RaduSebastian.pdf

Ministerul Educaiei, Cercetrii, Tineretului i Sportului

UNIVERSITATEA TRANSILVANIA DIN BRAOV

FACULTATEA DE INGINERIE MECANIC

Ing. Sebastian I. RADU

Cercetri privind concepia i realizarea unui

generator de presiune bazat pe rezonana n lichide

pentru propulsia autovehiculelor

Research on the conception and realization of a

pressure generator based on resonance in liquids for

propulsion of vehicles

CONDUCTOR TIINIFIC:

Prof.univ.dr.ing. Gheorghe-Alexandru RADU

Membru al Academiei de tiine Tehnice din Romnia

BRAOV, 2012

MINISTERUL EDUCAIEI, CERCETARII, TINERETULUI I SPORTULUI

UNIVERSITATEA TRANSILVANIA DIN BRAOV

BRAOV, B-DUL EROILOR NR. 29, 500036, TEL. 0040-268-413000, FAX 0040-268-

410525

RECTORAT

D-lui (D-nei) ..............................................................................................................

COMPONENA

Comisiei de doctorat

Numit prin ordinul Rectorului Universitii Transilvania din Braov Nr. 5410 din 21.09.2012

PREEDINTE: Prof. Univ.dr.ing. Anghel CHIRU Facultatea de Inginerie Mecanic Universitatea Transilvania din Braov

CONDUCTOR TIINIFIC: Prof. Univ.dr.ing. Gheorghe Alexandru RADU

Universitatea Transilvania din Braov

REFERENI: Prof. univ.dr.ing. Minu MITREA

Academia Tehnic Militar din Bucureti

Prof. univ.dr.ing. Nicolae FILIP

Universitatea Tehnic din Cluj Napoca

Prof. univ.dr.ing. Horia ABITNCEI Universitatea Transilvania din Braov

Data, ora i locul susinerii publice a tezei de doctorat: 07.12.2012, ora ........ sala

..............

Eventualele aprecieri sau observaii asupra coninutului lucrrii v rugm s le

transmitei n timp util, pe adresa [email protected]

Totodat v invitm s luai parte la edina public de susinere a tezei de doctorat.

V mulumim.

CUVNT NAINTE

Cercetrile realizate n teza de doctorat se ncadreaz n preocuprile actuale de

cutare a soluiilor sistemelor de propulsie cu o emisie de bioxid de carbon, seminficativ

redus fa de cea a sistemelor clasice. n prezent nu s-a conturat o soluie tehnic unanim

acceptat. Dac propulsia electric este aplicat la autotursime, dei exist nc numeroase

punct deschise de studii, rmne deschis problematica autovehiculelor utilitare i de gabarit

superior aututursimelor. Din acest motiv sunt binevenite cercetri care pot contribui prin

rspunsuri tehnice concrete la acest efort colectiv pentru identificarea soluiilor ecologice a

sistemelor de propulsie pentru autovehicule.

n aceast direcie, studiile sintetizate n prezenta tez de doctorat contribuie la

preocuprile existente n Departamentul de Autovehicule i Transporturi al Universitii

Transilvania din Braov, pentru sisteme de propulsie alternative, n special a soluiilor tehnice

pe baza priincipiilor hidraulice.

n acest sens exist o preocupare pentru cercetarea fundamental a proceselor

dinamice din lichide, susinut prin Granturile Acadmeii Romne (nr. 424 / 2003 / 2004),

conduse de domnul profesor d.h.c. Gheorghe Al. RADU, Membru al Academiei Tehnice,

n care s-au elucidat bazele teoretice ale dezvoltrii fenomenelor rezonante, activiti la care

autorul a participat ca membru n echipa de ceretare.

O alt direcie de cercetare departamental, a fost axat pe dezvoltarea de soluii

aplicate pentru sistemele hidraulice de propulsie, ncepute cu autovehiculul cu sistem de

propulsie hibrid-hidraulic serie cu recuperarea energiei de frnare i a energiei din

amortizoare a cror cercetare a constituit obiectul contractului de cercetare CNCSIS

101/2007/2008 i tezei de doctorat susinut de domnul dr.ing. Bogdan Comnic DNIL,

urmat de soluia hidraulic- alternant, a crei cercetare a constituit obiectul tezei de doctorat

susinut de domnul dr. ing. Adrian Aron PETRIC, la care se adaug cercetrile recente

privind utilizarea energiei pneumatice ca surs primar de energie pentru sistemele de

propulsie hiudraulice, cercetri care constituie teza de doctorat a domnului ing. Ionu SOARE.

Prezenta tez de doctorat a cutt unificarea celor dou direcii, prin utilizarea

fenomenului rezonant, ca fenomen dinamic fundamental, aplicat n sisteme mecano-hidraulice

i aplicarea acestuia la propulsia hidraulic a autovehiculelor, demers tiinific care a durat

peste zece ani de cercetri, efort la care autorul a fost susinut permanent de ctre domnul

profesor dr. ing. Gheorghe-Al. RADU i profesor dr. ing. Horia ABITNCEI, crora le

mulumesc pentru sprijinul competent acordat pe termen lung.

Dei cerctrile au fost concretizate n aplicaii experimentale pe autovehicul, s-a

deschis o cale generoas n obiective de cercetare, datorit potenialului demonstrat de

propulsia pe principii hidraulice cu aplicaii, cu caracter general, la propulsia neconvenional

a autovehiculului.

Datorez aprecieri i mulumiri conducerii Centrului de cercetare D02, domnului

profesor dr. ing. Anghel CHIRU care s-a preocupat n ultimii ani pentru creterea nivelului de

dotare existent i posibilitatea efecturii unor cercetri de amploare.

Apreciez n mod deosebit sprijinul conducerii Departamentului de Autovehicule i

Transporturi, domnului profesor dr. ing. Nicolae ISPAS i membrilor ntregului colectiv

pentru susinerea , sugestiile i suportul logistic acordat.

Mulumesc de asemenea grupului de studeni i masteranzi (Marton IAKAB-PETER,

Cezar CRICAN, Lenard JURJ) care prin interesul i ajutorul nemijlocit oferit la realizarea

cercetrilor, att experimentale ct i teoretice, mi-au fost de un real folos.

n primul rnd doresc s mulumesc familiei pentru sprijinul i ncurajrile de care m-

am bucurat, pe ntreaga perioad de realizare a lucrrii.

