O objetivo do trabalho é o desenvolvimento e a validação de metodologias para simular o comportamento dinâmico do escoamento e da transferência de calor em motores de combustão interna. O trabalho está dividido em duas partes. Na primeira parte, para caracterizar o sistema de admissão de motores de combustão interna, foi fixada a pressão na descarga em diferentes aberturas de válvulas em regime permanente. As análises foram realizadas a partir do coeficiente de descarga. Os dados numéricos foram obtidos utilizando o código comercial de volumes finitos Fluent e comparado com resultados experimentais. O escoamento turbulento foi resolvido com o modelo de viscosidade turbulenta k-ε e k-ε RNG, com aproximação de alto Reynolds e tratamento padrão nas regiões próximas às paredes. O estudo da independência de malha foi realizado partindo-se de uma malha tetra-prisma com subcamadas de 0,02 mm para assegurar o tratamento adequado na parede. Por fim, foi realizada uma análise em regime transiente, comparando-se os resultados do coeficiente de descarga com a utilização de tratamento híbrido e padrão nas zonas próximas às paredes. Como resultado, obteve-se boa concordância entre essas formas. Na segunda parte, é feita uma análise do escoamento transiente na admissão e no interior do cilindro em um motor padrão CFR. O motor foi tracionado com um motor elétrico a 200 rpm sem combustão. Neste, foram empregadas soluções numéricas com a utilização do código comercial em volumes finitos StarCD es-ice, com malha móvel hexaédrica. Os resultados experimentais do coeficiente de descarga, pressão e temperatura foram comparados durante o ciclo. O escoamento turbulento foi resolvido com o modelo de viscosidade turbulenta k-ω SST, com aproximação de baixo Reynols e tratamento híbrido nas regiões próximas às paredes. O estudo da independência de malha foi realizado a partir do coeficiente de descarga na máxima velocidade do êmbolo a 75 graus após o ponto morto superior do ciclo de admissão. Os resultados revelaram a formação de swirl, tumble e cross-tumble e a evolução destes durante o ciclo, como uma informação importante para o desenho da geometria dos coletores de admissão e de escape nos motores de combustão interna. Foi detectada a presença de recirculações nos coletores e no cilindro. Estas foram discutidas ao longo dos resultados. / The objective of the present work is to develop and validate methodologies to simulate the flow dynamics and heat transfer in internal combustion engines. The work is composed by two parts. In the first one, the intake systems of internal combustion engines are simulated considering the steady flow, with fixed pressure drops across the system, at different valve lifts. A discharge coefficient is calculated, based on numerical solutions using the Fluent 6.3 commercial Finite Volumes CFD code and compared with experimental results. Regarding the turbulence, computations are performed with Eddy Viscosity Models k-ε, in its High- Reynolds approach and k-ε RNG variant was also tested. A detailed mesh independence study was performed, arriving in a submillimeter mesh of 523000 tetra-prism cells, including an extrusion layer of 0.02 mm, to assure an adequate wall treatment. This analysis was made considering a transient flow, comparing the results of the discharge coefficient using hybrid treatment and standard in the near wall region, with good agreement. The second part of the present work focuses on a transient flow that occurs in the intake system and inside cylinder of a standard CFR (Cooperative Fuel Research) engine. As a first step the engine has no combustion, but is driven by an electrical motor that provides the desired angular velocity, in this case 200 rpm. Numerical solutions using the StarCD es-ice commercial Finite Volumes CFD code are performed, applying moving hexahedral trimmed meshes, and compared with experimental results of discharge coefficient, pressure and temperature in the cylinder. Regarding the turbulence, computations were performed with Eddy Viscosity Models k-ω SST, in its Low Reynolds approach with hybrid treatment near the walls. A mesh independence study was performed through discharge coefficient, in the maximum piston velocity, at 75 degrees after top dead center. The results revealed the presence of the swirl, tumble and cross-tumble flow patterns, important informations for the design of internal combustion engines. The presence of recirculation at the port and inside the cylinder is detected and discussed in detail.

