Simulação de enchimento de um tanque de combustível automotivo utilizando técnicas de CFD

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1 Universidade Federal de São João Del-Rei MG 26 a 28 de maio de 2010 Associação Brasileira de Métodos Computacionais em Engenharia Simulação de enchimento de um tanque de combustível automotivo utilizando técnicas de CFD G.W. Dutra e Duque 1 ; S. Y. Ribeiro 1 ; J. A. da Silva 1 ; M. E. Silveira 2 ; 1 Departamento de Engenharia Mecânica UFSJ, São João Del-Rei, MG CEP: guilhermewilson.mecanica@yahoo.com.br, serginhoyuri@hotmail.com, jant@ufsj.edu.br 2 Campus Alto Paraopeba UFSJ - Ouro Branco, MG CEP msilveira@ufsj.edu.br Resumo. O estudo do comportamento do escoamento no enchimento de tanques de combustível automotivo tem sido objeto de dedicação dos especialistas que buscam elevar os índices de desempenho do produto e conseqüentemente, a satisfação do cliente. A utilização de técnicas de simulação computacional nesta área tem permitido avaliar o layout do tubo de enchimento (fuel filler piper), onde parâmetros como perda de carga, vazão, tipo de combustível, diâmetros do tubo de enchimento e do respiro podem ser otimizados. Isto tem possibilitado a redução de tempo de projeto, diminuição dos custos com ensaios experimentais, além de evitar efeitos indesejáveis durante o abastecimento tais como o retorno de combustível (gasolina) e o desarme da bomba antes do enchimento a nível desejável. Esse trabalho utilizou técnicas de dinâmica dos fluidos computacional (CFD) para simular este tipo de escoamento, procurando evidenciar as interfaces fluido ar, com detalhamento suficiente para prever e avaliar as questões citadas durante o enchimento do tanque. Os resultados iniciais da simulação deste tipo de evento mostraram-se bastante promissores, evidenciando a importância da pesquisa e da simulação numérica durante a fase de desenvolvimento de produto deste componente. Palavras chaves: CFD, Simulação de Enchimento, Sistemas de Combustível.

2 INTRODUÇÃO Resumidamente, pode-se dizer que um sistema de combustível automotivo é composto pelos seguintes componentes (Figura 1): Tanque de combustível. Este componente é responsável, obviamente, pelo armazenamento do combustível. Pode ser feito em metal estampado (aço ou alumínio) ou polímero. Tubo de abastecimento (fuel filler piper). Tem como função conduzir o combustível até o tanque. Por ter formas bastante complexas, geralmente são feitos de polímero. Porém, devido às normas de reciclagem e evaporação, novos tubos de abastecimento têm sido feito de alumínio. Respiro. Sua principal função é conduzir o ar contido no tanque até o bocal, durante o abastecimento. Bocal. Respiro Bocal Tanque de Combustível Tubo de Abastecimento Figura 1 - Exemplo simplificado de um sistema de combustível automotivo. Nas últimas décadas, com a crescente necessidade de redução de emissões de poluentes, as montadoras têm projetado automóveis cada vez mais compactos, procurando não comprometer o conforto dos ocupantes (espaço interno), a segurança, o desempenho e a autonomia do veículo. Estes fatores, aliado aos desenhos de carroceria cada vez mais arrojado, levaram a uma redução do espaço destinado ao sistema de combustível dos automóveis, fazendo com que o tubo de abastecimento e o respiro tenham formas cada vez mais complexas. Durante o abastecimento de um automóvel, o processo de enchimento do tanque de combustível deve ser seguro e prático. Efeitos como desligamento prematuro da bomba de abastecimento ou retorno de combustível oriundos do tubo de abastecimento devem ser evitados, garantindo assim, segurança e abastecimento completo do tanque. Tais efeitos indesejáveis são causados principalmente pelas geometrias do tubo de abastecimento e do respiro, que podem estar mal dimensionados para comportar a vazão de combustível proveniente da bomba. Neste cenário, a utilização de ferramentas numéricas baseadas em modelos bifásicos (combustível - ar) tem importância fundamental no sucesso do projeto, pois é possível melhorar parâmetros como perda de carga, vazão, tipo de combustível, diâmetros do tubo de abastecimento e do respiro. Isto tem possibilitado a redução de tempo de projeto e diminuição dos custos com ensaios experimentais. A pesquisa nesta área é relativamente recente, (Grogger et al. 1998), (Han et al., 2002) e (Wiesler et al., 2002). Em Greif et al. (2003), dois sistemas de combustíveis (um com funcionabilidade perfeita e outro com problemas de retorno de combustível) foram avaliados utilizando técnicas computacionais de CFD (Computational Fluid Dynamics). Em Ding et al. (2005), utilizou um software