Braov, Noiembrie 2012 Ing. RADU, I. Sebastian

I

CUPRINS

Pg.tez Pg. rezumat

1 INTRODUCERE 1 1

1.1 Importana lucrrii 1 1

1.2 Obiectivele i structura tezei 2 1

2 CONSIDERAII PRIVIND SISTEMELE ALTERNATIVE DE PROPULSIE 5 3

2.1 Sisteme de propulsie electrice 5 3

2.1.1 Propulsia neconvenional de tip hibrid electric 6 3

2.1.2 Propulsia electric cu baterii electromobilul 8 4

2.1.3 Sisteme de propulsie cu pile de combustibil 10 4

2.1.4 Sisteme de propulsie cu ultra condensatori 11 4

2.2 Sisteme de propulsie hibrid hidraulice 14 5

2.2.1 Avantajele sistemului de propulsie hibrid hidraulic 22 6

2.2.2 Dezavantajele sistemului de propulsie hibrid hidraulic 22 6

2.3 Sisteme de propulsie pneumatice 23 6

2.4 Concluzii privind sistemele alternative de propulsie 26 7

3 CONFIGURAREA STRUCTURILOR I STEMELOR DE PROPULSIE BAZATE PE SISTEME REZONANTE

28 7

3.1 Principii de realizare a soluiilor ce permit manifestarea rezonanei 28 7

3.2 Concluzii 35 12

4 BAZELE TEORETICE ANALITICE I ALE SIMULRII FENOMENELOR REZONANTE N LICHIDE CU APLICAIE LA PROPULSIA

AUTOVEHICULELOR

36 12

4.1 Procesul de propagare a undelor n lichide i factori care l influeneaz 36 13

4.2 Influene asupra propagrii undelor 38 13

4.2.1 Influena compresibilitii lichidului 38 13

4.2.2 Influena elasticitii pereilor conductei 39 13

4.2.3 Influena gazelor n conduct 39 14

4.2.4 Influena fenomenului de cavitaie 40 14

4.2.5 Apariia rezonanei n sistemele hidraulice sub presiune 41 14

4.2.6 Dezvoltarea condiiilor de rezonan 41 14

4.2.7 Oscilaiile forate 44 15

4.2.8 Autooscilaiile 45 15

4.2.9 ocul hidraulic 46 15

4.3 Bazele matematice ale programelor de simulare 48 15

4.3.1 Ecuaiile generale ale curgerii 48 16

4.3.2 Metoda acustic 51 17

4.3.3 Metoda matricelor de transfer 53 17

4.3.4 Metoda sonic 54 18

4.3.4.1 Rezistivitatea sonic 55 18

II

4.3.4.2 Capacitatea sonic 55 19

4.3.4.3 Inductivitatea sonic 57 19

4.3.4.4 Inductivitatea unui motor hidrauli 57 19

4.3.5 Metoda caracteristicilor 59 20

4.3.6 Metoda diferenelor 61 21

4.3.7 Metoda volumelor finite 63 21

4.3.8 Abordarea curgerii pe baza teoriei fenomenelor dinamice 66 22

4.4 Simularea sistemelor rezonante 67 23

4.4.1 Obiectivul simulrilor 67 23

4.4.2 Programul simulrilor 68 23

4.4.3 Scurt prezentare a programelor de calcul utilizate 72 23

4.4.3.1 Utilizarea programului Fluent 73 24

4.4.3.2 Utilizarea programului CFDesign 76 25

4.4.3.3 Descrierea programului de simulare AMESim 78 25

4.5 Concluzii 81 26

5 OBIECTIVELE, PROGRAMUL I APARATURA DESTINAT CERCETRILOR EXPERIMENTALE

82 26

5.1 Obiectivele cercetrii experimentale 82 26

5.2 Programul cercetrilor experimentale 82 27

5.3 Aparatura utilizat n cercetarea experimental 85 30

5.3.1 Lanul de msurare 85 30

5.3.2 Sistemul de achiziie date 86 30

5.4 STANDUL DE NCERCARE 93 32

5.4.1 Principiul de funcionare adoptat pentru modelul experimental 93 32

5.5 Autovehiculele studiate 98 34

5.5.1 Autovehiculul ATV utilizat n teste 98 34

5.5.2 Autovehiculul Suzuki Samurai 104 35

5.5.3 Concluzii 108 37

6 IDENTIFICAREA MODULUI DE FORMARE-PROPAGARE-CONVERSIE A UNDELOR N LICHIDE

110 37

6.1 Elemente comune n studiul soluiilor 110 37

6.2 Generator cu unde de presiune prin oc hidraulic iniiat cu supape unisens 116 37

6.2.1 Scopul cercetrii 116 37

6.2.2 Descrierea soluiei tehnice 116 38

6.2.3 Efectuarea studiului 117 38

6.2.4 Analiza sistemului prin metoda volumelor finite 118 38

6.2.5 Prezentarea rezultatelor obinute prin experiment 120 39

6.2.6 Aprecieri i concluzii 121 39

6.3 Generator de unde de presiune cu piston acionat mecanic cu micare de translaie

123 40


III


6.3.3 Prezentarea rezultatelor simulrii 124 41

6.3.4 Prezentarea rezultatelor experimentale 126 42


6.4 Generator de unde de presiune pentru dezvoltarea rezonanei in conduct nchis cu sistem oscilant mecanic cuplat

128 43




6.4.4 Concluzii 133 44

6.5 Generator de unde de presiune cu excitaie prin impuls folosind piston n micare de translaie

133 44

6.5.1 Consideraii generale i aspecte privind simularea numeric 133 44




6.6 Generator de unde de presiune sinusoidale cu distribuitor rotativ 138 47






6.7 Generator de unde de presiune cu excitaie prin impuls folosind distribuitorul rotativ

146 51






7 ANALIZA INFLUENEI FACTORILOR CONSTRUCTIVI I FUNCIONALI ASUPRA PERFORMANELOR REZONATOARELOR DESTINATE

PROPULSIEI HIBRID HIDRAULICE A AUTOVEHICULELOR

152 53

7.1 Consideraii generale 152 53

7.2 Descrierea soluiilor tehnice 153 54

7.3 Validarea modelelor de simulare 154 55

7.4 Analiza regimurilor rezonante 156 57

7.4.1 Influena amplitudinii pistonului generator asupra presiunii sistemului 157 57

7.4.2 Influena frecvenei pistonului generator asupra sistemului 160 58

7.4.3 Influena presiunii iniiale din sistem asupra evoluiei presiunii din sistemul hidraulic

163 58

7.4.4 Influena diametrului pistonului generator asupra sistemului 166 58

7.5 Rezultatele cercetrii integrrii sistemelor mecanohidraulice rezonante n 170 59

IV

propulsia hidraulic a autovehiculului

7.5.1 Determinarea parametrilor optimi pentru integrarea sistemului mecano-hidraulic pe autovehicul

171 59

7.5.2 Cercetri efectuate asupra autovehiculului ATV 174 62

7.5.3 Cercetri efectuate asupra autovehiculului Suzuki Samurai 176 63

7.6 Identificarea punctului de amplitudine maxim din circuit hidraulic 178 64

7.7 Concluzii 180 65

8 CONCLUZII GENERALE, CONTRIBUII PERSONALE, DISEMINAREA REZULTATELOR I DIRECII VIITOARE DE CERCETARE

181 65

8.1 Concluzii generale 181 65

8.2 Contribuii personale 182 66

8.2.1 Contribuii teoretice 182 67

8.2.2 Contribuii n domeniul modelrii i simulrii 184 67

8.2.3 Contribuii n domeniul cercetrii experimentale 185 67

8.3 Diseminarea rezultatelor 186 68

8.4 Direcii de studiu pentru cercetri viitoare 189 68

Bibliografie 190 69

Rezumat 199 77

CV

V

CONTENTS

Thesis page no.

Summay page no.

9 INTRODUCTION 1 1

9.1 Importance of this thesis 1 1

9.2 Thesis objectives and sturcture 2 1

10 CONSIDERATIONS ON ALTERNATIVE PROPULSION SYSTEMS 5 3

10.1 Electric propulsion systems 5 3

10.1.1 Unconventional propulsion of type hybrid electric 6 3

10.1.2 Electric propulsion with batteries - electromobil 8 4

10.1.3 Propulsion systems with fuel celles 10 4

10.1.4 Propulsion systems with ultra condensators 11 4

10.2 Hybrid-hydraulic propulsion systems 14 5

10.2.1 Advantages of hybrid-hydraulic propulsion systems 22 6

10.2.2 Disadvantages of hybrid-hydraulic propulsion systems 22 6

10.3 Pneumatic propulsion systems 23 6

10.4 Conclusions about alternative propulsion systems 26 7

11 CONFIGURATION AND STRUCTURE OF PROPULSION SYSTEMS BASED ON REZONAT SYSTEMS

28 7

11.1 Principles for achieving the solutions that allow manifestation of resonance 28 7

11.2 Conclusions 35 12

12 THEORETIC, ANALITIC BASES AND OF REZONANT PHENOMENON SIMULATIONS IN LIQUIDS WITH APPLICATIONS FOR VEHICLE

PROPULSION

36 12

12.1 Propagation process of the waves in liquids and influencing factors 36 13

12.2 Influences over wave propagation 38 13

12.2.1 Influence of liquid compressibility 38 13

12.2.2 Influence of the elasticity of the pipeing walls 39 13

12.2.3 Influence of the gases in the pipes 39 14

12.2.4 Influence of the cavitational phenomenon 40 14

12.2.5 Appearance of rezonance pressurised hydraulic systems 41 14

12.2.6 Developing the rezonance conditions 41 14

12.2.7 Forced oscillations 44 15

12.2.8 Auto oscillations 45 15

12.2.9 Hydraulic Shocks 46 15

12.3 Mathematical basis of the simulation software 48 15

12.3.1 General flow equations 48 16

12.3.2 Acoustic method 51 17

12.3.3 Transpher matrix method 53 17

12.3.4 Sonic method 54 18

12.3.4.1 Sonic rezistivity 55 18

VI

12.3.4.2 Sonic capacity 55 19

12.3.4.3 Sonic inductivity 57 19

12.3.4.4 Hydraulic motor conductivity 57 19

12.3.5 Method of the characteristics 59 20

12.3.6 Differential method 61 21

12.3.7 Finite volume method 63 21

12.3.8 Flow approach based on the theory of dynamic phenomenon 66 22

12.4 Simulations of rezonant systems 67 23

12.4.1 Simulation objectives 67 23

12.4.2 Simulation software 68 23

12.4.3 Short presentation of the programs used for calculations 72 23

12.4.3.1 Using Fluent software 73 24

12.4.3.2 Using CFDesign software 76 25

12.4.3.3 Description of the symulation software AMESim 78 25


13 OBJECTIVES, EXPERIMENTAL RESEARCH PROGRAM AND EQUIPMENTS

82 26

13.1 Objectives of the experimental research 82 26

13.2 Program of the experimental research 82 27

13.3 Used equipments in experimental research 85 30

13.3.1 Measuring chain 85 30

13.3.2 Data aquisition system 86 30

13.4 TEST STAND 93 32

13.4.1 Working principle of the experimental model 93 32

13.5 Studied vehicles 98 34

13.5.1 ATV used in tests 98 34

13.5.2 Vehicle Suzuki Samurai 104 35

13.5.3 Conclusions 108 37

14 IDENTIFYING THE FORMATION-PROPAGATION-CONVERSION OF THE WAVES IN LIQUIDS

110 37

14.1 Common elements in the study of solutions 110 37

14.2 Pressure wave generator with hydraulic shocks initiated with one way valves 116 37

14.2.1 Purpose of teh research 116 37

14.2.2 Description of the tehnical solution 116 38

14.2.3 Conducting the study 117 38

14.2.4 System analysis with finite volume method 118 38

14.2.5 Presentation of the experimental results 120 39

14.2.6 Considerations and conclusions 121 39

14.3 Pressure wave generator with mechanically actioned piston with translational movement

123 40

14.3.1 Purpose of the experiment 123 40

VII


14.3.3 Prezentation of the simulation results 124 41



14.4 Pressure wave generator for rezonance development in closed pipe with coupled oscillationg mechanical system

128 43




14.4.4 Conclusions 133 44

14.5 Pressure wave generator with excitation by impuls using piston with translational movement

133 44

14.5.1 General considerations and aspects of the numerical simulation 133 44




14.6 Sinusoidal pressure wave generator with rotational distributor 138 47






14.7 Pressure wave generator with excitation by impuls using rotative distributor 146 51






15 CONSTRUCTIVE AND FUNCTIONAL INFLUENCE ANALYSIS OVER THE REZONATOR PERFORMANCES FOR HYBRID HYDRAULIC

PROPULSION SYSTEM OF VEHICLES

152 53

15.1 General considerations 152 53

15.2 Description of the tehnical solution 153 54

15.3 Validation of simulation models 154 55

15.4 Analysis of the rezonant conditions 156 57

15.4.1 Influence of the generator piston amplitude the pressure in the system 157 57

15.4.2 Influence of the generator piston frequency over the system 160 58

15.4.3 Influence of the initial pressure from the system over the pressure evolution in the hydraulic system

163 58

15.4.4 Influence of the generator piston diameter over the system 166 58

15.5 Result of the research about resonant mechanic - hydraulic systems integration in hydraulic propulsion of the vehicle

170 59

VIII

15.5.1 Determination of the optimal parameters for mechanic hydraulic system integration on the vehicle

171 59

15.5.2 Research done on the ATV 174 62

15.5.3 Research done on the vehicle Suzuki Samurai 176 63

15.6 Identification of the maximal amplitude point from the hydraulic circuit 178 64


16 GENERAL CONCLUSIONS, PERSONAL CONTRIBUTIONS, DISSEMINATION OF THE RESULTS AND FUTURE RESEARCH

DIRECTIONS

181 65

16.1 General conclusions 181 65

16.2 Personal contributions 182 66

16.2.1 Theoretic contributions 182 67

16.2.2 Contributions in modeling and simulating domain 184 67

16.2.3 Contributions in experimantal research domain 185 67

16.3 Dissemination of the results 186 68

16.4 future research directions 189 68

Bibliografy 190 69

Summary 199 77

CV

1

1 INTRODUCERE

1.1 Importana lucrrii

Contextul actual este dominat de eforturile depuse pentru obinerea unor mijloace de

transport capabile s respecte reglementrile privind emisiile poluante chimice cerute de

EURO 5 i in perspectiva anului 2014, a celor impuse de EURO 6; n acelai timp

automobilul trebuie s devin mai economic sub aspectul consumului de carburant , iar

penalizrile suferite de puterea oferit de motor sa fie minime.

