del vehículo. Aunque la posición ideal de este depende del diseño del frontal, generalmente un punto estancamiento bajo disminuye la resistencia al avance. Una inclinación del parabrisa grande es favorable a la disminución del drag por una desviación más pequeña del flujo a la transición con el techo y la reducción de la velocidad en el montante A. Mientras tanto, no se debe superar un ángulo de 60° que provoca el aumento del calor debido al sol para los pasajeros y una mala difusión de la luz. Aunque el flujo recorra la zona del capo son separación, esta ocurre en la bóveda del tablero y el flujo se reengancha sobre el parabrisa. El aumento del ángulo δ del parabrisa avanza la separación y retrasa el reenganche. La localización y la forma tridimensional de la burbuja Pág. 16 Memoria En el modelo euleriano las dos fases son tratadas como dos continua interpenetrandose. Las ecuaciones son resueltas para cada fase considerando que cada una ocupa una fracción del volumen. Un término de interacción entre las fases es añadido en las ecuaciones de transporte. Se trata de un modelo muy general que puede ser utilizado tanto en el caso de flujos continuos como discretos. Al contrario, el modelo lagrangiano, se utiliza en el caso de que haya una o más fase dispersa para la cual las ecuaciones de transporte son escritas en su forma lagrangiana. Así para cálculos con solamente fases continuas se debe utilizar el modelo eulariano mientras para estudios con fase dispersa es más eficiente el modelo lagrangiano. Además con STAR-CD otros modelos tales que atomización y liquid film son implementado con el modelo lagrangiano. Por eso es él que se utiliza para la realización de este estudio ya que se trata de gotas de líquido en forma de spray o lluvia. 3.3.1.2. Introducción al modelo lagrangiano: En este modelo, se trata de un flujo constituido por una fase continua que puede ser gaseosa o líquida y de una o más fases en forma de partículas sólidas, gotas líquidas o burbujas. En general ambas fases influyen una sobre la otra vía efectos de desplazamientos y transferencias de cantidades de movimiento, masas y calor. La importancia de esas interacciones depende principalmente del tamaño y de la densidad de las partículas. El flujo continuo está modelizado por las ecuaciones expresada en la forma euleriana, ligeramente modificada para tener en cuenta la presencia de la fase dispersa, ésta siendo gobernada por las ecuaciones lagrangiana. En el caso de grandes números de elementos dispersos, los cálculos se hacen de manera estadística, considerando parcelas de cálculos, cada una de elle representando un grupo de elementos que tienen las mismas propiedades. Las ecuaciones lagrangianas son entonces resueltas para cada parcela. En el caso de una fase continua turbulenta, cada partícula tendrá su camino propio, aleatorio debido a la interacción con el campo fluctuante de velocidades turbulentas mientras para un flujo continuo laminar cada elemento proviniendo de un punto particular tendrá una trayectoria ya determinada. Durante sus trayectos, las partículas pueden cambiar de tamaño, debido a varias razones: - transferencia de masa entre fases si la fase dispersa está volátil, soluble o reactiva. - acción de fuerzas fluido-dinámicas sobre la partícula que producen su división en elementos más pequeños. Simulación del comportamiento de los fluidos en un sistema limpiaparabrisas Pág. 17 - colisión entre elementos está al origen del efecto de aumento de tamaño por coalescencia o aglomeración. - 3.3.1.3. Las ecuaciones de conservación para la fase continúa. Las ecuaciones son las mismas que por un cálculo monofásico, teniendo en cuenta la fracción de volumen α ocupado por la fase dispersa. Pues se debe multiplicar la densidad y la viscosidad efectiva del fluido por α, así que el término de derecho representando las fuentes integradas sobre volúmenes. 3.3.1.4. Las ecuaciones de conservación para la fase dispersa Ecuación de cantidades de movimiento para una gota Los términos de fuerzas tienen el significado siguiente: - dr F la fuerza de resistencia al avance: Con Cd el coeficiente de resistencia al avance que depende del Reynolds de la gota: - p F la fuerza de presión dada por: - am F la fuerza « virtual de masa », requisita para acelerar el flujo continuo entrenado por la gota. bampdr d dFFFF dt du m+++= (Ec. 3 .10) bdddddr uuuuACF)(... 2 1−−= ρ (Ec. 3 .11)    > ≤+ =3 3687.0 10 10 ,44.0 ,15.01(24 d dd Re ReRe Cd (Ec. 3 .12) pVF dp ∇−= (Ec. 3 .13) dt uud VCFd damam )( − −= ρ (Ec. 3 .14) Pág. 18 Memoria - b F es el termino general de fuerza sobre el cuerpo tal que la gravitación y también los efectos de la aceleración en coordenadas non inercial. Otras fuerzas se pueden añadir por subrutinas. Ecuación de conservación de la masa En caso de transferencia de masa con una tasa Fm por unidad de superficie, la tasa de cambio de masa de las partículas está dado por: Ecuación de la energía Tiene en cuento los mecanismos de transferencia de calor superficiales de tasa ,, d q por unidad de superficie y perdida/ganancia debida a cambio de fase. En todas esas ecuaciones los coeficientes de resistencia al avance, de transferencia de masa y calor son obtenidos de estudios experimentales o teóricos separados y se pueden cambiar por el usuario vía subrutinas. 