First Implementation of a quasi-2D compressor volute modelling

Abstract

[ES] Esta tesis de máster explica principalmente la realización de una voluta de compresor Cuasi 2D que se utilizará en códigos de dinámica de gas 1D para estudiar mejor el flujo de fluido en el compresor, lo que a su vez ayudará a predecir mejor el rendimiento del turbocompresor. Se implementa un modelo de voluta Cuasi 2D en el código dinámico de gas 1D existente VEMOD y los resultados obtenidos se comparan con los resultados obtenidos de las simulaciones 3D, así como con el modelo 1D clásico que ya existe en VEMOD. La creciente importancia de los motores eficientes con bajas emisiones ha dado lugar a una variedad de modificaciones en el motor clásico de combustión interna. Aunque la electrificación de los vehículos es la última tendencia en el camino hacia la consecución de la neutralidad en carbono, el motor IC sigue siendo el modo de propulsión más fiable para los vehículos. Una de las modificaciones que ha llevado a que los motores IC sean competitivos en términos de bajas emisiones al tiempo que mantienen el rendimiento ha sido la reducción combinada con la turbo alimentación. Aunque inicialmente era popular entre los motores CI, en los últimos tiempos incluso los motores SI se han acoplado con turbocompresores para compensar la reducción de tamaño y compensar el par motor de gama baja. Además, esto también ha ayudado a reducir el consumo de combustible y las emisiones contaminantes al tiempo que ayuda a mantener un buen nivel de comodidad de conducción. Sin embargo, la combinación de un turbocompresor con un motor requiere estrategias de acoplamiento adecuadas para asegurarse de que un turbocompresor determinado sea el que mejor se adapte a un motor determinado. Los turbocompresores generalmente se prueban en estado estable y sus mapas de rendimiento se basan en estos datos de estado estable. En escenarios de la vida real, sin embargo, los turbocompresores están sujetos a operar en regímenes transitorios. La mayoría de los fabricantes proporcionan mapas en la región estable y, por lo tanto, no es la mejor ayuda en términos de diseño o combinación de motores. Este problema se ha abordado utilizando códigos dinámicos de gas 1D para simular el rendimiento del turbocompresor en regímenes inestables para obtener información más precisa útil para mejores estrategias de acoplamiento del motor a un costo de cálculo razonable. Para simular mejor el flujo de aire dentro del compresor, se pueden utilizar varios tipos diferentes de modelos de compresor. En esta tesis se ha realizado un intento novedoso para desarrollar un modelo de voluta Cuasi bidimensional del compresor que será útil para comprender la evolución de la presión dentro de la voluta con mayor precisión en comparación con el modelo 1D. Este tipo de modelo puede producir una mejor descripción del flujo en la voluta. En condiciones estables, este modelo muestra una presión no uniforme a lo largo de la voluta. En condiciones pulsantes, el modelo puede dar una mejor descripción de las pérdidas de atenuación en la ventana de frecuencia cercana a la frecuencia natural de la voluta.El modelo de compresor 1D original es un modelo de compresor sencillo en el que los conductos de entrada y salida, así como la voluta, se modelan como tuberías unidimensionales. El rotor se modela como una boquilla de área equivalente con un pleno virtual entre él y la voluta. El modelo de compresor Cuasi 2D es muy similar al modelo clásico de 1 dimensión en muchos aspectos, excepto por el hecho de que la voluta se modela de una manera cuasi bidimensional. En este modelo, la voluta se divide en varias celdas y el flujo del rotor ingresa a las celdas de la voluta a través de múltiples entradas laterales en oposición al sentido tradicional que se muestra en el modelo 1D. Este enfoque ayuda a tener en cuenta la falta de uniformidad del flujo en la secci

[EN] This Master Thesis primarily explains the realization of a Quasi 2D compressor volute to be used in 1D gas dynamics codes to better study the fluid flow in the compressor which in turn will help in better prediction of the turbocharger performance. A Quasi 2D volute model is implemented in the existing 1D gas dynamic code VEMOD and the results obtained are compared with the results obtained from 3D simulations as well as the classic 1D model that already exists in VEMOD. The growing importance of efficient engines with low emissions have resulted in a variety of modifications on the classic internal combustion engine. Although electrification of vehicles is the latest trend in the path to attaining carbon neutrality, the IC engine is still the most reliable mode of propulsion for vehicles. One of the modifications that has led to the IC engines being competitive in terms of low emissions while maintaining performance has been downsizing combined with turbocharging. Although it was initially popular with CI engines, in recent times even SI engines have been coupled with turbochargers to compensate for downsizing and make up for the low-end torque. Additionally, this has also helped in reducing fuel consumption as well as pollutant emissions while helping maintain a good level of driving comfort. However, the matching of a turbocharger with an engine requires appropriate coupling strategies to make sure that a given turbocharger is the best fit for a given engine. Turbochargers are generally tested in steady state and their performance maps are based on these steady state data. In real life scenarios, however the turbochargers are subjected to operate in transient regimes. Most of the manufacturers provide maps in the steady region and its therefore not the best aid in terms of engine design or matching. This issue has been dealt with using 1D gas dynamic codes to simulate turbocharger performance in unsteady regimes to obtain more accurate information useful for better engine coupling strategies at a reasonable computation cost.

To better simulate the flow of air inside the compressor, several different types of compressor models can be used. In this thesis a novel attempt has been made to develop a Quasi 2-Dimensional volute model of the compressor which will be useful in understanding the evolution of pressure inside the volute more accurately compared to the 1D model. This kind of model can produce a better description of the flow in the volute. In steady conditions this model depicts non uniform pressure along the volute. In pulsating conditions, the model can give a better description of the attenuation losses in the frequency window close to the volute natural frequency.

MODEL DESCRIPTION

Original 1D Compressor Model: The 1D model is a straight-forward compressor model in which the inlet and outlet ducts as well as the volute are all modelled as unidimensional pipes. The rotor is modelled as an equivalent area nozzle with a virtual plenum between itself and the volute.

Quasi 2D Compressor Model:

The Quasi 2D compressor model is very similar to the classical 1-Dimensional model in many ways except for the fact that the volute is modelled in a quasi-bidimensional manner. The model therefore consists of the following parts.

– Compressor Inlet – modelled as a 1D duct – Compressor Outlet – modelled as a 1D duct – Volute – modelled as a Quasi 2D duct – Rotor

In this model the volute is divided into several cells and the flow from the rotor enters the volute cells via multiple lateral entries as opposed to the traditional sense as shown in the 1D model. This approach helps in taking into consideration, the non-uniformity of the flow in the volute outlet section. The rotor is modelled as a single nozzle with an equivalent effective area.

For discretization of the 1D ducts, Finite volume approach is adopted, and the computation is carried out using the second order Monotone