Dac pn n trecutul apropiat eforturile de cercetare in domeniul amintit se ndreptau

aproape in exclusivitate asupra motoarelor cu ardere intern, ultimul deceniu a readus in

atenie propulsia hibrid, capabil sa recupereze energia pierdut prin frnare i cea disipat n

sistemul de suspensie i s ofere motorului condiii de funcionare la regimurile mai puin

poluante i mai economice.

n aceste condiii, cercetrile care au ca obiect sistemul de propulsie au proliferat

semnificativ, apariia autovehiculelor cu propulsie hibrid fiind un fenomen frecvent.

n tara noastr cercetrile privind sistemele de propulsie neconvenional sunt relativ

rare, de aceea orice lucrare ce abordeaz acest domeniu constituie o experien interesant i

valoroas, care pune bazele unui portofoliu de date i experien importante pentru viitor.

Lucrarea se nscrie nu numai in contextul actual internaional precizat, dar este i o

etapa din cercetrile ncepute n urma cu un deceniu la Departamentul de Autovehicule i

Transporturi al Universitii Transilvania din Braov privind propulsia hibrid-hidraulic i

concretizat deja prin trei teze de doctorat.

1.2 Obiectivele i structura tezei

Resursele propulsiei hibrid-hidraulice nu au fost nc explorate n ntregime;

fenomenele dinamice care apar in lichidul propulsiei hidraulice sunt departe de a fi exploatate.

n consonan cu aceast observaie, obiectivul fundamental al lucrrii este utilizarea

fenomenului dinamic, rezonana, manifestat n sistemul lichid, cu scopul optimizrii

sistemelor hidraulice de propulsie destinate autovehiculelor.

n vederea realizrii acestui obiectiv i avnd n vedere implicarea unui fenomen

fundamental, activitatea de cercetare din cadrul acestei lucrri a urmat succesiunea proces

sistem rezonant aplicaie pe autovehicul . n aceast viziune etapele principale parcurse au

fost:

1. Studiul, din punct de vedere fundamental, al fenomenelor de generare propagare i

conversie al undelor din sisteme lichide, condiie necesar pentru adoptarea

corelaiilor parametrice necesare manifestrii rezonanei.

Pe baza cunotinelor dobndite n aceast etap s-a trecut la pasul urmtor al

cercetrii.

2. Concepia i realizarea de soluii tehnice n care se manifest rezonana i care se pot

implementa pe sisteme hidraulice pentru propulsia autovehiculelor. n aceast etap s-

a urmrit realizarea de modele funcionale pentru mai multe principii constructive.

2

3. Identificarea influenei parametrilor constructivi i funcionali asupra performanelor

rezonatoarelor s-a realizat pentru soluiile concepute n etapa a 2-a avnd drept

parametru obiectiv presiunea dezvoltat pentru aceleai condiii iniiale. i n aceast

etap se combin observaiile obinute prin simulare cu cele experimentale, cu

justificarea prezentat n etapa 1.

4. Soluiile tehnice pentru care s-au obinut informaii privind potenialul energetic, dar i

consideraii privind influenele parametrilor constructivi i funcionali au fost

dezvoltate ca sisteme aplicabile pe autovehicule cu scopul demonstrrii potenialului

energetic al acestora.

Demonstrarea aplicabilitii la autovehiculul experimental s-a realizat pentru un

autovehicul tip ATV , a crui transmisie hidraulic-alternant a fost completat cu soluia

rezonant i pentru un autovehicul Suzuki Samurai, la care sistemul hidraulic rezonant s-a

aplicat ca surs suplimentar de propulsie, acionnd puntea spate.

Pentru realizarea obiectivelor tezei, lucrarea a fost structurat n 8 capitole al cror

coninut rezumativ este prezentat in continuare.

n capitolul 1 autorul plaseaz lucrarea in contextul cercetrilor tiinifice actuale asupra

cilor de obinere a autovehiculelor mai puin poluante i n acelai timp mai economice. Sunt

de asemenea evideniate obiectivele i structura lucrrii.

n capitolul 2 se ntreprinde un studiu privind sistemele alternative de propulsie,

insistndu-se asupra propulsiilor hibrid-electrice, hibrid hidraulice i hibrid pneumatice,

prezentndu-se realizrile mai importante, precum i avantajele i limitele acestora.

n final se alege ca obiect al cercetrii propulsia alternativ de tip hidraulic rezonant,

soluie ce se nscrie in preocuprile Departamentului de Autovehicule si Transporturi al

Universitii Transilvania din Braov.

n capitolul 3 sunt prezentate structurile de principiu ale sistemelor de propulsie

concepute de doctorand, capabile s pun n eviden posibilitile de obinere a rezonanei n

sisteme de tip mecano hidraulic i a modului de valorificare a acestuia n sistemele de

propulsie hidraulice destinate autovehiculelor.

n capitolul 4 se prezint bazele teoretice ale apariiei i dezvoltrii fenomenului rezonant

n lichide; sunt analizate metodele matematice (metoda acustica, metoda caracteristicilor,

metoda volumelor finite) cu ajutorul crora se poate realiza descrierea fenomenului rezonant

i care permit construirea modelelor de simulare specifice fenomenului analizat.

Capitolul 5 este destinat obiectivelor, programului i aparaturii destinate cercetarilor

experimentale, cercetri care au ca scop validarea modelelor teoretice, evidenierea

influenelor diverilor factori constructivi i funcionali asupra comportrii mecano

hidraulice rezonante, precum i demonstrarea posibilitilor integrrii acestora in propulsia

autovehiculelor.

n capitolul 6 sunt prezentate i analizate prin simulare i prin experiment cele 5 structuri

realizate fizic in cadrul tezei, pe baza structurilor de principiu expuse in capitolul 3. Demersul

tehnico-tiinific a pus in eviden mecanismul de apariie i manifestare a fenomenului

rezonant n sistemele mecano hidraulice, apt a fi utilizat in propulsia autovehiculului.

3

Structurile analizate n capitolul 6 sunt integrate n 10 variante de sisteme rezonante

prezentate i studiate prin simulare i experiment n capitolul 7.

Din cele 10 variante de sisteme rezonante au fost selectate 5, cu potenial aplicativ

evident, fiind nglobate n cinci configuraii de sisteme de propulsie.

Capitolul 8 este destinat concluziilor generale, contribuiilor personale, direcilor de

cercetare viitoare si modului cum au fost diseminate rezultatele cercetrilor.

2 Consideraii privind sistemele alternative de propulsie

n concepia actual prin sistem de propulsie se nelege totalitatea agregatelor, de la

sursa de energie pn la contactul cu solul al sistemului de rulare, care contribuie i asigur

deplasarea autovehiculului.

Ultimii ani au confirmat proliferarea sistemelor hibride de propulsie att ca uniti

fabricate ct si ca varietate de tipuri. S-au impus in mod special dou sisteme de propulsie

hibrid i anume: propulsia hibrid electric i propulsia hibrid hidraulic. La acestea se

adaug, deocamdat cu unele reineri, propulsia hibrid pneumatic.

Propulsia hidraulic este acea propulsie n a crei componen se regsete ca surs de

energie, pe lng motorul cu ardere interna clasic, nc cel puin un sistem suplimentar

capabil sa furnizeze moment de traciune la roile motoare ale autovehiculului.

2.1 Sisteme de propulsie electrice

Sistemele de propulsie neconvenionale de tip electric se pot structura in urmtoarele

categorii: propulsie hibrid electric, propulsie electric cu baterii (de tip PLUG-IN), sisteme

cu pil de combustibil, sistemul de propulsie cu ultracondensatori.

2.1.1 Propulsia neconvenional de tip hibrid electric

Propulsia hibrid electric este caracterizat de existena a dou surse de energie pe

autovehicul si anume motorul cu ardere intern i motorul electric.

Funcie de modul de dispunere a surselor de energie, sistemul de propulsie hibridul

electric poate fi:

- sistem de propulsie hibrid paralel;

- sistem de propulsie hibrid serie;

- sistem de propulsie mixt.

Sistemul de propulsie hibrid electric, indiferent de tipul su prezint urmatoarele

avantaje deosebit de importante pentru utilizarea pe autovehicule.

- Motorul cu ardere intern, utilizat ca surs de energie are de regul puteri mai mici i

poate fi utilizat la regimuri constante de funcionare i anume acolo unde consumul

specific de combustibil si valorile emisiilor poluante sunt la valori aproape de cele

minime.

- Sistemul de propulsie permite recuperarea si reutilizarea energiei pierdute n timpul

decelerrii sau al frnrii.

- Emisiile poluante chimice, emisiile de gaze de ser ca i emisiile poluante fonice sunt

diminuate sensibil.

4

2.1.2 Propulsia electric cu baterii - electromobilul

La aceste sisteme de propulsie, sursa de energie, care este de natur electric, o

constituie bateriile de acumulatoare, iar sistemul de conversie este motorul electric care

antreneaz direct sau prin intermediul unui reductor mecanic, roile motoare. Conversia

energiei se face pe traseul chimic electric, energia fiind stocat.

n ceea ce privete performanele dinamice ale autovehiculelor electrice, acestea ating

aceleai viteze ca i autovehiculele convenionale i asigur aceleai nivele de siguran. n

unele cazuri acestea au acceleraii mai bune datorit proprietilor motoarelor electrice la

viteze reduse.

Faptul c sursa de energie de pe electromobil (bateriile de acumulatori) trebuiesc

rencarcate periodic la intervale de timp relativ scurte i in locuri de rencrcare bine

precizate, autonomia de deplasare a acestor autovehicule electrice este relativ redus, ele

putnd acoperi exigenele de transport intr-o ni bine precizat: transport urban, uzinal,

aeroporturi etc. Proliferarea autovehiculelor electrice acionate de la acumulatori este

obiecionabil innd seama de consumul de materiale ca: Li, Pb, Io, etc.

2.1.3 Sisteme de propulsie cu pile de combustibil

Pila de combustibil este soluia tehnic la care energia chimic a combustibilului

(hidrogen, metanol) este convertit direct n energie electric. Conversia se produce

permanent, atta timp ct pila este alimentat cu combustibil.