3.3.1.5. Modelo de desintegración Las gotas pueden volverse inestable con el acción de fuerzas interfaciales inducidas por el movimiento relativo con la fase continua y un fenómeno de desintegración ocurre entonces durante el cual una gota primaria genera gotas secundarias de diámetros diferentes. Tres modelos de desintegración existen en STAR-CD: - Reitz & Diwakar - Pilch & Erdman - Hsiang & Faeth Para cada una de estos modelos la tasa de cambio de diámetro de las gotas es: ms dFA dt dm −= (Ec. 3 .15) m d fgds ddp ddt dm hqA dt Tcd m+−== ,, . ,)( (Ec. 3.5 ) Simulación del comportamiento de los fluidos en un sistema limpiaparabrisas Pág. 19 con Dd el diámetro instantáneo de la gota y τb el tiempo característico de desintegración. Modelo de Reitz & Diwakar Según este modelo, la desintegración de gotas debida a las fuerzas aerodinámicas ocurre en uno de los modos siguientes: - Bag desintegración en el cual el campo de presión no uniforme alrededor de la gota la hace expenderse en la región de estela de baja presión y finalmente desintegrar cuando las fuerzas de tensión superficial esta sobrepasada. - Stripping desintegración, un proceso durante el cual el líquido esta arrastrado de la superficie de la gota. El diámetro estable de la gota así que el tiempo característico de desintegración ha sido estudiado teóricamente. El criterio de estabilidad depende del número de Weber: para bag desintegración con 1b Centre 3.6 y 8.4. para stripping desintegración con 1s Cfijado a 0.5 Modelo de Pilch-Erdmann Este modelo establece una correlación con datos experimentales. La desintegración ocurre para We superior a un Weber crítico obtenido con la formula: b stabledd dDD dt dD τ )( , − −= (Ec. 3 .17) 1 2/3 2 2b d dd C Duu We ≥ − =σ ρ (Ec. 3 .18) 1s d C Re We ≥ (Ec. 3.19 ) ))(077.11(12 6.1 OhWec+= (Ec. 3 .20) Pág. 20 Memoria Luego cinco regimenes de desintegración son diferenciados según el número de Weber: - desintegración de vibraciones - desintegración de bolsa - desintegración de bolsa y « etamina » - desintegración de hoja - desintegración de cresta de onda Modelo de Hsiang & Faeth Este último modelo es valido por We<1000, y trata de todos los tipos de desintegración que pueden ocurrir en inyección de fuel en motores Diesel. 3.3.1.6. Modelo de colisión entre gotas El modelo sigue el de O’Rourke al cual han sido añadidos algoritmos para mejorarlo. Las interacciones generales son de tipo: - coalescencia - separación - rebote. En los mecanismos de separación y rebote, solo cantidad de movimiento está intercambiada mientras para la coalescencia también hay intercambio de masa y calor. La resolución de esto se hace estadísticamente de manera a evitar la creación de demasiadas nuevas parcelas. El modelo de STAR-CD permite que parcelas que no están en las mismas celdas colisionen si cumplen las condiciones requeridas. La colisión entre parcelas esta detectada una vez por paso de tiempo dentro de un grupo de celdas. Esta detección se hace entre cada pareja del grupo. Este grupo contiene la celda donde se encuentra una gota, y las celdas vecinas. Por un grupo de nivel 1, las celdas vecinas son únicamente las celdas que comparten una cara con la celda central. En el de nivel 2 se encuentran las adyacentes a la celdas de nivel 1… Al subir de nivel se aumentara el tiempo de cálculo considerablemente. 3.3.1.7. Dispersión turbulenta Una gota en el campo de velocidad fluctuante de un flujo turbulento responde de acuerdo con su inercia. El modelo estocástico supone que la gota interactúa con diferentes eddies. El tiempo de interacción debe ser el más pequeño del tiempo de vida del eddy y del tiempo necesario para que la gota para cruce el eddy. Así la gota tiene una velocidad instantánea en cada eddy dada por: u= U+u’. Simulación del comportamiento de los fluidos en un sistema limpiaparabrisas Pág. 21 Con U la velocidad mediana local y u’ la perturbación aleatoria. Esto es calculado con una función Gaussiana de valor mediana 0 y desviación estándar: Donde k es la energía turbulenta cinética. 3.3.1.8. Condiciones límites Entrada de la fase dispersa. La introducción de la fase dispersa se puede hacer en uno o más puntos discretos. Se debe introducir un número de parcelas suficiente para representar estadísticamente la populación real así que las condiciones iniciales de las gotas tales que lugar de introducción, velocidad, densidad o distribución de estas. Hay tres maneras de introducir la fase dispersa: - Inyectores que modelizan la formación de spray gracias a modelos de atomización (Huh / Reitz & Diwakar) y de una tobera efectiva. Permite calcular la velocidad de salida que es el parámetro más importante en el caso de la formación de un spray. (Cf. Párrafo spray 3.3.2 para más detalles) - Entrada sin atomización: permite una introducción de gotas en diferentes lugares definidos sobre la geometría con sus condiciones iniciales. - La utilización de una subrutina se puede utilizar al mismo tiempo que uno de los 2 modelos precedentes. Permite por ejemplo al usuario definir su propio modelo de tobera o de distribución de las propiedades de las gotas. También se puede utilizar para generar gotas de manera aleatoriamente. Interacción con paredes: Al interactuar con una pared, una gota puede: - Rebotar - Adherir (con formación de una película de fluidos) - Evaporarse instantáneamente - Romper y generar gotas secundarias Esos fenómenos dependen de los parámetros de llegada de la gota y también de la superficie de la pared. En el párrafo sobre películas de fluidos se estudia los criterios de formación de esta misma, y se describe el modelo de Bai, implementado en STAR-CD. 2/1 )3/2(k=σ (Ec. 3 .21) Pág. 22 Memoria 3.3.1.9. Método de discretización Las ecuaciones lagrangianas que gobiernan las propiedades de las partículas son discretizadas de la forma diferencial del primer orden ordinario. Son después integradas a lo largo de la trayectoria de cada parcela de cálculo. Los valores locales del fluido requeridos son interpolados en el centro de las celdas. En todo caso, algo perdido por una fase es ganado por la otra. Para definir el tiempo de paso de una gota, primero se calculo el tiempo necesario para que la gota atravesara la fracción C de una celda local característica de tamaño l. donde C es el número de corriente de la celda y típicamente fijado a 0.35. Después d tδ es evaluado por la expresión: 3.3.1.10. Calculación numérica de un flujo bifásico disperso. En el Software STAR-CD, se pueden utilizar los algoritmos SIMPLE o SIMPISO para cálculos