Analisi gasdinamica e simulazione CFD del comportamento del collettore di scarico di un motore da kart a due tempi

In the optimisation of high-performance two-stroke engines, making the best use of the gas dynamics inside the exhaust expansion chamber is essential to improve scavenging efficiency. Understanding and correctly modelling the propagation of pressure waves is therefore essential to design and size the exhaust geometry optimally. This thesis aims to analyse, by means of CFD simulations, the wave reflections inside a kart exhaust (KZ 125 cm³ engine), with two final objectives: to compare a geometry made of welded cone frustums with one featuring continuous curvature, and to use Blair’s one-dimensional model as a benchmark for the simulation, in order to measure its deviation and correct it. The work started from the 3D modelling in SolidWorks of two different duct geometries: the first has the classic structure of welded cone frustums, while in the second the sharp edges were filleted to limit flow separation. The simulations were run in ANSYS Fluent in transient mode, using the RANS equations and the k–ω SST turbulence model. To isolate the wave propagation phenomenon, it proved necessary to use the ideal-gas model, abandoning incompressible models, which are unsuitable for this purpose. Particular attention was also paid to the boundary conditions and the time step: adding plenum volumes at the inlet and outlet allowed the reflected waves to modulate the flow naturally, without kinematic constraints. The results show that introducing fillets at the joints does not alter the overall gas dynamics to any macroscopic extent. Wave reflections and compression and rarefaction fronts follow very similar trends in both configurations, showing that the acoustic response depends mainly on the macro-dimensions and characteristic lengths of the pipe. In conclusion, the approach adopted in this work provides a solid numerical method for simulating two-stroke exhausts. The comparison with Blair’s model made it possible to identify and correct the setup choices that were shifting the result, first among them the number of sub-iterations per time step: after the correction, the two models agree within half a degree on the minimum of the depression and within two degrees on the return wave.

Nell’ottimizzazione dei motori a due tempi ad alte prestazioni, sfruttare al meglio la gasdinamica all’interno dell’espansione di scarico è fondamentale per migliorare l’efficienza del lavaggio (scavenging). Comprendere e modellare correttamente la propagazione delle onde di pressione è, quindi, essenziale per progettare e dimensionare in modo ottimale la geometria della marmitta. Questa tesi ha lo scopo di analizzare, tramite simulazioni CFD, le riflessioni d’onda all’interno di uno scarico per kart (motore KZ 125 cm3), con due obiettivi finali: confrontare una geometria a tronchi di cono saldati con una a curvatura continua e usare il modello monodimensionale di Blair come termine di paragone per la simulazione, per misurarne lo scarto e correggerlo. Il lavoro è partito dalla modellazione 3D in SolidWorks di due diverse geometrie del condotto: la prima presenta la classica struttura a tronchi di cono saldati; mentre nella seconda gli spigoli sono stati raccordati per limitare i distacchi della vena fluida. Le simulazioni sono state eseguite in ANSYS Fluent in regime transitorio, utilizzando le equazioni RANS e il modello di turbolenza k − ω SST. Per riuscire a isolare il fenomeno della propagazione delle onde, si è rivelato necessario utilizzare il modello a gas ideale (ideal-gas), abbandonando i modelli incomprimibili inadatti a questo scopo. Inoltre, è stata posta particolare attenzione alle condizioni al contorno e al passo temporale: l’aggiunta di volumi di plenum all’ingresso e all’uscita ha permesso alle onde riflesse di modulare il flusso in modo naturale, senza forzature cinematiche. Dai dati estratti emerge che l’introduzione dei raccordi alle giunzioni non altera in modo macroscopico la gasdinamica globale. Le riflessioni d’onda, i fronti di compressione e di rarefazione mantengono un andamento molto simile in entrambe le configurazioni, a dimostrazione del fatto che la risposta acustica dipende principalmente dalle macro-dimensioni e dalle lunghezze caratteristiche del tubo. In conclusione, l’impostazione di questo lavoro fornisce un metodo numerico solido per simulare gli scarichi a due tempi. Il confronto con il modello di Blair ha permesso di trovare e correggere le scelte di impostazione che spostavano il risultato, prima fra tutte il numero di sotto-iterazioni per passo temporale: dopo la correzione, i due modelli restano a mezzo grado sul minimo della depressione e a due gradi sull’onda di ritorno.