O pila de combustibil, combin hidrogenul i oxigenul pentru a produce electricitate,

care este folosit pentru a propulsa autovehiculul. Singurul produs care rezult n urma

proceselor este apa. La ora actual, marii constructori din industria automobilistic au adoptat

aceast cale de dezvoltare ca o alternativ viabil pentru autovehiculul viitorului.

Pilele de combustibil funcioneaz utiliznd hidrogenul furnizat i oxigenul din aer.

Hidrogenul este trecut peste anod iar oxigenul este introdus pe partea catodului. Partea

anodului este prevzut cu un catalizator de platin care descompune hidrogenul n ioni i

electroni rezultai n urma reaciei.

Utilizarea pilelor de combustibil cu hidrogen, cu toate avantajele pe care le prezint in

ceea ce privete poluarea i randamentul conversiei de energie ridic probleme importante n

privina siguranei in exploatare si in trafic.

2.1.4 Sisteme electrice de propulsie cu ultracondensatori

Centrul de cercetare Gleenn din Cleveland a iniiat un proiect inovativ de vehicul

hibrid i anume dezvoltarea unui autobuz urban cu propulsie electric (HETB).

Scopurile acestui proiect sunt creterea cu 50 % a economiei de combustibil pentru

transportul urban i reducerea emisiilor care contribuie la efectul de ser utiliznd

ultracondensatorul.

Ultracondensatoarele elimin toate dezavantajele pe care le au bateriile.

Ultracondensatoarele folosite la sistemul HETB sunt condensatoare electromecanice care au

capaciti volumetrice extrem de mari din cauza suprafeelor mari ale electrozilor i a

separatorilor dintre electrozi care au grosime mic. Ciclul de viaa a acestor condensatori este

foarte lung n comparaie cu cel al bateriilor normale, astfel c este posibil s nu fie necesar

5

schimbarea acestora. Fiabilitatea sistemului HETB este evident mai mare i costurile de

fabricaie i ntreinere sunt reduse, iar efectele asupra mediului sunt diminuate.

Ultracondensatoarele debiteaz puteri considerabil mai mari dect bateriile, deci pot fi

furnizate nivele mari de putere..

Aceste vehicule sunt echipate cu sisteme de frnare regenerativ. Acestea recupereaz

energia produs de sistemul de traciune n timpul frnrii sau a decelerrii pentru a rencrca

echipamentul de nmagazinare a energiei electrice.

2.2 Sisteme de propulsie hibrid hidraulice

Sistemele de propulsie hibrid - hidraulice sunt similare ca i concept cu cele hibrid -

electrice (fig. 2.10). Principiul de baz este acelai la ambele sisteme; exist o surs de

generare a energiei primare, care poate fi un motor cu ardere intern sau o turbin cu gaze,

cuplat cu un generator de presiune, un sistem de acumulare a energiei hidraulice, un sistem

de comand i control, un motor hidraulic n roat, care transform energia hidraulic n

energie mecanic.

Fig. 2.10 Asemnarea sistemelor hibrid-electrice cu sistemele hibrid-hidraulice [158]

Schema bloc a sistemelor hidraulice este format din generatorul de presiune GP

sistem care are rolul de a transforma o form oarecare de energie n energie hidraulic; calea

de transmisie a energiei hidraulice CT i motorul hidrostatic MHS, sistem care convertete

energia hidraulic a lichidului n energie mecanic. ntregul flux de energie este comandat

prin sistemul de comand SC.

La fel ca i n cazul propulsiei hibrid electrice, funcie de modul de dispunere a

surselor de energie, sistemul de propulsie hibrid hidraulic poate fi:

- sistem de propulsie hibrid paralel;

- sistem de propulsie hibrid serie;

- sistem de propulsie mixt.

Autovehiculul realizat n cadrul Departamentului de Autovehicule i Transporturi de la

Universitatea Transilvania din Braov.

Structura sistemului de propulsie a acestui autovehicul are urmtoarele caracteristici:

hibrid-hidraulic serie; circuit hidraulic deschis; motoare hidrostatice cuplate direct la roile

motoare ale autovehiculului; motoare hidraulice cuplate n paralel pentru obinerea efectului

de diferenial; motoare hidraulice plasate pe puntea spate; pomp i motoare de volum

6

constant; motoare reversibile ca sens (pentru mers nainte napoi); motoare reversibile ca

destinaie (pentru propulsie i recuperare energie de frnare); grup motor cu ardere intern

prevzut cu o cutie de viteze n patru trepte i reductor; integrarea recuperrii hidraulice a

energiei de frnare; integrarea recuperrii hidraulice a energiei disipate n amortizoarele

autovehiculului.

2.2.1 Avantajele sistemului de propulsie hibrid hidrauli

La autovehiculele hibrid-hidraulice crete semnificativ economia de combustibil i

se reduc emisiile de noxe, prin posibilitatea funcionrii motorului cu ardere

intern la puteri mai reduse i n regimuri de lucru convenabile;

Propulsia hibrid - hidraulic este simpl din punct de vedere al tehnologiei.

Propulsia hidraulic poate fi construit cu tehnologia de fabricaie existent;

Din punct de vedere al randamentului, propulsia hibrid - hidraulic poate avea un

randament mai ridicat dect propulsia clasic, prin utilizarea energiei pierdute n

regim de frnare i prin recuperarea energiei din amortizoare;

Asigur rapoarte mari de transmitere a puterii intr-o gam continu;

Permit transmiterea puterii fr ocuri;

Modul n care sunt legate diferitele elemente care compun sistemele hidraulice se

bazeaz pe circuite simple care se aplic pentru diferitele funcii care urmeaz a fi

realizate prin sisteme hidraulice.

2.2.2 Dezavantajele sistemului de propulsie hibrid hidraulic

Sensibilitatea lichidului la variaii de temperatur prin modificarea viscozitii;

Compresibilitatea uleiului;

Sensibilitate mare la prezena aerului n lichid;

Pierderi de putere prin frecrile lichidului (este motivul pentru care vitezele sunt

limitate la valori reduse);

Constructiv, problema esenial este asigurarea etanrii;

Necesit precizie de fabricare ridicat;

Exist posibilitatea apariiei ocurilor la funcionri necontrolate;

Necesitatea diagnosticrii i mentenanei fluidului de lucru;

Influene asupra mediului privind zgomotul, scurgerile din sistem i pericolul

aprinderii uleiului care prin microfisuri este pulverizat i devine n atmosfer

inflamabil.

2.3 Sisteme de propulsie pneumatice

Un motor cu aer comprimat este un actuator pneumatic care creeaz lucru mecanic prin

destinderea i comprimarea aerului. n loc de amestec carburant care arde n motorul cu

ardere intern pentru a produce lucru mecanic, vehiculele cu aer comprimat folosesc

7

destinderea aerului comprimat pentru a deplasa pistoanele motorului. Ele au existat n mai

multe forme de-a lungulul ultimelor dou secole, variind n mrime.

Ideea de baz a unui autovehicul hibrid pneumatic este de a utiliza motorul cu ardere

intern, nu numai pentru combustie, dar i ca o pomp i un motor pneumatic.

Avantajul acestei tehnologii: este mult mai ieftin dect un autovehicul hibrid electric i

aproape la fel de economic. Conceptul este mai simplu dect cel al unui hibrid electric

motorul fiind conectat cu un rezervor de aer comprimat, n loc de o baterie.

2.4 Concluzii privind sistemele alternative de propulsie

Principalele cerine impuse sistemelor de propulsie hibrid pentru autovehicule sunt:

Reducerea consumului de carburant;

Caliti ecologice i de economicitate;

Cost de producie i de ntreinere ct mai sczut. Tehnologie de producie ct mai

simpl;

Autonomie ct mai ridicat a automobilelor.

n consecin, n urma analizei n care s-au luat n consideraie criteriile prezentate, s-a

ajuns la concluzia c propulsia hibrid electric ridic probleme delicate, legate de

complexitate, cost, performane i poluare indirect.

Propulsia hibrid - hidraulic reprezint soluia adecvat de aplicat n construcia

autovehiculelor deoarece este caracterizat de o densitate de putere considerabil, obinut cu

structuri constructive convenionale.

Propulsia hibrid hidraulic prezint un potenial semnificativ de dezvoltare i

optimizare prin aplicarea principiilor alternante i rezonante, lucru care atrage dup sine i

ameliorarea considerabil a randamentului sistemului.

Ca urmare, lucrarea de fa ii propune s exploreze teoretic i experimental

posibilitile de utilizare a fenomenului rezonant n structurile propulsiilor hibrid-hidraulice i

s realizeze variante constructive ale unor asemenea sisteme capabile a fi utilizate n propulsia

autovehiculelor.

3 Configurarea structurilor sistemelor de propulsie bazate pe sisteme rezonante

3.1 Principii de realizare a soluiilor constructive ce permit manifestarea rezonanei

Rezonana este fenomenul dinamic caracterizat prin variaii semnificative ale

parametrilor caracteristici ai sistemului (de exemplu, curent n sisteme electrice, presiune n

sisteme hidraulice, amplitudinea deplasrii n sisteme mecanice) i care se manifest pentru

anumite seturi de parametri constructivi i funcionali ai sistemului (de exemplu mas,

constant elastic, frecven la sisteme mecanice).

Definiia este menit s prezinte rezonana ca un fenomen care merit studiat, nu numai

pentru a evita anumite disfuncionaliti neexplicate ale sistemelor tehnice, ci i pentru a

utiliza activ fenomenul.

8

Pentru un sistem linear, o variaie a parametrilor de intrare duce la o variaie

proporional a parametrilor de ieire. n aceast viziune, rezonana ca fenomen nelinear,face

legtura ntre parametrii de intrare i cei de ieire, acetia din urm avnd caracteristica

abaterii semnificative de la corelaii liniare. Din punct de vedere al teoriei sistemelor dinamice

[136] sistemul rezonant este un sistem sensibil la variaia parametrilor de intrare. Aceast

viziune este prezentat schematic n Fig. 3.1 i Fig. 3.2, care reprezint relaia dintre

parametrii de intrare i parametrii de ieire ntr-un sistem linear (Fig. 3.1) respectiv pentru

sistemul nelinear (Fig. 3.2).

Variaia de mare amploare, necontrolat poate provoca, de exemplu, ruperea arborilor

cotii; fenomenul arat ns i potenialul energetic de care dispune.

Acest potenial se urmrete a fi exploatat n acest capitol, respectiv se urmrete

deducerea soluiilor constructive care permit manifestarea rezonanei n mod constructiv.