estacionarios y en el caso de un cálculo transitorio se emplea el PISO extendido. En este último las ecuaciones lagrangianas de las gotas son incluidas en la secuencia predictor-corrector, lo que permite conseguir una solución simultánea entre las dos fases, utilizando el paso de tiempo δtd como subpaso de tiempo. Se puede mejorar la convergencia gracias a un factor de subrelajación. Además el cálculo puede ser acoplado o no. Será acoplado en el caso de que ambas fases tenga una influencia importante sobre la otra. Si la fase dispersa influye de manera despreciable sobre la fase continua, un flujo desacoplado permite ahorrar mucho tiempo de cálculo. Eso se hace calculando primero los campos de velocidades, presión y otras variables útiles para el flujo continuo en estacionario. En el cálculo transitorio, se desactiva entonces todas las variables del flujo continuo. Las condiciones iniciales están los campos calculados previamente en el estacionario. d cu l Ct=δ (Ec. 3 .22) [ ] bTmMcdttt ττττδδδ 3.0,,,,,min= (Ec. 3 .23) Simulación del comportamiento de los fluidos en un sistema limpiaparabrisas Pág. 23 3.3.2. Estudio de la atomización Modelos de atomización han sido desarrollados en grande parte para la simulación de spray de diesel y gasolina en los motores a combustión interna, por lo cual se requiere una muy grande precisión de la modelización. Para un modelo muy preciso del spray, hace falta tener en cuenta procesos tales que: el proceso de inyección, la atomización del spray, roto de gotas, colisión de gotas, coalescencia, interacción gota/pared, y vaporización. Como varios de esos procesos ocurren con escala de tiempo por debajo de la de resolución de la rejilla numérica, es necesario introducir modelos que describen el proceso completo y que está validado con experimentos. 3.3.2.1. Condiciones iniciales: salida de la tobera Los flujos dentro y saliendo de la tobera pueden ser muy diferentes según el diseño de esta, de la presión del fluido inyectado… Para no tener que modelizar el flujo dentro del inyector, se utilizan modelos de tobera por lo cuales hace falta entrar parámetros tales que: el diámetro efectivo de la tobera, las tasas L/D y R/D, el flujo másico de líquido, presión y temperatura a la salida. A partir de esos parámetros se pueden calcular la velocidad efectiva de salida, el ángulo del spray, la superficie del flujo de salida, el coeficiente de descarga instantáneo. Ya que se suele utilizar parceles de gotas para ahorrar tiempos de cálculos, el diámetro de las parcelas a la salida corresponde al diámetro efectivo de salida de la tobera. 3.3.2.2. Desintegración de las gotas La deceleración normal entre dos superficies de densidad diferente es la causa de la instabilidad, llamada instabilidad de Rayleigh-Taylor (1998). En el caso de una gota de líquido moviendo a velocidades altas, la superficie sotavento de la gota es inestable y es deformada, lo que puede resultar en la formación de gotas más pequeñas. El modelo de Reitz & Diwakar: Implementación de STAR-CD Este modelo esta basado sobre el modelo de desintegración de Reitz (ver párrafo 3.3.1.5). En este caso el ángulo del cono debe ser conocido ya que se necesita para calcular la velocidad inicial de las gotas. El modelo de atomización de Huh. Este modelo esta basado sobre la hipótesis que los dos mecanismos más importantes en la atomización son: - la inercia del gas Pág. 24 Memoria - las tensiones de turbulencia interna generada por la tobera. Una primera perturbación se produce sobre la superficie del chorro cuando sale del agujero debido a la turbulencia generada en la tobera. Secundo, al alcanzar un cierto nivel, las perturbaciones crecen de manera exponencial por las fuerzas de presión ejercidas por el gas rodeando. En este modelo el ángulo del cono es calculado estadísticamente. 3.3.3. Interacción de la fase dispersa con la pared. La aparición de películas de fluidos debida a la interacción entre un líquido y una pared puede ocurrir por varias razones en el mundo industrial. Por eso modelos numéricos se están desarrollando para mejorar la eficiencia de procesos donde ocurre impacto de un spray o un chorro sobre una pared. En particular, es muy importante para mejorar los motores de combustión interna con inyección directa, ya que la deposición de una capa de fuel sobre paredes de los cilindros desfavorece una buena combustión. A continuación se analizan diferentes modelos encontrado en la literatura. Esos han sido realizados sea de manera empírica, con experimentación sea a partir de datos encontrados en la literatura. Lo que se tiene en cuenta para construir eso modelos es: - la conservación de la masa de las gotas. - la conservación de la cantidad de movimiento. - la conservación de la energía. - diferenciación entre llegada sobre pared seca y mojada. - criterio de selección rebote/ deposición liquid film/ salpicadura (al impacto de una gota con una película de fluido, esta forma una corona de la cual se formen pequeños chorros. De ellos se pueden destacar gotas que son las gotas secundarias). Luego, la implementación de la características post-impacto trata de: - la velocidad normal y tangencial de las gotas secundarias - el diámetro de las gotas - el número de gotas secundarias generadas Lo que difiere bastante entre los modelos es el criterio umbral entre los diferentes tipos de comportamiento post-impacto, así que el tratamiento de las propiedades de las gotas secundarias. Han evaluado a medida que aparecieron nuevos datos experimentales, pero también dependen del fluido sobre el cual ha sido efectuado los experimentos. Básicamente, los dos fluidos utilizados para construir esos modelos son el agua y el fuel. Los modelos analizados son los siguientes: ♦ Naber & Reitz (1988) Simulación del comportamiento de los fluidos en un sistema limpiaparabrisas Pág. 25 Considera como tipo interacción con la pared la deposición (formación