Com o crescente aumento dos problemas ambientais relacionados à emissão de poluentes, normas cada vez mais rigorosas estão sendo implementadas para diminuir a emissão de gases nocivos provenientes da queima de hidrocarbonetos em motores de combustão interna. Um importante fator que influencia na geração de gases poluentes em motores é o comportamento do escoamento no cilindro, desde o início da admissão até a fase de combustão. O presente trabalho realiza um estudo numérico com validação experimental do escoamento no motor Honda GX35, considerando diversas aberturas de válvula fixas e diferenças de pressão para gerar o escoamento. A validação da metodologia numérica é realizada através da comparação dos resultados do coeficiente de descarga para todas as aberturas de válvula utilizadas. A medição da vazão de ar na metodologia experimental é realizada com um anemômetro de filme quente de aplicação automotiva, calibrado para as condições do teste. Já a metodologia numérica utiliza dois modelos de turbulência, k-ω SST e k-ε standard. Os resultados numéricos apresentaram boa concordância com os experimentais para ambos os modelos adotados, quanto ao coeficiente de descarga. Entretanto, a diferença de comportamento do escoamento no interior do cilindro é elevada, pois o modelo k-ω SST é capaz de captar a oscilação transiente do jato que se forma na saída da válvula, inexistente no k-ε standard. O comportamento transiente causa uma significativa variação da vorticidade média em um plano perpendicular ao cilindro, com o escoamento trocando de direção principal de rotação em alguns instantes. Dados numéricos médios e de variação ao longo do tempo para swirl e tumble também são apresentados e discutidos. Ao analisar a oscilação da vazão mássica na fronteira de saída do domínio, frequências de aproximadamente 1300 Hz são captadas. Tais frequências são confrontadas com resultados experimentais obtidos pelo presente grupo de pesquisa para medições de oscilação de pressão no coletor de admissão do mesmo motor. O desvio percentual relativo para a frequência de oscilação é de 0,3%, o que demonstra a correta predição, tanto do fenômeno de desprendimento de vórtice quanto do coeficiente de descarga obtido através do modelo de turbulência k-ω SST. / With the increasing environmental problems concerning pollutant emissions, stringent standards have been applied in order to decrease harmful gases produced by the hydrocarbons combustion in internal combustion engines. The flow behaviour within the cylinder is an important factor that affects the emission’s formation in engines, since the intake stroke until the combustion. This work performs a numerical study with experimental validation of fluid flow at Honda GX35 engine, considering different fixed valve lifts and suction pressures to generate the flow. The validation of the numerical methodology is made through the discharge coefficient and flow pattern comparisons for all valve lifts utilized. The mass flow rate in the intake system is measured with an automotive hot film anemometer, calibrated for the test’s conditions. Regarding the computational solution for the turbulent air flow, two turbulence models were utilized: SST k-ω and k-ε standard. Although the numerical results presented a good agreement with the experimental data concerning the discharge coeficient, the flow pattern comparisons presented a high discrepancy among the models utilized. The SST k-ω model is capable to capture the transient behaviour of the jet formed in the valve exit, constituting the main difference between them. The transient oscillation causes a significant difference of mean vorticity in a cylinder section plane, with the bulk flow changing its main rotation along the time. The averaged and transient numerical data of swirl and tumble are presented and discussed. In the frequency analysis of the numerical mass flow rate oscillations, obtained at the outlet boundary, presented an average value about 1300 Hz. Such frequencies, when compared with experimental results obtained by the present research group for the pulsating pressure waves into the intake duct of the same engine, had a relative percentage deviation of 0.3%. The agreement between the results using the SST k-ω model reveals the correct prediction of vortex shedding frequency and discharge coefficient.

O objetivo do trabalho é o desenvolvimento e a validação de metodologias para simular o comportamento dinâmico do escoamento e da transferência de calor em motores de combustão interna. O trabalho está dividido em duas partes. Na primeira parte, para caracterizar o sistema de admissão de motores de combustão interna, foi fixada a pressão na descarga em diferentes aberturas de válvulas em regime permanente. As análises foram realizadas a partir do coeficiente de descarga. Os dados numéricos foram obtidos utilizando o código comercial de volumes finitos Fluent e comparado com resultados experimentais. O escoamento turbulento foi resolvido com o modelo de viscosidade turbulenta k-ε e k-ε RNG, com aproximação de alto Reynolds e tratamento padrão nas regiões próximas às paredes. O estudo da independência de malha foi realizado partindo-se de uma malha tetra-prisma com subcamadas de 0,02 mm para assegurar o tratamento adequado na parede. Por fim, foi realizada uma análise em regime transiente, comparando-se os resultados do coeficiente de descarga com a utilização de tratamento híbrido e padrão nas zonas próximas às paredes. Como resultado, obteve-se boa concordância entre essas formas. Na segunda parte, é feita uma análise do escoamento transiente na admissão e no interior do cilindro em um motor padrão CFR. O motor foi tracionado com um motor elétrico a 200 rpm sem combustão. Neste, foram empregadas soluções numéricas com a utilização do código comercial em volumes finitos StarCD es-ice, com malha móvel hexaédrica. Os resultados experimentais do