Fig. 3.1 Relaia parametri de intrare parametri de ieire pentru un sistem linear

Fig. 3.2 Relaia parametrii de intrare parametrii de ieire pentru un sistem nelinear

ntr-un sistem rezonant hidraulic, proprietile lichidului legate de performanele

energetice n absena reaciilor chimice sunt:

densitatea;

compresibilitatea;

viscozitatea;

disipaia, respectiv amortizarea oscilaiilor n conduct, la capete i pe rezistene

locale.

Cunoaterea proprietilor i a dependenelor este esenial pentru analiza, dar i pentru

generarea fenomenelor dinamice.

Starea lichidului la un moment dat este descris prin urmtorii parametri i mrimi de

stare:

presiune;

volum;

temperatur;

vitez;

celeritatate (viteza de propagare a sunetului);

energie intern;

entalpie, lucru mecanic.

9

Caracterizarea modului de evoluie a parametrilor semnificativi funcie de timp se face

folosind urmtoarea terminologie:

Tabelul 3.1

Noiunea Semnificaia Observaii/Exemple

Fenomene dinamice

Lichidul, aflat n interaciune variabil n timp, suport o serie de modificri ale parametrilor caracteristici de curgere.

Propagarea undelor n

lichide;

Oscilaia pendulului

Sistem dinamic Sistemul care suport manifestarea fenomenelor dinamice.

Coloana de lichid

Fenomen staionar Parametri de curgere constani. Curgere permanent

Fenomen cvasi-staionar Absena efectelor ineriei i elasticitii lichidului.

Pe termen scurt procesul

se consider staionar, variaia parametrilor fiind liniar Ex.: golirea unui rezervor

Fenomen nestaionar

Parametri de curgere variabili n

timp, unde efectele ineriale i elastice se manifest semnificativ.

Curgerea n conductele

de alimentare cu

combustibil a motoarelor

unde n regim de

funcionare la turaie constant a motorului, alimentarea cu

combustibil este

ntrerupt i reluat la fiecare ciclu motor

Fenomen nestaionar n conducta rigid

Curgere nestaionar unde semnificativ este efectul inerial.

-

Fenomen nestaionar n condiii de elasticitate

Curgere nestaionar unde semnificative sunt proprietile elastice ale lichidului i conductei.

-

Fenomen tranzitoriu

Trecerea ntre dou regimuri stabile de curgere (permanent sau nestaionar).

Curgerea n conductele

de alimentare cu

combustibil a motoarelor

n timpul accelerrii motorului;

nchiderea unei conducte

de curgere permanent

Soluia tehnic de tip sistem hidraulic destinat propulsiei autovehiculului este,

structural, un sistem de acionare, avnd n componena sa o surs energetic pentru generarea

energiei hidraulice, calea de transmisie care conine sistemul de comand i actuatorii care

convertesc energia hidraulic n energie mecanic.

Constructiv, generatorul de energie hidraulic, este format dintr-un mecanism cu cam

care antreneaz un piston n micare periodic, exercitnd o for F cu viteza v, genernd un

debit Q1. Sistemul se continu cu o conduct capabil s susin propagarea undelor, fenomen

care la captul cellalt este caracterizat prin debitul Q2. Fenomenul este nestaionar, iar n

funcie de sarcina care se opune deplasrii pistonului de la captul conductei va rezulta la

ambele capete o presiune datorat sarcinii sistemului p1, p2. Printr-un mecanism piston

10

prghie cuplaj unisens se convertete puterea hidraulic n energie mecanic de rotaie

descris prin momentul M i viteza unghiular .

Din punct de vedere dinamic, sistemul este format din dou componente mecanice

care ncadreaz o component hidraulic, rezultnd un sistem mecano hidraulic cuplat.

Ansamblul este caracterizat ca sistem dinamic prin masa m1 i constanta elastic k1, a

generatorului, avnd pulsaia proprie 1p, inertana L, capacitatea C i pulsaia proprie a

coloanei de lichid Lp, iar reprezentative pentru elementul de execuie sunt masa m2,

constanta elastic k2, a elementului de execuie, avnd pulsaia proprie 2p.

(Inertana este un factor de proporionalitate ntre diferena de presiune necesar

modificrii debitului de curgere n unitatea de timp i variaia debitului.)

Din punct de vedere al sistemelor dinamice, generatorul de energie hidraulic este o

mas susinut de un element elastic, suspus unei excitaii periodice. Deplasarea sa este

amortizat de frecarea cu pereii. Ansamblul mas - element elastic prezint o pulsaie

proprie.

n contact cu generatorul hidraulic se afl coloana de lichid caracterizat prin mas,

(ca o caracteristic inerial) i proprieti elastice care permit un efect de acumulare i

disipaie datorat frecrilor dintre straturile de fluid cu pereii i trecerii prin rezistene locale.

Ca sistem dinamic, coloana de lichid este un sistem oscilant cu pulsaie (pulsaii) proprie cu

excitaie extern i n funcie de proprietile ineriale, cumulative i disipative, precum i de

corelaiile existente la nivel de frecven cu sursa de oscilaii, rezult parametrii de ieire.

Elementul de execuie, ca sistem care transform energia hidraulic dezvoltat n

regim rezonant, n energie mecanic, are caracteristicile generatorului i, la fel ca i acesta,

are posibilitatea deplasrii n micare de rotaie sau translaie. n cazul particular al acestui

studiu, cerina fundamental impus sistemului de execuie, este capacitatea de a converti

energia undelor de amplitudine ridicat propagate n lichid n regim rezonant.

Conceptul prezentat permite configurarea unei multitudini de variante constructive, a

cror clasificare este dat n Tabelul 3.2:

Tabelul 3.2

Structural, se propune n studiu:

a. sistemul de propulsie cu rezonator mecanic, ca surs primar pentru transmisia

hidraulic (Fig. 3.3);

b. sistemul de propulsie bazat pe rezonatorul sonic (Fig. 3.6), ca parte integrant a

sistemului de propulsie hidraulic, rezonator configurat n structur serie (Fig. 3.4) sau

paralel(Fig. 3.5).

Natura fizic a

rezonatorului

Mod de cuplare

al elementelor

rezonatorului

Natura

micrii

generatorul

ui

Modul de

generare

al energiei

hidraulice

Structura

circuitulu

i

Modul de

utilizare

al

energiei

hidraulice

Conexiun

ea spre

elementul

de

execuie

mecanic serie alternant excitaie sinusoidal

simpl aciune

motor

sonic

central

hidraulic paralel rotativ excitaie prin

impulsuri

dubl aciune

motor

hidraulic

capete de

conduct

11

Fig. 3.3 Sistemul de propulsie cu rezonator mecanic integrat n transmisia hidraulic

La Sistemul de propulsie cu rezonator mecanic integrat n transmisia hidraulic,

sursa de oscilaii 1, antrenat sinusoidal, de exemplu de la un mecanism cu cam sau biel

manivel, antreneaz pistonul 2 a crui revenire este asigurat de elementul elastic 3,

genereaz n conducta 4, oscilaiile de presiune care se propag la elementele de execuie.

n varianta conversiei hidrostatice, oscilaiile au rol de element de pompare i prin

intermediul supapelor unisens 7, lichidul din rezervorul 8 este deplasat spre motorul

hidrostatic 9, care antreneaz roata motoare 10.

n varianta motorului sonic, acesta este format din pistonul 5 care antreneaz prin

intermediul unui bra i a cuplajului unisens 6, roata motoare 10.

Sistemul de propulsie bazat pe rezonator sonic se poate configura pe baza a dou

structuri n care elementele ineriale (L) i capacitive (C) sunt cuplate n serie(Fig. 3.4) sau

paralel (Fig. 3.5), n care perturbaia se produce cu pulsaia , iar energia este disipat n

special pe rezistena R.

Fig. 3.4 Montajul serie pentru rezonatorul sonic

Fig. 3.5 Montajul paralel pentru rezonatorul sonic

Modul de integrare al unui rezonator sonic cu propulsia autovehiculului este redat n

Fig. 3.6.

Mecanismul generator 1, de forma mecanism cu cam sau biel manivel,

antreneaz pistonul hidraulic 2 care se deplaseaz n cilindrul cu dublu efect, genernd

Sistemul rezonant:

Motor

hidrostatic

3

2 1

5

Motor sonic

6

7

8

9

10

10

4

12

oscilaii periodice n cele dou ramuri ale sistemului. ntre acestea, n paralel, se monteaz o

capacitate 3, o mas inerial 4 i un cilindru hidraulic 5, care are rolul de a converti micarea

ondulatorie din cilindrul hidraulic n micare de translaie alternativ, care la rndul ei prin

intermediul ansamblului de prghii 6, antreneaz roata motoare 11, prin intermediul

cuplajului unisens 7. ntr-o a doua variant principial, coloana de lichid a rezonatorului sonic

este element de pompare, i prin intermediul grupului de supape unisens 8, preia uleiul din

rezervorul 9, deplasndu-l la motorul hidrostatic 10, care antreneaz roata motoare 11.

Fig. 3.6 Rezonatorul sonic integrat n propulsia autovehiculului

3.2 Concluzii:

Observaia principal care se desprinde din studiile sintetizate n acest capitol este

existena unei multitudini de soluii tehnice care se bazeaz pe ideea fundamental a tezei,

valorificarea fenomenului rezonant dezvoltat n lichide la propulsia autovehiculului.

Soluiile tehnice dezvoltate au ca scop crearea unei baze de comparaie pentru mai

multe principii (de exemplu: cuplarea serie/paralel) avnd drept scop identificarea direciilor

de aprofundare a cercetrii.

4 Bazele teoretice, analitice i ale simulrii fenomenelor rezonante n lichide cu aplicaie la propulsia autovehiculelor

n cadrul acestui capitol se prezint i se analizeaz fenomenele fizice care stau la baza

structurilor i sistemelor mecano - hidraulice care folosesc fenomenul de rezonan i care pot

s fie integrate n propulsia autovehiculelor, n scopul evidenierii complexitii factorilor care

influeneaz dezvoltarea regimului dinamic n sistem.

Capitolul se ncheie cu prezentarea posibilitilor oferite de software-ul Fluent i

software-ul AMESim pentru atingerea obiectivelor de cercetare propuse.