de una capa de pequeña espesor), el rebote y el caso del chorro. Para la deposición no hay generación de gotas secundarias. En cada una de esas posibilidades se considera perdidas de masa y energía cinética. ♦ Wand & Watkins (1993) El tipo de interacción de las gotas con la pared depende del número de Weber. - We<30, la gota rebote simplemente. - 30<We<80, la gota primaria se divide en 2 o 3 gotas secundarias que rebotan de la superficie. - We>80 aparece salpicadura. El ángulo de impacte también se toma en cuenta pero en el caso de un impacto normal los resultados obtenidos son iguales al los del modelo de Naber & Reitz. ♦ Gavaises, et al (1995) Este modelo tiene en cuenta solamente el número de Weber. El limite entre la deposición y la salpicadura se encuentre para We=100. La comparación con estudios experimentales muestra que ese criterio único no es suficiente, entonces las fuerzas de tensión superficial e inercial no son bastante para describir la salpicadura pero también son importantes las fuerzas debidas a la viscosidad de la gota. En los modelos ulteriores se utiliza el número adimensional de Ohnesorg que es función de la viscosidad para encontrar el valor umbral entre la deposición de la gota y la salpicadura. ♦ Mundo, et al. (1995) Es el primer trabajo que intenta construir un modelo completo empírico para impacto de gotas sobre una pared seca. El valor umbral donde empieza la salpicadura es de tipo K=OhRe-0.125. El modelo permite conocer las propiedades de las gotas secundarias (diámetro, velocidad, numero total, masa depositada) como función de las propiedades de la gota primaria para valores cerca del umbral K=57.7. ♦ Bai & Gosman (1995) Es el modelo utilizado en STAR-CD. Se apoye sobre la comparación de varios resultados encontrados en la literatura. Diferencia el impacte sobre una pared seca y mojada. En este caso la viscosidad esta considerada con la utilización del número de Ohnesorg Oh. Pág. 32 Memoria 4.2. El mallado con ANSA e ICEM En esta parte se presenta la realización del mallado volumétrico del modelo final. 4.2.1. ANSA y el mallado superficial 4.2.1.1. Presentación del programa [7] ANSA es una herramienta de preproceso de CAE avanzado en la análisis en elementos finitos. Las principales aplicaciones son para modelos de crash, durabilidad, CFD y otros ámbitos de investigación. Los principales conceptos del software son los siguientes: - una geometría bien limpiada es el prerrequisito llave para un modelo de mallado bien definido. - las conexiones y agrupamiento de partes solas debe ser realizado en concordancia con el mallado y los requisitos del modelo. - los modelos de mallado alternativos deben ser generado basado sobre un modelo de geometría común ya juntado. - el trabajo más usual de preproceso puede ser terminado con este software sin utilizar otro software. - compatibilidad con la mayoría de las interfaces CAD/CAE y paquetes utilizados en la industria. Unos de las características llaves de ANSA incluyen: - topología y limpieza de geometría CAD. - funciones CAD 2D y 3D. - gestión avanzada, agrupamiento y conexión de de partes. - grande flexibilidad en la preparación de superficies y mallado de shell - mallado no estructurado de elementos de shell de primer y segundo orden con redes de nodos apoyadas superficie de geometría CAD. - generación de mallado de volumen basado sobre la superficie de mallado de los shells. - verificación avanzada de la calidad de mallado y funciones de mejoramiento. Simulación del comportamiento de los fluidos en un sistema limpiaparabrisas Pág. 33 4.2.1.2. Utilización del ANSA La primera etapa es crear un mallado de la superficie del modelo a partir del cual se podrá generar después el mallado de volumen. Eso se hace con el software ANSA. Este programa permite primero arreglar la geometría procediendo del CAD (Fig. 4.1). Se debe asegurar que la geometría está bien cerrada y que no hay elementos demasiado complicados que podrían resultar en dificultar los cálculos. Es también conveniente dividir la superficie en diferentes partes ( Fig. 4.2 y Fig. 4.5) que se pueden tratar individualmente más tarde, sobre todo separar las partes que necesitan un mallado más fino. Esas partes generalmente corresponden a elementos geométricos bien definidos tal que por ejemplo, retrovisores, montantes, capo, parabrisa. Fig. 4.1 – geometría del CAD Fig. 4.2 – vista de la geometría arreglada con ANSA con las diferentes familias diferenciadas por colores. Pág. 34 Memoria En la figura Fig. 4.3 se ven los nombres dados a cada familia para todo el estudio. Se debe fijar en poner las superficies, curvas y puntos de cada parte en la misma familia. Una vez completada la geometría se puede seguir con el mallado superficial. Se escogen elementos exclusivamente triangulares para después generar “trias” (o triángulos) con el mallado volumétrico. El mallado se apoye sobre subdivisiones de las curvas y puntos de la geometría. Para refinar el mallado en unos puntos se puede subdividir las curvas en más segmentos. Fig. 4.3 – definición de las familias de la geometría Fig. 4.4 – mallado superficial del coche realizado con ANSA Simulación del comportamiento de los fluidos en un sistema limpiaparabrisas Pág. 35 4.2.2. ICEM por el mallado del volumen El software ICEM proporciona diferentes módulos según el tipo de mallado deseado. Dentro de ellos ICEM CFD Tetra utiliza un mallado para llenar el volumen con celdas tetraédricas y para generar un mallado de superficie sobre la superficie del objeto. El usuario tiene que definir las superficies que cierran el volumen a mallar. También se añaden curvas y puntos prescribidos para determinar la posición de los lados y vértices del mallado donde la superficie no es lisa. El mallado superficial es exportado al software ICEM, así que la geometría del modelo. Como solo las superficies son exportadas, una primera etapa consiste en extraer las curvas y los