coeficiente de descarga, pressão e temperatura foram comparados durante o ciclo. O escoamento turbulento foi resolvido com o modelo de viscosidade turbulenta k-ω SST, com aproximação de baixo Reynols e tratamento híbrido nas regiões próximas às paredes. O estudo da independência de malha foi realizado a partir do coeficiente de descarga na máxima velocidade do êmbolo a 75 graus após o ponto morto superior do ciclo de admissão. Os resultados revelaram a formação de swirl, tumble e cross-tumble e a evolução destes durante o ciclo, como uma informação importante para o desenho da geometria dos coletores de admissão e de escape nos motores de combustão interna. Foi detectada a presença de recirculações nos coletores e no cilindro. Estas foram discutidas ao longo dos resultados. / The objective of the present work is to develop and validate methodologies to simulate the flow dynamics and heat transfer in internal combustion engines. The work is composed by two parts. In the first one, the intake systems of internal combustion engines are simulated considering the steady flow, with fixed pressure drops across the system, at different valve lifts. A discharge coefficient is calculated, based on numerical solutions using the Fluent 6.3 commercial Finite Volumes CFD code and compared with experimental results. Regarding the turbulence, computations are performed with Eddy Viscosity Models k-ε, in its High- Reynolds approach and k-ε RNG variant was also tested. A detailed mesh independence study was performed, arriving in a submillimeter mesh of 523000 tetra-prism cells, including an extrusion layer of 0.02 mm, to assure an adequate wall treatment. This analysis was made considering a transient flow, comparing the results of the discharge coefficient using hybrid treatment and standard in the near wall region, with good agreement. The second part of the present work focuses on a transient flow that occurs in the intake system and inside cylinder of a standard CFR (Cooperative Fuel Research) engine. As a first step the engine has no combustion, but is driven by an electrical motor that provides the desired angular velocity, in this case 200 rpm. Numerical solutions using the StarCD es-ice commercial Finite Volumes CFD code are performed, applying moving hexahedral trimmed meshes, and compared with experimental results of discharge coefficient, pressure and temperature in the cylinder. Regarding the turbulence, computations were performed with Eddy Viscosity Models k-ω SST, in its Low Reynolds approach with hybrid treatment near the walls. A mesh independence study was performed through discharge coefficient, in the maximum piston velocity, at 75 degrees after top dead center. The results revealed the presence of the swirl, tumble and cross-tumble flow patterns, important informations for the design of internal combustion engines. The presence of recirculation at the port and inside the cylinder is detected and discussed in detail.

Com o crescente aumento dos problemas ambientais relacionados à emissão de poluentes, normas cada vez mais rigorosas estão sendo implementadas para diminuir a emissão de gases nocivos provenientes da queima de hidrocarbonetos em motores de combustão interna. Um importante fator que influencia na geração de gases poluentes em motores é o comportamento do escoamento no cilindro, desde o início da admissão até a fase de combustão. O presente trabalho realiza um estudo numérico com validação experimental do escoamento no motor Honda GX35, considerando diversas aberturas de válvula fixas e diferenças de pressão para gerar o escoamento. A validação da metodologia numérica é realizada através da comparação dos resultados do coeficiente de descarga para todas as aberturas de válvula utilizadas. A medição da vazão de ar na metodologia experimental é realizada com um anemômetro de filme quente de aplicação automotiva, calibrado para as condições do teste. Já a metodologia numérica utiliza dois modelos de turbulência, k-ω SST e k-ε standard. Os resultados numéricos apresentaram boa concordância com os experimentais para ambos os modelos adotados, quanto ao coeficiente de descarga. Entretanto, a diferença de comportamento do escoamento no interior do cilindro é elevada, pois o modelo k-ω SST é capaz de captar a oscilação transiente do jato que se forma na saída da válvula, inexistente no k-ε standard. O comportamento transiente causa uma significativa variação da vorticidade média em um plano perpendicular ao cilindro, com o escoamento trocando de direção principal de rotação em alguns instantes. Dados numéricos médios e de variação ao longo do tempo para swirl e tumble também são apresentados e discutidos. Ao analisar a oscilação da vazão mássica na fronteira de saída do domínio, frequências de aproximadamente 1300 Hz são captadas. Tais frequências são confrontadas com resultados experimentais obtidos pelo presente grupo de pesquisa para medições de oscilação de pressão no coletor de admissão do mesmo motor. O desvio percentual relativo para a frequência de oscilação é de 0,3%, o que demonstra a correta predição, tanto do fenômeno de desprendimento de vórtice quanto do coeficiente de descarga obtido através do modelo de turbulência k-ω SST. / With the increasing environmental problems concerning pollutant emissions, stringent standards have been applied in order to decrease harmful gases produced by the hydrocarbons combustion in internal combustion engines. The flow behaviour within the cylinder is an important factor that affects the emission’s formation in engines, since the intake stroke until the combustion. This work performs a numerical study with experimental validation of fluid flow at Honda GX35 engine, considering different fixed valve lifts and suction pressures to generate the flow. The validation of the numerical methodology is made through the discharge coefficient and flow pattern comparisons for all valve