Sistemul rezonant:

Motor

hidrostatic

Motor sonic

7

8

9

10

11

11 1

C L

R

Condiia de rezonan:

2

3 4

5 6

13

4.1 Procesul de propagare a undelor n lichide i factori care l influeneaz

Considernd fenomenele dinamice ca acele manifestri i condiii care contribuie la

modificarea n timp a strii lichidului, studiul efectuat n prezentul capitol vizeaz analiza

fenomenelor dinamice pentru aplicaii n domeniul hidraulicii tehnice.

Indiferent dac fenomenul de curgere se produce n conductele de alimentare ale

motoarelor, sau alte sisteme hidraulice, accelerarea sau decelerarea fluidului, amestecul cu

aerul, ocurile, fenomenele dinamice n general se manifest similar, diferenele fiind

introduse de modul concret de realizare a condiiilor limit (distribuitoare, robinei, viteze de

acionare, etc.).

Pe parcursul analizei vom considera starea energetic a lichidului ca baz pentru

aplicaiile tehnice.

Proprietile lichidului legate de performanele energetice, n absena reaciilor chimice

sunt:

densitatea;

compresibilitatea;

viscozitatea;

disipaia, respectiv amortizarea oscilaiilor n conduct, la capete i pe rezistene locale.

Cunoaterea proprietilor i a dependenelor este esenial pentru analiz dar i pentru

generarea fenomenelor dinamice.

Pentru a analiza sistemul dinamic lichid i mai ales pentru a putea identifica direciile

de evoluie parametrica pe care pot apare transformri semnificative ale strii sistemului (de

ex. concentraie maxima de energie) este posibil analiza matematic a unor modele care

corespund soluiei fizice.

4.2 Influene asupra propagrii undelor

4.2.1 Influena compresibilitii lichidului

Lichidul ca mediu fluid este compresibil n urma aciunii presiunii. Se definete

coeficientul de compresibilitate prin relaia:

T

Pp

V

V

1 (4.2.1)

care descrie diminuarea volumului n urma creterii de presiune. Din definiia sa rezult c

acesta este o caracteristica a fluidului de lucru.

4.2.2 Influena elasticitii pereilor conductei

Cedarea pereilor conductei sub aciunea presiunii lichidului este resimit de acesta

prin scderea vitezei de propagare a sunetului, conform relaiei :

14

sE

ED

E

a

c

1

(4.2.2)

unde D este diametrul interior al conductei, s, grosimea peretelui i EC modulul de elasticitate

al materialului conductei.

4.2.3 Influena gazelor n conduct.

Gazul poate apare ca urmare a scderii presiunii locale sub presiunea de vaporizare,

creterii temperaturii peste temperatura de vaporizare, umplerii incomplete a conductei sau a

neetaneitii acesteia .

Prezena sa este descris ca pondere fa de volumul de amestec gaz-lichid (=Vg/Vam)

i poate fi privit ca :

GL EEE

)1(1 (4.2.3)

un fluid omogen cu o component care modific proprietile (modulul de elasticitate)

lichidului omogen conform relaiei de sus.

4.2.4 Influena fenomenului de cavitaie

De fenomenul de cavitaie se va ine seama tot ca influen asupra vitezei de propagare

a sunetului. Aceast influen este diferit fa de simpla prezen a gazului, deoarece apar

prbuiri ale cavitilor de gaz. Amestecul de lichid i gaz cavitant este considerat un fluid n

care undele se propag cu o vitez conform ecuaiei lui Nguien: [136]

LL

G

GGG

L

L aaaaa

)1()1()1(

1

(4.2.4)

4.2.5 Apariia rezonanei n sistemele hidraulice sub presiune

Regimul nepermanent de micare al fluidelor produce modificri ale condiiilor de

funcionare ca urmare a trecerii de la o stare stabil la alta. Exista condiii cnd o perturbaie

introdus ntr-un sistem hidraulic se amplific n timp rezultnd creteri semnificative de

presiune i oscilaii ale curgerii. Aceast condiie de funcionare, care depinde de

caracteristicile sistemului de conducte i ale excitaiei, se numete rezonan.

4.2.6 Dezvoltarea condiiilor de rezonan

Din mecanica clasic este cunoscut frecvena natural, n, a unui sistem mas-

element elastic (4.2.5):

m

kn

2

1 (4.2.5)

n care n = frecvena natural a sistemului elastic n rad/s; m = masa sistemului; k =

constanta elastic a arcului. Dac se aplica asupra masei o for sinusoidal avnd frecvena

f , apare iniial o pulsaie (stare tranzitorie) i apoi sistemul ncepe s oscileze la frecvena

15

forei f i cu o amplitudine constant (oscilaii uniforme) . Amplitudinea vibraiilor depinde

de raportul nfr / .

Vom considera o conduct delimitat de un rezervor la un capt i la celalalt de o

supap acionat n regim sinusoidal cu frecvena, f, ncepnd de la timpul t=0. Similar cu un

sistem mas-element elastic se dezvolt mai nti o pulsaie (und de presiune), dup care

presiunea i viteza oscileaz cu o amplitudine constant dar cu frecvena f. O astfel de

curgere se numete curgere oscilatorie staionar.

Amplitudinea presiunilor din rezervor este zero. Cu alte cuvinte rezervorul reprezint

un nod de presiune al sistemului hidraulic. n sistemul mecanic exista o mas singulara i

constanta elastic a unui arc. Astfel exista un singur grad de libertate i din aceast cauz

numai o frecven proprie.

4.2.7 Oscilaiile forate

Oscilaiile staionare din sistemele hidraulice pot fi determinate de un factor exterior

sau pot fi autooscilaii. Sistemul forat oscileaz la pulsaia sursei de excitaie, iar sistemele

autooscilante la una din pulsaiile proprii ale sistemului.

Pentru sistemele hidraulice exista dou posibiliti de aplicare a excitaiilor forate:

pulsaii de presiune i pulsaia debit i relaia dintre presiune i debit. Un exemplu de oscilaii

de presiune sunt undele staionare la suprafaa unui rezervor deschis.

4.2.8 Autooscilaiile

n cazul excitaiilor proprii, unul din elementele sistemului are rolul de excitator, ceea

ce face ca energia sistemului s creasc datorita unei perturbaii minore. Rezonana apare

atunci cnd aportul de energie pe ciclu este mai mare dect disipaia. Un exemplu

reprezentativ este o supap neetan.

4.2.9 ocul hidraulic

Cnd vitezele ntr-un sistem de conducte se modific att de rapid nct trebuie luate n

considerare proprietile elastice ale conductei i fluidului, avem de-a face cu un fenomen

tranzitoriu, cunoscut sub denumirea de oc hidraulic.

4.3 Bazele matematice ale programelor de simulare

Pe baza modelelor, simularea este necesar pentru identificarea modului n care starea

fluidului se modific ca urmare a interaciunilor externe.

Utilizarea modelului virtual, pe baze matematice, n studiul fenomenologiei reale, poate fi

fcut pe dou ci:

prima, metoda matematic, este ncercarea utilizrii unei funcii matematice cunoscute, care descrie ct mai bine fenomenul real. Particularitile matematice pot duce la concluzii legate de comportarea sistemului urmnd ca prin analiza sistemului

dinamic s fie obinute ct mai multe informaii despre sistem.

16

a doua cale, metoda fizic, const n elaborarea unui sistem de ecuaii matematice pornind de la fenomenul fizic, n baza unor ipoteze, sistem care admite o soluie mai mult sau mai puin exact.

4.3.1 Ecuaiile generale ale curgerii

Elaborarea ecuaiilor pentru metoda fizic ce vizeaz sistemele studiate, implic

formularea la nivelul unui volum de lichid, a conservrii masei, impulsului i energiei, printr-

un element de suprafaa, pentru un fluid newtonian. Aceste entiti sunt transportate prin dou

mecanisme semnificative: deplasarea fluidului (transport convectiv) i a moleculelor cu luarea

n considerare a vitezei de curgere (transport molecular).

Transportul convectiv este descris att pentru scalari, ct i pentru vectori. Scalarii

considerai sunt densitatea, densitatea speciei i, energia cinetic pe unitatea de volum i

energia interna pe unitatea de volum.

Variaia de volum la nivelul volumului de control este pentru unitatea de suprafa dS

avnd normala n i viteza u:

dSun )(

(4.3.1)

iar a unui scalar oarecare, B, este:

BdSun )(

(4.3.2)

Expresia Bun )(

reprezint rata cu care scalarul este transportat prin convecie ntre

limitele volumului.

Transportul molecular participa cu flux de mas, moment i energie suplimentar fa

de transportul convectiv. Ecuaiile care descriu transportul molecular sunt:

iABA mDj (4.3.3)

unde j descrie fluxul masic rezultat prin transport molecular intr-un mediu de densitate cu

difuzivitatea D a fraciunii masice mi.

Fluxul impulsului este:

IukuupI T

3

2 (4.3.4)

Pentru balana mrimilor considerate la nivelul volumului de control, rezult sistemul

de ecuaii, exprimat sub form diferenial.

Ecuaia de micare este:

aa gDt

Du (4.3.5)

unde este tensorul tensiunilor iar g, componenta gravitaional.

Ecuaia energiei are expresia:

aaa gujquqeu

Dt

D 2

2

1 (4.3.6)

fiind notat cu q, fluxul termic i cu e, energia interna a unitii masice.

Conform principiului transportului de propietate pe cale convectiv i molecular se

pot formula alte ecuaii caracteristice pentru proprietile interesante, i anume:

Ecuaia energiei mecanice:

17

uguu

Dt

D 2

2

1 (4.3.7)

Pentru curgerea turbulent sistemul de ecuaii se completeaz n metoda k- cu ecuaia

de conservare a energiei cinetice a fluctuaiilor k, i a ratei disipaiei .

n abordarea soluionrii sistemului de ecuaii, se formeaz sistemul din ecuaiile

semnificative i acestea se particularizeaz la problema studiat i domeniul de variaie a

parametrilor, precum i al rezultatelor preconizate n urma simulrii.

n final, ecuaiile caracteristice ale mecanicii fluidelor se pot sintetiza sub forma:

unde este variabila generalizat necunoscut, coeficientul general de difuzie i S

termenul surs pentru proprietatea . Ecuaia generalizat (4.3.8) conine un termen

nestaionar, unul convectiv, termenul difuziv i termenul surs.

4.3.2 Metoda acustic

Metoda acustic presupune reducerea sistemului n ipoteza unei curgeri nestaionare,

isentrope, unidimensionale, respectnd ecuaia undei:

2

22

2

2

x

pa

t

p

(4.3.9)

unde a este viteza de propagare a undei, celeritatea, definit prin:

Ea 2 (4.3.10)

cu E fiind notat modulul de elasticitate al lichidului i cu densitatea acestuia.

