Refrigeración de motor

Sistema responsable de evacuar el calor producido durante la operación del motor en cualquier medio de transporte para su correcto funcionamiento.


Periodo

2017-2023

Sector

Fluidodinámica en Automoción

Servicio

Refrigeración de motor
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CONTEXTO

El sistema de refrigeración del motor es el responsable de evacuar el calor producido durante la operación del motor en cualquier medio de transporte. Durante la generación de energía motriz siempre se produce calor como producto secundario y es, en la mayoría de las veces, una consecuencia indeseada. Esto sucede tanto en los motores de combustión interna como en los cada vez más presentes motores eléctricos, por lo que la presencia del sistema de refrigeración resulta indispensable en cualquier medio de transporte.

Las simulaciones de fluidodinámica (CFD, por las siglas en inglés de Computational Fluid Dynamics) ayudan a prever y optimizar el comportamiento del sistema de refrigeración, ya que estos siempre incluyen un intercambio de energía entre el motor, la fuente de calor y el entorno, habitualmente aire u otro fluido. Por tanto, las técnicas de simulación CFD son ampliamente usadas durante la etapa del diseño y desarrollo de estos sistemas.

SOLUTE cuenta con una amplia y consolidada experiencia, desde 2017, en este tipo de cálculos con clientes del sector de automoción.

Todos los vehículos de transporte utilizan algún tipo de motor para producir energía motriz. Sin embargo, no toda la energía se convierte en movimiento, sino que parte de ella se convierte en calor y éste debe ser evacuado del sistema para asegurar la integridad del motor. Es el sistema de refrigeración quien debe transportar ese excedente de calor hacia el entorno próximo, que normalmente es aire, y realizándose ese transporte a través de medios fluidos, como agua o aceite.

Para abordar ese tipo de problemas térmicos con fluidodinámica asociada, el uso de técnicas CFD es extremadamente útil en las fases de concepción y diseño de los sistemas de refrigeración. Poniendo el foco en el sector de automoción, la función de refrigeración debe combinar un adecuado flujo de aire con un diseño del vehículo atractivo para el cliente. SOLUTE lleva a cabo simulaciones avanzadas de aerodinámica interna (flujo de aire atravesando un conducto, en este caso, el vano motor) para asegurar que se cumplen los requisitos que se hayan establecido y dirigiendo con estas técnicas el desarrollo hacia un diseño eficaz.


RESULTADOS

Se genera un informe en el que se recojan todos los datos obtenidos en el sistema de refrigeración original y en las diferentes propuestas, seleccionando, entre ellas, la opción más apropiada en base a los criterios definidos por el cliente.

Las tareas de simulación y el análisis de sus resultados permiten adoptar, de una manera muy dinámica, alternativas de diseño o concepto frente a resultados insatisfactorios, así como la optimización de geometrías. De esta forma, se aportan estudios de gran valor añadido sobre el comportamiento térmico y cinemático del flujo del aire en el interior del vehículo, con especial énfasis en la temperatura, la presión y la distribución de velocidades de corriente.

EXPERIENCIA

Desde 2017, SOLUTE cuenta con experiencia en simulaciones de refrigeración de motor de combustión interna para distintos clientes del sector de automoción.

Igualmente, se tiene el conocimiento y la experiencia necesarios para trabajar con otros problemas análogos del sector de automoción, así como para extender el conocimiento para vehículos como autobuses, trenes o aerorreactores.

Para llevar a cabo estos cálculos se emplean tanto códigos comerciales (ANSYS, ALTAIR) como códigos de uso libre (OpenFOAM) sobre los que, aun con diferencias específicas por su origen, prevalecen las normas de buena práctica en modelado, los criterios de analistas expertos y la base de una amplia experiencia.

METODOLOGÍA

El análisis del problema se plantea mediante herramientas CFD (Dinámica de Fluidos Computacional) empleando el Método de los Volúmenes Finitos (FVM) o el Método de Elementos Finitos (FEM), según el solver elegido. Para llevar a cabo estos cálculos se emplean tanto códigos comerciales (ANSYS, ALTAIR) como códigos de uso libre (OpenFOAM) sobre los que, aun con diferencias específicas por su origen, prevalecen las normas de buena práctica en modelado, los criterios de analistas expertos y la base de una amplia experiencia.

Tras un primer estudio del estado del arte y de los objetivos a alcanzar durante el desarrollo del sistema de refrigeración, se crean los modelos basados en la geometría y en el caso de estudio. De esta manera, se busca simplificar y discretizar el modelo, de forma que permita conseguir un compromiso entre precisión de los resultados y economía computacional. En la mayoría de las situaciones se utilizarán simulaciones estacionarias RANS (Reynolds-Averaged Navier Stokes) o su variable transitoria URANS (Unsteady RANS), siendo más inusual el tener que recurrir a las más costosas, aunque más precisas, LES (Large Eddy Simulation).

Habitualmente los cálculos CFD de refrigeración se ven complementado por simulaciones 1D que representan el funcionamiento simplificado de varios componentes, como radiadores, bombas de agua o circuitos de refrigerante dentro del sistema global. Los datos CFD sirven para alimentar las simulaciones 1D pudiendo centrarse en el cálculo aislado de los distintos elementos involucrados: calandras, radiadores o ventiladores.

Se deben estudiar varios escenarios que contemplen todas las físicas y todas las condiciones de operación, para lo cual hay que definir las propiedades del fluido, su dominio y condiciones de contorno de manera apropiada, a fin de garantizar que el sistema funcionará correctamente en todo momento. Así es posible calcular y determinar los parámetros de interés en el modelo, como las distribuciones de presiones o velocidad, el caudal de aire que cruza el vano motor o la temperatura del sistema.

En función de los resultados obtenidos, se estudia la validación del sistema de refrigeración original y se participa en el proceso de optimización, teniendo en cuenta otros factores, como la fabricabilidad, el ensamblaje o el coste del conjunto, además de los propios requisitos de refrigeración. Un aspecto a tener en cuenta es que, en la mayoría de los casos, la refrigeración del motor sigue directrices internas del fabricante y no están regidos por normativas externas, aunque una excepción a esta norma se encuentra en las especificaciones de aeronavegabilidad exigidas por la entidad certificadora competente en aviación, como las CS, Certification Specification (publicadas por EASA, European Air Safety Agency, autoridad certificadora europea) o las FAR, Federal Aviation Regulations (publicadas por la FAA, Federal Aviation Administration, autoridad estadounidense).

Además de los resultados cuantitativos, las herramientas utilizadas también permiten analizar el comportamiento cualitativo de los sistemas evaluados, detectando las zonas que provocan funcionamientos indeseados y las regiones que tienen potencial de mejora. De este modo, una vez terminada una primera serie de simulaciones, se realizan propuestas de mejora y se repite el proceso hasta alcanzar la solución óptima.

Los Ingenieros de SOLUTE con habilidades y conocimiento experto en aerodinámica, mecánica de fluidos y del comportamiento del fluido descrito por las ecuaciones de Navier-Stokes, logran llevar a cabo con éxito la correcta interpretación de los resultados y la identificación de posibles soluciones.

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