lifts utilized. The mass flow rate in the intake system is measured with an automotive hot film anemometer, calibrated for the test’s conditions. Regarding the computational solution for the turbulent air flow, two turbulence models were utilized: SST k-ω and k-ε standard. Although the numerical results presented a good agreement with the experimental data concerning the discharge coeficient, the flow pattern comparisons presented a high discrepancy among the models utilized. The SST k-ω model is capable to capture the transient behaviour of the jet formed in the valve exit, constituting the main difference between them. The transient oscillation causes a significant difference of mean vorticity in a cylinder section plane, with the bulk flow changing its main rotation along the time. The averaged and transient numerical data of swirl and tumble are presented and discussed. In the frequency analysis of the numerical mass flow rate oscillations, obtained at the outlet boundary, presented an average value about 1300 Hz. Such frequencies, when compared with experimental results obtained by the present research group for the pulsating pressure waves into the intake duct of the same engine, had a relative percentage deviation of 0.3%. The agreement between the results using the SST k-ω model reveals the correct prediction of vortex shedding frequency and discharge coefficient.

O objetivo do trabalho é o desenvolvimento e a validação de metodologias para simular o comportamento dinâmico do escoamento e da transferência de calor em motores de combustão interna. O trabalho está dividido em duas partes. Na primeira parte, para caracterizar o sistema de admissão de motores de combustão interna, foi fixada a pressão na descarga em diferentes aberturas de válvulas em regime permanente. As análises foram realizadas a partir do coeficiente de descarga. Os dados numéricos foram obtidos utilizando o código comercial de volumes finitos Fluent e comparado com resultados experimentais. O escoamento turbulento foi resolvido com o modelo de viscosidade turbulenta k-ε e k-ε RNG, com aproximação de alto Reynolds e tratamento padrão nas regiões próximas às paredes. O estudo da independência de malha foi realizado partindo-se de uma malha tetra-prisma com subcamadas de 0,02 mm para assegurar o tratamento adequado na parede. Por fim, foi realizada uma análise em regime transiente, comparando-se os resultados do coeficiente de descarga com a utilização de tratamento híbrido e padrão nas zonas próximas às paredes. Como resultado, obteve-se boa concordância entre essas formas. Na segunda parte, é feita uma análise do escoamento transiente na admissão e no interior do cilindro em um motor padrão CFR. O motor foi tracionado com um motor elétrico a 200 rpm sem combustão. Neste, foram empregadas soluções numéricas com a utilização do código comercial em volumes finitos StarCD es-ice, com malha móvel hexaédrica. Os resultados experimentais do coeficiente de descarga, pressão e temperatura foram comparados durante o ciclo. O escoamento turbulento foi resolvido com o modelo de viscosidade turbulenta k-ω SST, com aproximação de baixo Reynols e tratamento híbrido nas regiões próximas às paredes. O estudo da independência de malha foi realizado a partir do coeficiente de descarga na máxima velocidade do êmbolo a 75 graus após o ponto morto superior do ciclo de admissão. Os resultados revelaram a formação de swirl, tumble e cross-tumble e a evolução destes durante o ciclo, como uma informação importante para o desenho da geometria dos coletores de admissão e de escape nos motores de combustão interna. Foi detectada a presença de recirculações nos coletores e no cilindro. Estas foram discutidas ao longo dos resultados. / The objective of the present work is to develop and validate methodologies to simulate the flow dynamics and heat transfer in internal combustion engines. The work is composed by two parts. In the first one, the intake systems of internal combustion engines are simulated considering the steady flow, with fixed pressure drops across the system, at different valve lifts. A discharge coefficient is calculated, based on numerical solutions using the Fluent 6.3 commercial Finite Volumes CFD code and compared with experimental results. Regarding the turbulence, computations are performed with Eddy Viscosity Models k-ε, in its High- Reynolds approach and k-ε RNG variant was also tested. A detailed mesh independence study was performed, arriving in a submillimeter mesh of 523000 tetra-prism cells, including an extrusion layer of 0.02 mm, to assure an adequate wall treatment. This analysis was made considering a transient flow, comparing the results of the discharge coefficient using hybrid treatment and standard in the near wall region, with good agreement. The second part of the present work focuses on a transient flow that occurs in the intake system and inside cylinder of a standard CFR (Cooperative Fuel Research) engine. As a first step the engine has no combustion, but is driven by an electrical motor that provides the desired angular velocity, in this case 200 rpm. Numerical solutions using the StarCD es-ice commercial Finite Volumes CFD code are performed, applying moving hexahedral trimmed meshes, and compared with experimental results of discharge coefficient, pressure and temperature in the cylinder. Regarding the turbulence, computations were performed with Eddy Viscosity Models k-ω SST, in its Low Reynolds approach with hybrid treatment near the walls. A mesh independence study was performed through discharge coefficient, in the maximum piston velocity, at 75 degrees after top dead center. The results revealed the presence of the swirl, tumble and cross-tumble flow patterns, important informations for the design of internal combustion engines. The presence of recirculation at the port and inside the cylinder is detected and discussed in detail.