Ecuaia undei se poate obine i prin transformarea ecuaiei de continuitate i a

impulsului scrise n condiiile date.

Considernd impedana hidraulic drept raportul dintre presiune i debit

A

E

Q

pZ

(4.3.11)

se poate determina evoluia amplitudinii pe lungimea conductei:

ax

Z

pi

axQxQ

sin

)0(cos)0()( (4.3.12)

axiZQ

axpxp

sin)0(cos)0()(

(4.3.13)

Avantajele i limitele metodei constau n faptul c metoda acustic permite

considerarea geometrilor simple, a condiiilor de propagare a undelor, fr a surprinde ns

influente de natura perturbatoare i a identifica sursele de disipaie.

4.3.3 Metoda matricelor de transfer

Fie o conduct de lungime L, ale crei capete se noteaz cu indicii 1 respectiv 2.

Legtura dintre parametrii de curgere dintre capetele conductei se face matriceal:

Sxx

uxt ii

i

i

(4.3.8)

18

2

2

1

1

Q

p

DC

BA

Q

p (4.3.14)

Identificnd termenii matricei din relaiile (4.3.14), rezult:

;cos

aLDA

aLiZB

sin

aL

ZiC

sin

1 (4.3.15)

Avantajul metodei const n posibilitatea cuplrii unui numr mare de conducte de

diferite lungimi i seciuni pentru studiul efectelor asupra presiunii i debitului volumic.

Suplimentar se pot introduce influente locale.

Dezavantajele metodei sunt legate de necesitatea includerii a numeroi parametri din

date experimentale i limitarea la condiiile unidimensionale de curgere.

4.3.4 Metoda sonic

Sonicitatea, fundamentata de Gogu Constantinescu, presupune lichidul ca fiind un

sistem elastic i delimiteaz domeniul de aplicare al metodei la sistemele elastice, inclusiv

cuplate. Teoria cercettorului romn susine un domeniu tiinific care fundamenteaz teoretic

dezvoltarea sistemelor tehnice ce se bazeaz pe elasticitatea lichidului i mai general pe

fenomene dinamice n lichide, respectiv transmiterea energiei prin unde propagate n lichide.

Aceasta metoda este practic calea de transmitere cu cele mai reduse pierderi.

Principalele componente ale reelelor sonice sunt:

rezistena sonic;

Q

pRS

(4.3.16)

capacitatea sonic;

p

QCS

(4.3.17)

inductivitatea sonic.

Q

pLS

(4.3.18)

4.3.4.1 Rezistivitatea sonic

Aceasta proprietate descrie influentele care se opun unei curgeri. Acestea sunt legate

de lichid sau de elementele care delimiteaz spaiul de lucru.

Viscozitatea este una din proprietile importante ale lichidului folosit ca sistem

tehnic. Conform ipotezei newtoniene, tensiunea tangenial este proporional cu gradientul

de vitez:

dy

xd (4.3.19)

unde reprezint viscozitatea dinamic.

Pe lng frecrile dintre straturile de fluid la nivel molecular, apar frecri datorate

turbulenei i frecrilor cu pereii. Ecuaia Hagen-Poiseuille, formuleaz legtura dintre debit

i cderea de presiune prin ecuaia:

19

pL

rQ

8

4

(4.3.20)

pentru o conduct circular de raza r i lungime L, cu rugozitate nul.

4.3.4.2 Capacitatea sonic Factorul de proporionalitate este capacitatea sonic:

lichid

SE

VC 0 (4.3.21)

Conform subcapitolului 4.1 modulul de elasticitate al lichidului depinde de natura sa,

de presiune, temperatur, apariia cavitaiei, prezenei aerului dizolvat n lichid i elasticitatea

pereilor spaiului de lucru. De aceti factori se tine seama prin definirea modulului de

elasticitate corectat Elichid.

4.3.4.3 Inductivitatea sonic

Pentru fluidul cuprins intr-o conduct se deduce inductivitatea sonic pornind de la

relaia:

QLQA

L

dt

dvA

A

L

dt

dv

A

AL

A

dt

dvm

A

Fp S

conductaconductaconducta

(4.3.22)

Inductivitatea sonic a unei coloane de lichid de densitate cuprins ntr-o conduct

de lungime L i arie a seciunii transversale A, descrie diferena de presiune necesar unei

variaii de volum din condiii ineriale, respectiv, diferena de presiune necesar unei variaii

de volum a crui stare de inerie se modific (este accelerat sau decelerat).

4.3.4.4 Inductivitatea unui motor hidraulic

Fie un motor hidraulic liniar pentru care se caut deducerea inductivitii, conform

Fig. 4.1.

Fig. 4.1 Schema de calcul pentru impedana sonic a unui motor liniar

Debitul prin cilindru este:

xAQ P iar derivata sa: xAQ P . (4.3.23)

Inductivitatea unui motor hidraulic rotativ avnd momentul de inerie J, se calculeaz

din condiia nvingerii momentului de inerie al motorului:

motorJM (4.3.24)

Legarea componentelor sonice se poate face n serie sau paralel. Conform teoriei

sonicitii [70], prezena capacitii n circuit introduce un defazaj nainte ntre presiune i

debit de /2, n timp ce impedana, un defazaj negativ. Perioada se menine.

20

Variaia de presiune ntre extremitile conductei pentru circuitul serie este dat de

relaia:

QC

LiRQpS

S )1

(

(4.3.25)

i arat c vectorul de variaie al presiunii este rezultanta vectorului RQ, n faza cu Q i

QC

LS

S

1, defazat n avans fa de Q cu

2

, conform Fig. 4.2:

Fig. 4.2 Spaiul fazelor pentru circuit sonic serie

O soluie asemntoare celei rezultate la metoda acustic, respectiv soluia ecuaiei

undei se obine i n sonicitate pentru condiii iniiale sinusoidale.

Avantajele majore ale teoriei sonicitii sunt:

fundamentarea matematic a principiilor de funcionare a unor sisteme care

valorifica fenomenele dinamice;

la sistemele pe care le abordeaz, teoria sonicitii este practic suficient n

descrierea i analiza sistemelor analizate;

descrierea fenomenelor dinamice cu un aparat matematic accesibil;

posibilitatea includerii a numeroi parametri caracteristici ai fluidului i sistemelor

mecanice ataate sub form modulara;

posibilitatea analizei simultane a sistemelor dinamice de natur diferit cuplate.

Dezavantajele metodei sunt legate de abordarea unidimensional, abordare care

necesit rezultate experimentale i nu permite surprinderea fenomenelor tridimensionale n

subsistemele cu volume avnd cele trei dimensiuni geometrice relativ proporionale.

4.3.5 Metoda caracteristicilor

Istoricul metodelor de analiz a fenomenului loviturii de berbec este marcat de

numeroase tehnici practice i ingenioase de rezolvare a ecuaiilor lui Euler i ale conservrii

masei. Aceste metode reflect complexitatea analizei numerice din acea perioad, ct i

ingeniozitatea practicienilor. n ultimii ani, disponibilitatea computerelor de nalt

performan la un cost relativ redus a condus la crearea de metode de rezolvare foarte exacte

din punct de vedere numeric a acestor ecuaii i care sunt capabile s nglobeze o gam larg

de condiii limit.

Sistemul de ecuaii care se particularizeaz pentru aplicarea metodei caracteristicilor

descrie curgerea unidimensional, nestaionar i anisentrop,

21

012

dt

dp

x

ua

(4.3.26)

02

1

uu

D

f

dx

dzg

x

p

dt

du

(4.3.27)

Metoda caracteristicilor are avantajul major al posibilitii urmririi modului de

evoluie a fenomenului dinamic, respectiv trecerea de la un regim de perturbare lin la unul cu

variaii brute de proprietate.

Un al doilea avantaj important const n posibilitatea ca plecnd de la o evoluie

dat a parametrilor de stare, prin descompunerea acesteia s se obin ponderea undelor

directe i reflectate. Cunoaterea acestora permite dirijarea interveniei externe spre influena

preponderent.

4.3.6 Metoda diferenelor

Principiul metodei const n dezvoltarea de diferene care s nlocuiasc diferenialele

pariale, n lungul variabilelor independente. Pentru aceasta se discretizeaz dimensiunea

spaial i cea temporal n subdomenii disjuncte, subdomenii care formeaz o reea n ale

crei noduri se calculeaz soluiile. Ideea fundamental a metodei diferenelor finite este

nlocuirea derivatelor prin diferene, respectiv dezvoltarea local a operatorilor difereniali n

serii Taylor trunchiate.

Scris sub form matriceal, modelul matematic al curgerii nestaionare, anisentrope,

unidimensionale este:

Cx

F

t

G

(4.3.28)

unde G este matricea necunoscutelor (p, u), F, componentele convective (up+a2u; p+u2 ),

iar C termenii surs (a2u/A; -f ), unde f este coeficientul de frecare definit funcie de

criteriul Reynolds.

Avantajul important al metodei diferenelor este c modelele cu diferene sunt uor

de implementat pentru o diversitate larg de probleme. De asemenea metoda este relativ uor

de programat.

Dezavantajele rezult din dificultile de modelare a condiiilor limit complexe, a

geometriilor complexe, a proprietilor speciale ale fluidelor i identificrii condiiilor n care

apar fenomene puternic neliniare (de exemplu ocuri sau cavitaie) pentru care modelul nu

mai este valabil.

4.3.7 Metoda volumelor finite

Metoda volumelor finite permite rezolvarea sistemelor de ecuaii complexe,

tridimensionale, anisentrope i nestaionare. Practic metoda volumelor finite este singura

metod care permite abordarea sistemelor de ecuaii elaborate n subcapitolele anterioare.

Sistemele de ecuaii nu admit soluii exacte, fiind necesar aplicarea metodelor numerice.

Aplicarea metodei necesita resurse de calcul speciale.

Baza metodei numerice const n conversia ecuaiei generalizate cu derivate pariale

ntr-o ecuaie algebrica care pune n relaie valoarea variabilei n punctul P, oarecare din

22

domeniul discretizat de calcul, cu valorile din punctele nvecinate ale reelei. Combinnd

fluxul convectiv cu cel difuziv din ecuaia generalizat,

i

iix

uJ

(4.3.29)

aceasta se rescrie:

Sx

J

t i

i

(4.3.30)

Avantajul metodei volumelor finite este posibilitatea ca prin rafinarea reelei de

discretizare s creasc acurateea rezultatelor. Este posibila modelarea geometriilor complexe

i a regimurilor nestaionare cu luarea n considerare a proprietilor fluidului i a dependentei

acestora de parametrii de stare, n timpul efecturii simulrii. Astfel aplicarea efortului de

calcul se justifica pentru geometriile complexe n care au loc curgeri cu variaii semnificative

ale parametrilor de stare.

