Desarrollo e implementación de metodologías numéricas de caracterización del comportamiento acústico de catalizadores de MCIA mediante elementos finitos

Abstract

[ES] El presente Trabajo de Fin de Máster, dentro del extenso abanico de especialidades de la ingeniería, se enfoca en el campo de la acústica. Concretamente aborda el desarrollo e implementación de metodologías numéricas de caracterización del comportamiento acústico del catalizador de un motor de combustión interna alternativo (MCIA). No se realiza un estudio de las reacciones químicas que tienen lugar en su interior, a priori fin último de este equipo, sino que se estudia su comportamiento desde el punto de vista de la emisión de ruido, con el objetivo de mejorarlo en este sentido y, junto con el resto de los elementos de la línea de escape, lograr reducir considerablemente la contaminación acústica. Como herramienta de modelización, simulación y análisis se ha utilizado el Método de los Elementos Finitos, en concreto el programa comercial Ansys en sus versiones APDL y Workbench 2020 R1. La principal hipótesis que se ha adoptado a la hora de modelizar el catalizador ha sido la sustitución del dominio del monolito por una matriz de transferencia. Esta relaciona las propiedades de la superficie de entrada con las propiedades de la superficie de salida atendiendo a modelos probados analítica y experimentalmente. Por lo tanto, se asume una propagación de ondas 3D en los conductos y 1D en el monolito. Con el objetivo de analizar un amplio rango de configuraciones y comprender el efecto de cada una de las variables significativas del problema, se han tomado cuatro parámetros de estudio, entre los cuales se encuentran la geometría, la resistividad del monolito, la longitud de este y el efecto del descentrado entre los conductos de entrada y salida. Los resultados obtenidos con la metodología implementada en este trabajo se han contrastado con resultados obtenidos en trabajos anteriores, que incluyen medidas experimentales en el laboratorio.

[CA] El present Treball de Fi de Màster, dins de l'extens repertori d'especialitats de l'enginyeria, s'enfoca en el camp de l'acústica. Concretament aborda el desenvolupament i implementació de metodologies numèriques de caracterització del comportament acústic del catalitzador d'un motor de combustió interna alternatiu (MCIA). No es realitza un estudi de les reaccions químiques que tenen lloc al seu interior, a priori fi última d'aquest equip, sinó que s'estudia el seu comportament des del punt de vista de l'emissió de soroll, amb l'objectiu de millorar-lo en aquest sentit i, juntament amb la resta dels elements de la línia d'escapament, aconseguir reduir considerablement la contaminació acústica. Com a eina de modelització, simulació i anàlisi s'ha utilitzat el Mètode dels Elements Finits, en concret el programa comercial Ansys en les seues versions APDL i Workbench 2020 R1. La principal hipòtesi que s'ha adoptat a l'hora de modelitzar el catalitzador ha estat la substitució del domini del monòlit per una matriu de transferència. Aquesta relaciona les propietats de la superfície d'entrada amb les propietats de la superfície d'eixida considerant models provats analítica i experimentalment. Per tant, s'assumeix una propagació d'ones 3D en els conductes i 1D en el monòlit. Amb l'objectiu d'analitzar un ampli rang de configuracions i comprendre l'efecte de cadascuna de les variables significatives del problema, s'han pres quatre paràmetres d'estudi, entre els quals es troben la geometria, la resistivitat del monòlit, la longitud d'aquest i l'efecte del descentrat entre els conductes d'entrada i eixida. Els resultats obtinguts amb la metodologia implementada en aquest treball s'han contrastat amb resultats obtinguts en treballs anteriors, que inclouen mesures experimentals al laboratori.

[EN] This Master's Thesis, within the wide range of engineering specialities, focuses on the field of acoustics. Specifically, it addresses the development and implementation of numerical methodologies for characterizing the acoustic behaviour of the catalyst of a reciprocating internal combustion engine (ICE). A study of the chemical reactions that take place in its interior is not carried out, this being a priori the ultimate goal of this equipment, but its behaviour is studied from the point of view of noise emission, with the aim of improving it in this sense and, together with the rest of the elements of the exhaust line, achieve a considerable reduction in noise pollution. As a modelling, simulation and analysis tool, the Finite Element Method has been used, specifically the commercial package Ansys in its APDL and Workbench 2020 R1 versions. The main hypothesis that has been adopted when modelling the catalyst has been the substitution of the monolith domain by a transfer matrix. This relates the acoustic fields at the inlet port with those associated with the outlet port, based on analytically and experimentally tested models. Therefore, 3D wave propagation is assumed in the ducts while 1D acoustic fields are considered in the monolith. In order to analyze a wide range of configurations and understand the effect of each of the significant variables of the problem, four study parameters have been taken into account, these being the geometry, the resistivity of the monolith, the length of the monolith and the effect of the offset between the inlet and outlet ducts. The results obtained with the methodology implemented in this work have been benchmarked against results obtained in previous works, which include experimental measurements in the laboratory.