puntos de la geometría, por los cuales debe absolutamente pasar a partir del mallado superficial que se agrupan en familias. También se debe definir un punto material interior al volumen para explicitar donde se encuentre el fluido. Una vez definidas cada familia (ver Fig. 4.5) con superficie, curvas y puntos, se escoge los tamaños de mallado de los elementos. Primero se define el tamaño mínimo de un elemento y el tamaño máximo relativo al menor (ver Fig. 4.7). Dentro de una familia, el tamaño de mallado de la superficie puede ser más grande que la de las curvas. Eso permite tener más precisión cuando las curvas pueden causar dificultades sin aumentar demasiado el número de elementos. La transición entre el tamaño de elementos de las curvas y de la superficie puede ser rápida o más progresiva. Fig. 4.5 – familias de geometría Pág. 36 Memoria Los tamaños de curvas y superficie relativamente al tamaño de referencia para las diferentes familias se encuentran en la tabla siguiente. Si no hay información quiere decir que la familia ha sido descompuesta en diferentes superficies o curvas para los cuales los tamaños son diferentes. parab_der/izq/ cruze/ contorno aire Montantes fam 2.1 fam 8.1 fam 9.1 planox retro Curvas 16 16 2 2 Superficie s 16 2 8 32 32 4 Además del fichero de geometría que está grabado como fichero tetin*, se crea un fichero de condiciones limites boco*. Para las familias se define el tipo de material (fluid, solid) o el tipo de frontera (inlet, outlet, wall …) o instrucciones para el mallado (thin wall, internall wall). En este último caso internal wall corresponde a una pared que está dentro del volumen de mallado y que puede ser eventualmente activada o desactivada. Es decir que el mallado es hecho de manera a estar continuo de los dos lados de esta pared por cuando está desactivada. El thin wall es para una pared tal que las exteriores donde el flujo Fig. 4.6 – parámetros de mallado Fig. 4.7 – parámetros para una familia tabla 4-1 – tamaños de la diferentes familias Simulación del comportamiento de los fluidos en un sistema limpiaparabrisas Pág. 37 solo llega de un lado. Utilizar esta condición permite dejar un grado de libertad adicional y así favorecer una mejora cualidad del mallado. Con esta información previa el programa malla automáticamente el espacio con elementos tetraédricos al refinar poco a poco los elementos de la base hasta cumplir con los criterios definidos por el usuario. En el paso siguiente, se arregla el mallado de manera que dos elementos vecinos no tengan una diferencia de tamaño de factor mayor a 2. Este mallado es realizado dentro de un dominio que contiene el volumen. Una vez acabado, se debe cortar toda la parte a fuera del volumen prescribido, y queda la geometría mallada en el fichero uncut_domain. Para mejorar la cualidad general, Tetra incorpora un algoritmo muy potente de alisado y otras herramientas de refinamiento local del mallado. Con esta herramienta se intenta conseguir una calidad de elementos al menos superior a 0,15. En este caso la calidad mínima de elementos llega a 0,27. En este caso, se utilizan tetras como elementos de volumen, que se generan fácilmente apoyándose sobre las trias del mallado superficial. El resultado del mallado da un modelo de cerca un millón de elementos. Un clip del medio del coche permite ver la repartición de los elementos. Para este problema, también se debe generar una capa de prismas, vecinos al parabrisa, que son necesarios para después realizar cálculos con deposición de película de fluido. Se hace utilizando el modulo PRISM de ICEM CFD. Se escogen el número de capas de prismas, sus tamaños, las familias vecinas a los prismas. En estas familias se generan quads en lugar de los triángulos sobre los cuales se apoyen los prismas. Es más conveniente primero generar una capa de prismas sola y después dividir la en 5 capas de 5mm (en este caso) para mejor la cualidad de los elementos prismas. Fig. 4.8 – clip en el medio del vehículo mallado Pág. 38 Memoria Como este modelo contiene 1 millón de elementos, los cálculos resultan tardar bastante. Así para empezar la implementación de spray, gotas de agua, es más conveniente trabajar con un modelo de geometría muy simplificada. Se ha obtenido el perfil aproximado de la parte capo-parabrisa-techo del vehículo. El modelo simplificad (Fig. 4.10) representa una caja con un inlet, un outlet y la geometría de abajo correspondiente al capo, parabrisas y techo del coche. Cada uno de estos elementos esta representado por una familia en ICEM. Fig. 4.9 – mallado superficial y zoom sobre los quads . Fig. 4.10 – mallado superficial de la geometría simplificada. Simulación del comportamiento de los fluidos en un sistema limpiaparabrisas Pág. 39 Se puede visualizar les elementos tetras generados cerca del parabrisas (Fig. 4.11). Se ve que cerca de la superficie los elementos son más pequeños ya que se necesitará más precisión por allá. Por fin se destaca la capa de prismas (Fig. 4.12) generado por encima de los elementos capo, parabrisas y techo, donde se podrá encontrar una capa de fluido. 4.3. Introducción al software STAR-CD 4.3.1. Introducción a la metodología El fluido que se utiliza en este modelo es un fluido bifásico con una fase continua que es el aire y una fase dispersa que son las gotas del fluido de limpiaparabrisas. El fluido de limpieza es inyectado por 2 inyectores, y entonces es atomizado en gotas muy finas que tienen una influencia despreciable sobre el comportamiento del aire. Eso permite desacoplar las ecuaciones de las dos fases y disminuir el coste de los cálculos. En Fig. 4.11 – elementos tetraédricos y prismáticos del mallado Fig. 4.12 – capas de prismas en el modelo simplificado Pág. 40 Memoria efecto, el flujo de aire se puede considerar estacionario y solo el fluido de limpieza evoluciona con el tiempo. Así el cálculo final se hace en 2 tiempos. Primero se hace un calculo con solamente el aire en el modelo hasta que alcance el estado estacionario. Después se desactiva el cálculo de las variables del fluido aire, tales que las velocidades, presión, densidad…También se desacopla el cálculo de la fase agua con el del aire. Así en el cálculo transitorio solamente se calcula la fase lagrangiana de las gotas de agua. Antes de empezar con la implementación del modelo en STAR-CD, se exportan los ficheros de dominios de ICEM. Para hacer eso: - se cree un expediente con los ficheros *.cel, *.inp y *.vrt con todo permiso. - se genera un fichero param.prp que da las dimensiones máximas del modelo en STAR-CD. - desde este expediente se abre STAR-CD. - en el panel de comandas se copia el fichero *.cel - se guarda el modelo. Ya se tiene un fichero *.mdl con todos los parámetros por defectos. 