3 comercial de elementos finitos que utiliza uma formulação euleriana com malha adaptativa para simular interação entre o fluido (combustível / ar) e a estrutura (tanque). A formulação mostrou-se eficiente, sendo possível prever o movimento de sloshing dentro do tanque, e eventuais retornos de combustível. Neste trabalho, foram utilizou técnicas de dinâmica dos fluidos computacional (CFD) para simular os instantes iniciais do processo de enchimento de um tanque de combustível hipotético procurando evidenciar as interfaces fluido ar, com detalhamento suficiente para prever e avaliar as questões citadas durante o enchimento do tanque. Estes resultados preliminares, fazem parte de um projeto maior, que poderá futuramente empregar técnicas de otimização numérica para melhorar parâmetros de escoamento, dimensões e forma do tubo de abastecimento e do respiro. MATERIAIS E MÉTODOS Para avaliar o comportamento das principais variáveis de interesse utilizou-se uma forma geométrica simplificada correspondente ao volume de um tanque típico já empregado na indústria automotiva moderna. Os fluidos considerados em toda a simulação foram ar (fase I) e gasolina líquida (fase II). Outras fases podem ocorrer a formação de vapor de gasolina, bem como troca de massa entre a gasolina e o ar, mas esses efeitos não foram considerados. A solução do problema foi feita por um código (CFX) que resolve o conjunto das equações do escoamento baseado no principio da conservação da massa, momentum e energia por métodos discretos que identificam a região de interesse, dividindo esse domínio em volumes através da criação de uma malha resolvendo para cada elemento dessa malha as equações fortemente não lineares de maneira acoplada com técnicas de elementos e volumes finitos. Modelo de Superfície Livre Este modelo busca resolver a interface entre os fluidos, que é o caso da simulação em questão. Este modelo é um caso especial do modelo multifásico Euleriano-Euleriano, e leva em conta, nessas circunstâncias as equações representadas e explicadas abaixo. Densidade de Área Interfacial A transferência interfacial de momento, calor e massa dependem diretamente da área da superfície de contato entre as duas fases. Esta é caracterizada pela área interfacial por unidade de volume entre as fases α e β, conhecida como densidade de área interfacial,. Como o modelo utilizado é o de superfície livre e só são consideradas as fases ar e combustível, a seguinte equação é usada para calcular a densidade de área interfacial:

4 Equações Hidrodinâmicas Aplicadas ao Modelo Heterogêneo usado. Equações de Momento Onde, descreve as fontes de momento devido a forças externas ao corpo, e o termo representa a transferência de momento induzida pela transferência de massa na interface. Equação da Continuidade Onde descreve as fontes de massa especificadas, e é a taxa de fluxo de massa por unidade de volume da fase β para a fase α. Esse termo apenas é utilizado quando ocorre transferência de massa na interface. Equações da Conservação do Volume As frações volumétricas devem somar uma unidade de acordo com a expressão abaixo: Esta equação pode ser combinada com as equações da continuidade de cada fase para obter a equação de conservação do volume transportado, o que leva à equação: Composição da Pressão O conjunto completo das equações hidrodinâmicas representa 4 N p +1 equações nas 5 N p desconhecidas. São necessárias N p -1 equações para fechar o sistema, o que pode ser obtido através da composição da pressão, considerando que todas as fases dividem o mesmo campo de pressões: P α =P para todo α=1,...,n p.

5 Geometria e Malha A geometria simplificada de um tanque de combustível de 60 litros pode ser visualizada abaixo já transformada na malha de elementos finitos, com cerca de elementos tetraédricos. A escolha do número de elementos foi tomada de acordo com os recursos computacionais disponíveis. Figura 1 Geometria do tanque com malha tetraédrica Tipo de simulação A simulação foi do tipo transiente, com tempo total de 120 s e passo no tempo de 0,5 s. Para cada passo foram adotadas 50 iterações, a fim de obter uma convergência para RMS menor que Definição do Domínio O domínio utilizado foi bifásico heterogêneo, sendo que os fluidos analisados foram ar atmosférico e gasolina líquida, com ação da gravidade de 9,8 m/s² e pressão de referência igual a 1 atm. Existe um duto de alimentação de diâmetro igual a 50 mm e um de saída de 25 mm de diâmetro, denominado tubo de respiro. Não foi feita análise térmica, visto que o objetivo era analisar simplesmente o escoamento, a uma temperatura de 25 C. O modelo de turbulência usado foi o SST (Shear Stress Transport), indicado para análises tanto na interação dos fluidos como dos mesmos com as paredes do tanque.

