3-D CFD study on a turbocharger turbine for automotive applications : an investigation of pulsating flow effects

During the last two decades, tighter emission regulations and high fuel cost have been driving engine manufacturers to use turbochargers pursuing engine downsizing. This allows to obtain great power densities with low fuel consumption. A parallel development of codes for engine simulations has started to improve engine design. At the moment, the best strategy is to use three-dimensional engine models integrating zero-dimensional turbine and compressor domains to save computational time. Performance maps based on test-bench, steady-state measurements furnish all the needed information. Quasi-steady operation is hence assumed for compressor and turbine. The latter, however, is subjected to highly pulsating flow: here this assumption is no more valid, and transient effects appear. To describe them many authors have proposed (mainly) one-dimensional models of the turbine, but all of them remain too simplified to be used fruitfully. Thus, It is felt the need to pursue a different path, searching a correlation able to describe this transient behavior maintaining the current map-based approach. To do so, a three-dimensional model of the turbine is created, and validated on experimental maps. Artificial pressure pulsations are imposed as boundary conditions at the domain inlet. Wave shape is simplified starting from a \textit{DFT} (Discrete Fourier Transform) analysis of experimental traces. Variations in amplitude, frequency and gradient of the rising flank are investigated. Simulation results highlight the presence of filling and emptying and wave effects in the volute volume, which delay pressure wave transmission. Contemporaneity between pulsation events (mass flow rate, torque, pressure) is hence discussed, being the basis of the quasi-steady assumption. To conclude, a predictive, empirical formula is proposed to calculate the time shifts within the volute starting from inlet pressure pulsation specific gradients.

Negli ultimi anni, stringenti normative sulle emissioni e alto prezzo del carburante hanno portato all'utilizzo crescente di motori turbocompressi. Essi garantiscono di diminuire cilindrata, consumi e ottenere una maggior densità di potenza. Parallelamente, codici per le simulazioni dei motori sono stati sviluppati al fine di migliorarne la progettazione. Al momento, la strategia più opportuna è di utilizzare modelli 3-D per il motore, accoppiati a modelli 0-D di turbina e compressore basati su mappe (al fine di risparmiare tempo di calcolo). Esse sono costruite a partire da misurazioni al banco di prova in condizioni stazionarie. La turbina, tuttavia, è soggetta a flussi altamente instazionari; con tale approccio, i fenomeni che appaiono in transitorio vengono trascurati. Molti autori propongono modelli semplificati, le cui capacità predittive rimangono insoddisfacenti. Ci si propone dunque di ricercare una soluzione differente al problema, tramite una correlazione da aggiungere all'approccio basato su mappe. A tal proposito è stato creato un modello tridimensionale della turbina, validato sulle mappe sperimentali fornite dal costruttore. Pulsazioni di pressione artificiali sono imposte come condizioni al contorno all'entrata del dominio. La forma d'onda è semplificata a partire dall'analisi tramite \textit{DFT} (trasformata discreta di Fourier) di tracce di pressione misurate sperimentalmente su diversi motori. Sono quindi studiate variazioni in frequenza, ampiezza e gradiente. I risultati delle simulazioni evidenziano la comparsa di effetti di riempimento/svuotamento e di propagazione delle onde nella voluta, i quali procurano un ritardo nella trasmissione delle onde di pressione. La contemporaneità tra le varie pulsazioni è quindi discussa (pressione, flusso di massa, coppia all'albero), essendo essa alla base dell'assunzione di quasi-stazionarietà. Per concludere, una formula empirica viene proposta per predire il valore dei ritardi tra pulsazioni di pressione nella voluta a partire dal massimo gradiente dell'onda artificiale imposta come condizione al contorno.