4.3.2. Calculo estacionario Tipo de celdas Una vez se han cargados todas las celdas del mallado se debe definir las propiedades de esas. Pueden ser de tipos: fluido, pared (baffle), shell o sólida. Si las familias han sido bien definidas en ANSA e ICEM ya aparecen como familias en STAR-CD con los buenos tipos (shell o fluid). Condiciones límites Al principio todo el contorno de la geometría (las shells) es definido por defecto como pared (Wall – region 0). A continuación, todas las definiciones son en las coordenadas cartesianas 1, las de base y se definen las fronteras que no se quedan wall por defecto. INLET (region1): parte delantera de la caja. - Velocidad inicial u=20m/s. - Modelo de turbulencia inicial: k-ε con kini=0,02 y ε=0,001. OUTLET (region 2): parte trasera de la caja con opciones por defectos. Simulación del comportamiento de los fluidos en un sistema limpiaparabrisas Pág. 41 CAJA (region 3): lo demás de la caja con opción Wall with slip: las paredes de la caja no tienen efectos de pared resistente donde el flujo puede rebotar lo que permite obtener un cálculo como si la caja fuese de dimensiones casi infinita. Parab_cruze (region 4), parab_der (region 5), parab_izq (region 6) y contorno_parab (region 6) son las familias constituyendo el parabrisa. Son fronteras de tipo Wall con el liquid film sin inicialización activado. Propiedades de los materiales Para el aire se utiliza el aire que es el fluido por defecto El modelo de turbulencia que se utiliza es el de k-ε estándar En monitoring and reference data se escogen: una celda de fluido vecina al inlet como referencia de presión y una celda de fluido situada justo detrás del retrovisor para averiguar la convergencia. Se inicializa la velocidad del fluido a 20m/s y la presión a 1.01E+05 Pa. Control de la solución En el panel Analysis control se escoge como algoritmo de resolución el SIMPISO, y las variables a resolver son las variables por defecto, es decir los componentes U, V y W de la velocidad, la presión y la densidad. En este caso es mejor emplear el algoritmo SIMPISO en lugar del SIMPLE para evitar problemas de divergencia. En el panel Analysis preparation /Running se aumenta el número de iteraciones máxima a 1000 y se pone el residuo de convergencia a 10E-04. Finalmente en el panel Analysis (Re)start se escoge la opción None ya que es el primero cálculo que se hace con este modelo. Control de los dados de resultados En esta sección se escogen los resultados que se escriben en el fichero de resultados. Es conveniente seleccionar solo las variables que se necesitan para el postproceso con fin de disminuir el tamaño de los ficheros y los tiempos de cálculos utilizados para generar este fichero. En este caso se necesita las mismas variables que hemos calculados que son la velocidad y presión del fluido. Pág. 48 Memoria setwrite sups.set parab_der cset news type 14 setwrite sups.set parab_contorno Para cargar las variables (velocidades y presión) en el caso del estacionario se hace de la manera siguiente: load, star.pst, nomvgrid,,c direction write ensi root star ensi form bina ensi geom sups.set getc, u,v,w,p,relative *se cargan las valores en los registros 1 a 5 ensi post sups.set ensi done Para el transitorio también se debe cargar los resultados escalares de la película de fluido que se encuentran en las celdas de la pared: trload, star.pstt, nomvgrid direction write ensi geom sups.set getc, none,p oper getw thlf 5 *se pone la variable escalar thlf (liquid film thickness) en el post-registro 5 cave all * se hace la mediana de las valores de pared para transformarlas en valores nodales ensi post sups.set ensi done El post-proceso con ENSIGHT funciona con partes. Hay dos tipos de partes: las que provienen del cargamento de la geometría (partes parientes) y las creadas dentro de ENSIGHT a partir de una o más partes parientes y que dependen de estas. Hay diferentes tipos de partes que se pueden crear: - clip: superficie o línea resultando de un clip de otra parte. - contorno : líneas de valor constante sobre un elemento 2D - superficie desarrollada: superficie plana resultando del desenrollamiento de una superficie de revolución. - isosuperficie: una superficie de valor constante en un elemento 3D. - trazo de partículas: parte que consiste en los caminos que cogen una o más partículas sin masa dentro de un campo de vectores (generalmente velocidad). - Perfiles : dibujo de una variable al lo largo de una línea - Vectores: parte que consiste en un conjunto de flechas enseñando dirección y magnitud de una variable vectorial. Simulación del comportamiento de los fluidos en un sistema limpiaparabrisas Pág. 49 Cada una de las parte que existe puede estar colorida sea de un color constante sea de un color variando con una variable. Se puede cargar dos casos o más al mismo tiempo en ENSIGHT como por ejemplo el caso estacionario para obtener los campos de resultados del aire y el caso transitorio para visualizar el comportamiento de las gotas del líquido limpiaparabrisas. Simulación del comportamiento de los fluidos en un sistema limpiaparabrisas