6 Condições de contorno Entrada A gasolina entra no duto de alimentação com um fluxo de massa de 0,703 kg/s, correspondendo à 1 litro por segundo. A turbulência na entrada é elevada, da ordem de 10% do escoamento total. Saída A saída ocorre através do tubo de respiro, que é aberto à atmosfera. Tanto ar como combustível podem ocorrer na saída, dependendo do volume interno preenchido durante a simulação. Inicialização No início se admite o tanque cheio de ar, à 1 atm e com velocidade zero para as três coordenadas X, Y e Z. RESULTADOS E DISCUSSÃO O enchimento do tanque dura quase 90 s, e é marcado pela presença constante de vórtices associados ao preenchimento da geometria pelo combustível, como pode ser visto abaixo na figura 2. Figura 2 Visualização transiente de enchimento do tanque

7 Verifica-se o fenômeno de sloshing mediante análise da figura 3, tomada como uma secção do tanque no plano YZ sentido do duto de alimentação, no momento 5 segundos de simulação. Esta figura representa a fração volumétrica ocupada pelo combustível. Figura 3 Visualização de Sloshing Ressalta-se que o combustível começa a respingar pelo tubo de respiro antes do tanque ser completamente cheio. Isso acontece aproximadamente aos 47s de enchimento do tanque, quando o mesmo tem seu volume preenchido em torno de 76%. Normalmente esse efeito é utilizado para o acionamento de desligamento da bomba de combustível, podendo ocorrer prematuramente sem o desejável enchimento do tanque. Pode-se verificar este fenômeno na figura 4. Figura 4 Retorno de combustível no tubo de respiro. O campo pressões também gera uma análise interessante, podendo representar e até explicar o comportamento transiente das variações de pressão no interior do tanque provocado pelo fluxo da gasolina, figura 5.

8 Figura 5 Demostra variação de pressão transiente. Quando o tanque está vazio a pressão no interior é atmosférica. Durante o enchimento o valor da pressão média no tanque sobe quase 6 kpa, o que gera um aprisionamento de ar no topo do tanque. Este ar é incapaz de deixar o tanque porque a saída para o respiro se encontra submersa no final da simulação, fazendo com que a gasolina retorne pelo mesmo ao invés de preencher o tanque. Isto pode ser verificado na figura 6, onde a distribuição de pressão no teto do tanque é mostrada aos 80s de simulação, quando todo o tanque já deveria ter sido preenchido. Confirmando esse efeito também na figura 5.

9 Figura 6 Distribuição de pressão no teto do tanque. CONCLUSÕES Através da simulação pudemos concluir que a geometria do tanque influencia consideravelmente o comportamento do mesmo no momento do enchimento. A entrada do tubo de respiro poderia estar mais próxima do teto e mais distante do tubo de alimentação, a fim de evitar respingos por ação da turbulência bem como o retorno do combustível por efeitos de pressão elevada no teto, ainda não preenchido. O tubo de alimentação poderia ter sua entrada no tanque o mais próximo possível do fundo, a fim de reduzir os efeitos de sloshing, acomodando o combustível de forma mais homogênea desde o início do processo de enchimento. A velocidade de abastecimento, no que diz respeito ao fluxo de massa de combustível da bomba para o tanque deve ser controlada a fim de que, os efeitos de sloshing possam ser atenuados. Comparando os resultados obtidos com o trabalho Ding et al.(2005), pode-se constatar grande similaridade nos resultados. O tempo de simulação foi praticamente 4 vezes menor, o que pode ser explicado pela diferença nos recursos computacionais. A simulação feita por Ding foi executada em um processador de 3.06 GHz 32 bits, contra um Intel Core 2 Quad 2.83 GHz 64bits, utilizado nesse trabalho. Enquanto a simulação do referido autor ocorreu em um volume de 52 mil elementos finitos e durou 2 segundos com metade do tanque inicialmente preenchido, a simulação aqui apresentada durou 120 segundos com passo de tempo de meio segundo e uma malha de pouco mais de elementos finitos em uma geometria de tamanho real. Conclui-se que o uso de softwares CFD é capaz de prever o comportamento do combustível ao encher o tanque, mesmo na fase de projeto, favorecendo em tempo hábil as devidas correções que possibilitam a fabricação de sistemas de abastecimento automotivos de alta confiabilidade.

10 AGRADECIMENTOS A equipe agradece a parceria junto ao professor Luben Cabezas Gomes da PUC-MG pela cessão dos recursos computacionais para realização de tal trabalho. BIBLIOGRAFIA Ding, P., Buijk, A. J., van der Vee, W. A., Simulation of fuel tank filling using a multi-material euler solver with multiple adaptive domains SAE International. Greif, D., Wiesler, B., Alajbegovic, A., Two-phase tank filling simulation of an automobile tank system. Computational Fluid and Solid Mechanics, pp Grogger, H.,Philipp, H.,Alajbegovic, A., Kolbinger, H.-J., Nurna, P., 1998.Two-phase flow calculation of thetank filling. JSAE Spring Convention, Yokohama. Japan, May Han, J., Alajbegovic, A., Simulation of multiphase flows in complex geometry using a hybrid method combining the multi-fluid and the volume of fluid (VOF) approaches. ASME FEDSM , Montreal. Wiesler, B., Greif, D., Alajbegovic, A., Recent progress in tank-filling simulation. VDI Würzburg. October, 1-2. DIREITOS AUTORAIS Os autores são os únicos responsáveis pelo conteúdo do material impresso incluído no seu trabalho.