Aplicação de CFD para análise de desempenho de turbocompressor veicular

Abstract

A crescente demanda por eficiência energética e redução de emissões poluentes impulsiona o aprimoramento contínuo dos motores de combustão interna, sendo a turbo- alimentação uma das estratégias mais eficazes para aumentar o desempenho específico e viabilizar o downsizing. Nesse contexto, o presente trabalho tem como objetivo desen- volver e validar um modelo numérico tridimensional, baseado na Dinâmica dos Fluidos Computacional (Computational Fluid Dynamics – CFD), para análise aerodinâmica de uma turbina radial de turbocompressor veicular. A investigação concentra-se no rotor de uma turbina radial instalada em um motor John Deere 6068 PowerTech, com dados operacionais e geométricos obtidos a partir de ensaios experimentais conduzidos no Insti- tuto de Pesquisa em Bioenergia (IPBEN) associado à Faculdade de Engenharia de Ilha Solteira (FEIS/UNESP). A metodologia abrange a construção da geometria do rotor no software ANSYS BladeGen®, a geração de malhas estruturadas hexaédricas no ANSYS TurboGrid® com diferentes níveis de refinamento e a realização de simulações numéricas no ANSYS CFX®. As análises foram conduzidas em um domínio periódico representativo do rotor, considerando apenas sua região rotacional. Adotou-se o modelo de turbulência k-ω SST para representar o escoamento turbulento, compressível e em regime permanente. A independência da malha foi verificada por meio do método do Índice de Convergência de Malha (Grid Convergence Index – GCI ), que indicou baixas incertezas numéricas para pa- râmetros como eficiência isentrópica (0,01%), razão de expansão (1,11%) e torque (5,03%), atestando a confiabilidade da malha refinada selecionada. Os resultados foram validados por meio da comparação da razão de expansão calculada numericamente com valores experimentais obtidos a partir das pressões de entrada e saída da turbina, apresentando erro relativo de 5,10%. A análise fenomenológica do escoamento revelou a presença de zonas de recirculação no bordo de ataque, gradientes adversos de pressão na face de sucção e perdas por vazamento na folga entre a ponta da pá e o shroud, indicando oportunidades para otimizações geométricas, como o ajuste do ângulo de ataque e a redução da folga radial. Conclui-se que o modelo CFD desenvolvido é capaz de representar com precisão o comportamento aerodinâmico da turbina radial, fornecendo subsídios para futuros estudos de otimização do sistema de turboalimentação e geração de mapas de desempenho.

The growing demand for energy efficiency and reduced pollutant emissions has driven the continuous improvement of internal combustion engines, with turbocharging being one of the most effective strategies for increasing specific performance and enabling engine downsizing. In this context, the present work aims to develop and validate a three-dimensional numerical model based on Computational Fluid Dynamics (CFD) for the aerodynamic analysis of a vehicular turbocharger radial turbine. The investigation focuses on the rotor of a radial turbine installed on a John Deere 6068 PowerTech engine, using operational and geometric data obtained from experimental tests conducted at the Bioenergy Research Institute (IPBEN), associated with the School of Engineering of Ilha Solteira (FEIS/UNESP). The methodology comprises rotor geometry construction using ANSYS BladeGen®, generation of structured hexahedral meshes with different refinement levels in ANSYS TurboGrid®, and numerical simulations performed in ANSYS CFX®. The analyses were carried out in a periodic domain representative of the rotor, considering only its rotational region. The k-ω SST turbulence model was adopted to represent the turbulent, compressible, and steady-state flow. Mesh independence was assessed through the Grid Convergence Index (GCI) method, which indicated low numerical uncertainties for parameters such as isentropic efficiency (0.01%), expansion ratio (1.11%), and torque (5.03%), confirming the reliability of the selected refined mesh. The results were validated by comparing the numerically calculated expansion ratio with experimental values obtained from turbine inlet and outlet pressures, resulting in a relative error of 5.10%. The flow phenomenology analysis revealed the presence of recirculation zones at the leading edge, adverse pressure gradients on the suction side, and leakage losses through the blade tip clearance between the blade tip and the shroud, indicating opportunities for geometric optimization, such as adjusting the blade inlet angle and reducing the radial clearance. It can be concluded that the developed CFD model is capable of accurately representing the aerodynamic behavior of the radial turbine, providing a reliable basis for future studies on turbocharging system optimization and performance map generation.