Pág. 51 5. Resultados 5.1. Resultados estacionarios El cálculo en estacionario se hace para las velocidades 72km/h y 170km/h que corresponden respectivamente a 20m/s y 47,22m/s. Los resultados obtenidos son los campos de velocidades ( Fig. 5.1) y presión dentro de la geometría. Haciendo un corte según el eje Y=0, y visualizando los vectores velocidad sobre el modelo entero se obtiene: Fig. 5.1campo de velocidades para Vini=20m/s Fig. 5.2 – corte según Y=0. Pág. 52 Memoria Comparación del modelo estacionario para las tres velocidades iniciales diferentes. y de la zona de recirculación para estas velocidades: Ya que los inyectores son situados al principio de la zona de recirculación se deberá estudiar la influencia que esto puede haber sobre el spray. Fig. 5.3 – Comparación de los campos de fluidos para 3 velocidades iniciales diferentes. Fig. 5.4 – comparación de las zonas de recirculación para velocidades iniciales diferentes. Simulación del comportamiento de los fluidos en un sistema limpiaparabrisas Pág. 53 5.2. Resultados transitorios 5.2.1. Comparación de diferentes modelos de spray Los dos modelos de spray disponibles son los de Reitz & Diwakar y el de Huh. El modelo de Reitz & Diwakar se debe utilizar con el modelo de atomización de Reitz & Diwakar mientras el modelo de Huh se puede utilizar también con la atomización de Pilch & Erdman. La principal diferencia entre los modelos de Huh y Reitz es que para el de Reitz se debe introducir el ángulo del cono del spray mientras en el de Huh este ángulo está calculado por un algoritmo aleatorio. Los modelos de desintegración se diferencian por diferentes límites y tipos de desintegración (ver 3.3.1.5). El comportamiento de las gotas depende del número de Weber. En el caso del estudio, con forma de inyección en cono, la velocidad, es de 4,8 m/s (depende del flujo másico total, del diámetro de los conos, y de la densidad del fluido y del modelo de tobera). Los inyectores se encuentran en la zona roja, justo por encima de la zona de recirculación. La velocidad del aire a este nivel es cerca de 30m/s. Así la velocidad relativa entre el aire y las gotas de agua es alrededor de 25m/s. Pues se puede calcular el número de Weber: 8241 07197,0 ²25*0012,0*85,790²=== σ ρ dV We Fig. 5.5 – zona de recirculación y spray para Uini=20m/s Pág. 54 Memoria Y el número de Reynolds: Re=18143. Fig. 5.6 – Modelo de spray Reitz con atomización Reitz Fig. 5.7 – modelo de Spray Huh con atomización Reitz Fig. 5.8 – modelo de spray Huh con atomización Pilch & Erdman Simulación del comportamiento de los fluidos en un sistema limpiaparabrisas Pág. 55 5.2.2. Comparación de diferentes modelos de interacción con la pared La modelización de la interacción de gotas con una pared puede ser tratada de diferentes maneras por STAR-CD: - rebote - adherencia (con formación de una película de fluidos) - evaporación instantánea - utilizando el modelo de Bai que agrupa las precedentes en un solo modelo y que se puede activar solamente en el caso de cálculos transitorios. Criterio Bai Como visto en el párrafo de teoría, la interacción entre la pared y las gotas al impacto de ellas depende de sus propiedades como: - Velocidad de incidencia con la pared - Angulo de incidencia - tamaño y otras propiedades de las gotas (densidad, tensión superficial) Así el criterio es implementado a partir de los números adimensionales de Weber σ ρ ²dV We = y Ohnesorg ddd d D Oh σρ µ =. También depende de: - la temperatura de la pared - la rugosidad de la superficie de la pared - el espesor de la película de fluido - las condiciones del gas cerca de la pared. El criterio es el siguiente: Para We<5 hay rebote Para 5<WeOh-0,18<A hay deposición de la gota en forma de película de fluido. Para WeOh-0,18>A hay salpicadura. A=1320 si la pared ya esta mojada. Sino A depende de la rugosidad de la pared. En el caso del parabrisa, se analiza la frontera entre deposición de gotas y salpicadura según el diámetro de las gotas y sus velocidades relativa con el aire. Pág. 56 Memoria Criterio Bai V(m/s)\D(m) 0,000008 5 0,000500 0,00060 0,0007 0,000800 0,001500 0,000841 13 4,97 140,46 163,11 185,09 206,51 345,78 215,19 32,2 30,50 861,77 1000,73 1135,57 1266,97 2121,43 1320,23 25,4 18,98 536,22 622,69 706,59 788,36 1320,03 821,50 32,87 31,79 898,00 1042,81 1183,32 1320,25 2210,63 1375,75 34,72 35,47 1001,93 1163,50 1320,27 1473,04 2466,47 1534,97 36,99 40,25 1137,22 1320,61 1498,55 1671,95 2799,53 1742,24 39,86 46,74 1320,54 1533,49 1740,11 1941,47 3250,81 2023,08 A continuación se compara los modelos STICK y Bai, cambiando los coeficientes en el modelo Bai. Los 3 coeficientes son: - c1 : rugosidad de la pared en metros - c2: corresponde al coeficiente de rozamiento entre 0,6 y 0,8 (0,7 por defectos) después de salpicadura. - c3 : coeficiente experimental = 1322 El coeficiente que se puede ajustar para mejorar la modelización del parabrisa es el coeficiente 1. Para evaluar el modelo se compara con otros valores de rugosidad y también con el modelo de adhesión (ver Tabla 5-2). No ensayo Tipo interacción spray/wall Masa de liquid film después de la iteración 3 Ensayo A STICK 6,33.10-6 kg Ensayo B BAI coef 1= 0,05e-6 5,72.10-6 kg Ensayo C BAI coef 1= 1,2 e-6 3,077.10-6 kg Tabla 5-1 – criterio Bai según velocidad y diámetro de gotas Tabla 5-2 – comparación de la masa de liquid film según el modelo de interacción spray/wall. Simulación del comportamiento de los fluidos en un sistema limpiaparabrisas Pág. 57 Fig. 5.9 - Ensayo A Fig. 5.10 – Ensayo B Fig. 5.11 – Ensayo C Pág. 64 Memoria END 6.2.2. Otras propiedades y modelos de la lluvia A parte de inyectar gotas de lluvia, se deben definir sus propiedades generales. Eso se hace en los paneles de las propiedades y modelos físicos de gotas: - en tipo de material se escoge en la lista el agua líquida con los parámetros por defecto. - dispersión turbulenta activada - colisión desactivada - gravedad activada - desactivación de las transferencias de masa, cantidad de movimiento y calor. - tipo de desintegración: Reitz con parámetros de defectos. - tipo de interacción con la pared: Bai’s impingement con el coeficiente 1 igual a 1E-20 (porque no se puede escoger 0) y los otros coeficientes por defecto. En el panel liquid film se activa el parámetro cálculo dinámico y la gravedad. Los parámetros numéricos son los mismos que para los cálculos precedentes con spray. También se puede añadir la subrutina POSDAT para definir los ciclos de limpia parabrisas. 