Com o crescente aumento dos problemas ambientais relacionados à emissão de poluentes, normas cada vez mais rigorosas estão sendo implementadas para diminuir a emissão de gases nocivos provenientes da queima de hidrocarbonetos em motores de combustão interna. Um importante fator que influencia na geração de gases poluentes em motores é o comportamento do escoamento no cilindro, desde o início da admissão até a fase de combustão. O presente trabalho realiza um estudo numérico com validação experimental do escoamento no motor Honda GX35, considerando diversas aberturas de válvula fixas e diferenças de pressão para gerar o escoamento. A validação da metodologia numérica é realizada através da comparação dos resultados do coeficiente de descarga para todas as aberturas de válvula utilizadas. A medição da vazão de ar na metodologia experimental é realizada com um anemômetro de filme quente de aplicação automotiva, calibrado para as condições do teste. Já a metodologia numérica utiliza dois modelos de turbulência, k-ω SST e k-ε standard. Os resultados numéricos apresentaram boa concordância com os experimentais para ambos os modelos adotados, quanto ao coeficiente de descarga. Entretanto, a diferença de comportamento do escoamento no interior do cilindro é elevada, pois o modelo k-ω SST é capaz de captar a oscilação transiente do jato que se forma na saída da válvula, inexistente no k-ε standard. O comportamento transiente causa uma significativa variação da vorticidade média em um plano perpendicular ao cilindro, com o escoamento trocando de direção principal de rotação em alguns instantes. Dados numéricos médios e de variação ao longo do tempo para swirl e tumble também são apresentados e discutidos. Ao analisar a oscilação da vazão mássica na fronteira de saída do domínio, frequências de aproximadamente 1300 Hz são captadas. Tais frequências são confrontadas com resultados experimentais obtidos pelo presente grupo de pesquisa para medições de oscilação de pressão no coletor de admissão do mesmo motor. O desvio percentual relativo para a frequência de oscilação é de 0,3%, o que demonstra a correta predição, tanto do fenômeno de desprendimento de vórtice quanto do coeficiente de descarga obtido através do modelo de turbulência k-ω SST. / With the increasing environmental problems concerning pollutant emissions, stringent standards have been applied in order to decrease harmful gases produced by the hydrocarbons combustion in internal combustion engines. The flow behaviour within the cylinder is an important factor that affects the emission’s formation in engines, since the intake stroke until the combustion. This work performs a numerical study with experimental validation of fluid flow at Honda GX35 engine, considering different fixed valve lifts and suction pressures to generate the flow. The validation of the numerical methodology is made through the discharge coefficient and flow pattern comparisons for all valve lifts utilized. The mass flow rate in the intake system is measured with an automotive hot film anemometer, calibrated for the test’s conditions. Regarding the computational solution for the turbulent air flow, two turbulence models were utilized: SST k-ω and k-ε standard. Although the numerical results presented a good agreement with the experimental data concerning the discharge coeficient, the flow pattern comparisons presented a high discrepancy among the models utilized. The SST k-ω model is capable to capture the transient behaviour of the jet formed in the valve exit, constituting the main difference between them. The transient oscillation causes a significant difference of mean vorticity in a cylinder section plane, with the bulk flow changing its main rotation along the time. The averaged and transient numerical data of swirl and tumble are presented and discussed. In the frequency analysis of the numerical mass flow rate oscillations, obtained at the outlet boundary, presented an average value about 1300 Hz. Such frequencies, when compared with experimental results obtained by the present research group for the pulsating pressure waves into the intake duct of the same engine, had a relative percentage deviation of 0.3%. The agreement between the results using the SST k-ω model reveals the correct prediction of vortex shedding frequency and discharge coefficient.