6.3. Resultados Fig. 6.1lluvia 0,35s después del principio de su generación Simulación del comportamiento de los fluidos en un sistema limpiaparabrisas Pág. 65 En esta imagen se ven los diámetros diferentes de las gotas de agua representados por los diferentes colores. Al nivel del techo son más pequeñas porque ya han rebotado y se han divididas en gotas secundarias de menor diámetro. El impacto de las gotas a lo largo del tiempo se puede ver en la Fig. 6.3. Fig. 6.2 – lluvia 0,2 s después del principio de la generación Pág. 66 Memoria t=0,1 s t=0,3 s t=0,5 s t=0,7 s Fig. 6.3 – evolución de la lluvia sobre la superficie con el tiempo Simulación del comportamiento de los fluidos en un sistema limpiaparabrisas Pág. 67 7. Estudios complementarios 7.1. Impacto medio-ambiental La principal ventaja de la simulación numérica es ahorra a la vez tiempo y material comparado con experimentaciones. En efecto, la inversión que se hace es en el material informático y es para resolver todo tipos de cálculos mientras en el ámbito de la experimentación se necesita diferente herramienta para cada proyecto. Además, para cada proyecto hay que construir varias piezas para llegar al mejoramiento de los resultados iniciales. Eso es un gasto de matiera que ahorra se puede evitar con la simulación aunque todavía hace falta experimentación al menos al principio para establecer el modelo y al final para comprobar los resultados. En este estudio, el elemento principalmente ahorrado es el líquido limparabrisa, que no solamente es agua pero una mezcla de otros componetes para facilitar la limpieza. Aunque suelen ser biodegradables, siempre representará un impacto ambiental más grande que la utilización de agua. 7.2. Seguridad La idea de estudiar los fluidos en el sistema limpiaparabrisas viene de problemas encontrado con el cambio de posición de los limpiaparabrisas al reposar. En efecto, aparece flujos de líquido no deseado cerca de la zona de recirculación, que pueden llegar hasta los motores eléctricos del sistema e impedir el buen funcionamiento del último. Eso puede presentar un peligro para el funcionamento real. Además, el estudio de gotas sobre el parabrisa constituye una ayuda para mejorar la visibilidad y entoncés disminuir los riesgos durante la conducción. 7.3. Estudio económico Este proyecto se ha realizado durante 6 meses en el centro técnico de SEAT trabajando a tiempo parcial sobre el proyecto. Se evalua el coste para un ingeniero con ya experiencia de los programas y trabajando días laborables completo. El tiempo que le haría falta para desarollar este trabajo sería de unas 6 semanas. Con una semana laborable de 40h y un coste horario del collegio de engenieros aproximado de 100€ , el coste total sería de 6sem*40h/sem*100€/h=24000€. Pág. 68 Memoria Este tiempo es bastante aproximado, sobre todo porque es dificil preveer los tiempos de cálculos, y los problemas informáticos que suelen aperecer durante la implementación de nuevas funciones de un programa de CFD. Además el tiempo utilizado por los cálculos puede ser dedicado a otros proyectos. Esta parte del proyecto que es la definición de un nuevo modelo de estudio es lo que más tiempo necesita. Pero una vez eso implementado, los diferentes estudios Simulación del comportamiento de los fluidos en un sistema limpiaparabrisas Pág. 69 Conclusiones Dado las velocidades de las gotas a la salida del spray poco elevadas, la utilización de uno o otro modelo de spray y de desintegración de los gotas tiene poca influencia sobre los resultados. La ventaja del modelo de Reitz & Diwakar es que se conoce el ángulo del spray. De un otro lado, el modelo de interacción con la pared Bai funciona bien con la adaptación de los coeficientes para tener en cuenta el material de los parabrisas. Con esta modelización se encuentra buena correlación con los dados experimentales. Este trabajo describe una metodología de base que permite seguir profundizando los estudios de fluidos sobre el parabrisa. El modelo de los ciclos se puede mejorar: ya representa bien el principio pero la vuelta de los limpias no representa la realidad porque debería quedar una película de fluido sobre el parabrisa. El modelo de lluvia se podrá generalizar al coche entero para estudiar el comportamiento de liquid film sobre el coche según la velocidad. También se podrá acoplar al tema de soiling. Simulación del comportamiento de los fluidos en un sistema limpiaparabrisas Pág. 71 Agradecimientos Agradezco a todas las personas que me han permitidos realizar este proyecto: Xavi Agusti para haberme propuesto la beca en el centro técnico; Jorge Gines como director del proyecto que me ha ayudado al largo de este; Sr Enric Trillas como ponente del proyecto; Francisco Vila que me ha enseñado mucho de los softwares que utilizaba y todos los de soporte informático que han resueltos los numerosos problemas inherentes a la simulación numérica. Simulación del comportamiento de los fluidos en un sistema limpiaparabrisas Pág. 73 Bibliografía Referencias bibliográficas [1] Enric Trillas Gay. Escola Técnica Superior d’Enginyeria de Barcelona. Departamento de mecánica de fluidos. Aerodinámica Industrial. Barcelone, 2004. [2] J.Piquet. Ecole Centrale de Nantes. La Turbulence et sa modélisation.Nantes, 2002 [3] Cossali G. E., Coghe A. and Marengo M. 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