4.3.8 Abordarea curgerii pe baza teoriei fenomenelor dinamice

Cazul general al sistemelor dinamice este descris prin ecuaia:

,, txfdt

dx (4.3.31)

sub form de diferenial ordinar, respectiv:

,xgx (4.3.32) sub form de reprezentare, unde:

nRUx , 1Rt i pRV . (4.3.33)

t este variabila timp, iar , parametru.

Soluia ecuaiei (4.3.31) este o funcie:

)(;: txtRIx n (4.3.34)

astfel nct x(t) satisface (4.3.31), de exemplu:

);),(()( ttxftx , (4.3.35)

I fiind un interval 1RI .

Dependena parametric se exprim prin formularea x(t,t0,x0,). Aceast curb

reprezint traiectoria sau curba fazica n punctul x0 la t=t0.

Graful funciei x(t,t0,x0,) este definit ca:

ItxttxxRRtxxttx n ),,,(),(),,( 00100 (4.3.36) unde I este intervalul de existenta.

Scopul studiului fenomenelor dinamice este caracterizarea complet a geometriei

traiectoriilor, iar dac sistemul dinamic depinde de parametri, atunci intereseaz schimbrile

aprute n traiectoriile din spaiul fazelor, atunci cnd se modific parametrii, respectiv de a

identifica sensibilitatea sistemului dinamic la variaiile de parametri.

23

4.4 Simularea sistemelor rezonante

4.4.1 Obiectivul simulrilor

Cercetrile prin simulare efectuate n cadrul prezentei lucrri au avut urmtoarele

obiective fundamentale:

Identificarea modului dinamic de formare propagare conversie al undelor propagate

n lichide;

Identificarea modului in care principalii parametri constructivi si funcionali ai

componentelor propulsiei hibrid-hidraulice concepute pentru a aciona autovehiculul,

influeneaz modul de comportare a sistemului de propulsie cuplat cu autovehiculul;

Identificarea influenei factorilor constructivi i funcionali asupra performanelor

rezonatoarelor integrate n propulsia autovehiculelor.

Pentru obiectivul 1, s-au folosit programele, Fluent i CFDesign, care s permit

simularea 2D - 3D n regim dinamic, iar pentru obiectivele 2 i 3 s-a utilizat programul

AMESim care s permit cuplarea elementelor de natur fizic diferit (mecanic, hidraulic)

supuse unei funcionri dinamice, inclusiv cuplarea cu un model de autovehicul, pentru a avea

imaginea global a sistemului.

4.4.2 Programul simulrilor

La crearea programului simulrilor s-a avut n vedere elaborarea unei metodologii de

utilizare a metodelor de calcul care const n utilizarea unei metode analitice (metoda sonic

sau acustic) pentru determinarea grupurilor de parametri, care corelai, asigur dezvoltarea

condiiilor de rezonan, dup care acestea sunt implementate ntr-un software cu

complexitate ridicat pentru a obine setul de informaii asociate generrii propagrii

controlului i conversiei energiei oscilaiilor dezvoltate n lichide n regim rezonant.

Programul simulrilor a cuprins 3 etape.

ntr-o prim etap atenia s-a ndreptat asupra analizei sistemului lichid ca sistem

oscilant, pentru a putea fi studiat n detaliu, mecanismul formrii, propagrii, al reflexiei i

interferenelor undelor de presiune, ca i fenomen fizic.

Etapa a doua a simulrilor a fost dedicat identificrii influenelor factorilor

constructivi i funcionali asupra funcionrii unui sistem de propulsie cu unde de presiune n

regim rezonant, destinat autovehiculelor.

n cea de a treia etap s-a pus n eviden influena factorilor constructivi i

funcionali asupra performanelor rezonatoarelor integrate n propulsia autovehiculelor,

reflectate asupra a doi parametrii int: presiunea maxim n elementul de acionare al roii

motoare (care este o msur a solicitrilor mecanice a elementului de execuie) i viteza

autovehiculului ce rezult din interaciunea dintre fora de rezisten la naintare i fora

generat de sistemul de propulsie.

4.4.3 Scurt prezentare a programelor de calcul utilizate

Programele specializate pentru analiza proceselor hidraulice sunt compuse din

urmtoarele module:

24

Tabelul 4.1

Pentru efectuarea unei analize este necesar parcurgerea etapelor precizate n Fig. 4.3

care se succed n ordinea indicat de sgei.

Fig. 4.3 Principalele etape parcurse n realizarea unei analize de curgere.

4.4.3.1 Utilizarea programului Fluent

Programul Fluent susine simularea proceselor de curgere n succesiunea clasic n

mecanica fluidelor numeric. Programul de creare a geometriei folosit de pachetele Fluent

este programul Gambit.

Programul permite o mare varietate de elemente triunghiulare i hexaedrice i ceea ce

este extrem de important, o analiz a discretizrii prin care se apreciaz gradul de

Definirea

problemei de

analiz

Definirea

parametrilor

iniiali

Crearea

geometriei

Definirea

modelului cu

elemente finite

Definirea

propietilor

fizice

Definirea

propietilor

elementelor

finite

Definirea

parametrilor de

control ai

discretizrii

Discretizarea

Verificarea

calitaii mesh-

ului

Definirea

ncrcrilor

Definirea

sarcinii

Definirea

condiiilor de

curgere

Definirea

opiunilor

pentru datele

de ieire

Setarea

parametrilor

analizei

Analiza

convergenei Postprocesarea

Modul Rol Software

Preprocesorul

Crearea sau importul geometriei,

efectuarea discretizrii i definirea principalelor condiii de analiz Modulul geometric nu atribuie

uniti de msur, motiv pentru care este recomandat ca

dimensiunile s fie introduse conform S.I.

FEMAP, fiierul de ieire este fiier neutral (.neu). Gambit

RPlot

Procesorul

(Solver)

Definirea condiiilor de curgere, a proprietilor fluidelor i solidelor implicate n analiz. Calculeaz date suplimentare (de exemplu forele la perete, mrimi integrale, etc.)

CFDesign

FLUENT

WAVE

Postprocesorul

Asociaz rezultatele cu geometria iniial. Permite vizualizarea distribuiei mrimilor de stare n regim dinamic i static

CFDisplay sau FEMAP

FLUENT

WAVE

25

distorsionare al elementelor. Pachetul de programe Fluent, ofer pentru aceast etapa un

program special, numit TGRID.

Pentru etapele de rezolvare a sistemului de ecuaii i postprocesare se folosete

programul FLUENT. Efectuarea analizei presupune importul modelului geometric discretizat

i adoptarea metodei de rezolvare.

O etap important este specificarea condiiilor limit. Spaiile unde nu are loc

curgerea se definesc prin condiia perete, pentru care se pot defini o serie de proprieti, fr

a fi posibil considerarea elasticitii peretelui.

Postprocesarea rezultatelor se face apelnd la un meniu specializat pentru a indica

mrimile care se doresc a fi vizualizate.

4.4.3.2 Utilizarea programului CFDesign

Programul permite efectuarea analizei complete a procesului de curgere utiliznd

preprocesorul FEMAP, procesorul CFDesign i postprocesorul CFDisplay. Pentru analiz este

de interes modulul de procesare n care se definesc proprietile lichidului studiat,

particularitile de curgere i condiiile de procesare.

n etapa urmtoare se definesc proprietile lichidului. Proprietile conductei devin

semnificative doar pentru transfer de energie termic, nefiind posibil considerarea n analiz

a influenei elasticitii pereilor asupra curgerii fluidelor i dezvoltrii fenomenelor dinamice.

Etapa urmtoare const n definirea caracterului analizei prin:

Specificarea numrului de iteraii pe pasul de timp i a frecventei datelor de ieire .

Definirea funciilor variabile n timp pentru parametrii hidraulici. Programul dispune de

funcii predefinite la care se definesc doar parametrii i permite integrarea unei funcii

definite de utilizator .

n ultima etap a pregtirii procesrii se specific durata bazei de timp i numrul de

intervale calculate. Programul permite monitorizarea reziduurilor i efectuarea postprocesrii

4.4.3.3 Descrierea programului de simulare AMESim

Pentru simularea funcionrii n comun a elementelor mecanice i hidraulice, s-a

recurs la utilizarea programului de simulare AMESim, capabil s modeleze funcionarea

sistemelor multi-domeniu. Aceasta nseamn c poate s fac legtura ntre diferite sisteme

fizice (hidraulice, pneumatice, mecanice, electrice, termice i electromecanice.

Programul dispune de biblioteci proprii, astfel nct utilizatorul se poate concentra pe

analiza sistemului studiat i nu pe construirea modelelor matematice ale componentelor

sistemului. Aceste biblioteci sunt mparite n funcie de domeniul abordat, de exemplu exista

bilioteci care conin elemente de control semnale, elemente mecanice, proiectare componente

hidraulice, rezisten hidraulic, pneumatic, termic, termic-hidraulic, sistem de racire,

sisteme de propulsie, etc.

n Fig. 4.4 sunt sintetizate etapele unei simulri n AMESim, conform AMESim user

guide, cu posibilitatea de a crea propiile modele matematice i de a realiza programe de

simulare personalizate pentru un anumit tip de analz virtual.

26

Fig. 4.4 Etapele simulrii n AMESim

n concluzie programul de simulare este adecvat pentru evaluarea

comportamentului i performanelor sistemului mecano-hidraulic rezonant.

4.5 Concluzii

Analiznd metodele i software-urile utilizate n analiza fenomenelor de rezonan n

sisteme mecano - hidraulice, se constat c ele nu sunt redundante ci complementare,

astfel nct, o analiz pertinent n mediul virtual, trebuie s parcurg n mod ideal,

urmtoarele etape:

cu metodele acustice i teoria sonicitii, se pot obine informaii despre sistem

i interaciunile sale;

dezvoltarea procesului se urmrete cel mai bine aplicnd metoda

caracteristicilor (software AMESim);

pentru a obine informaii de detaliu se preteaz metoda volumelor finite

(software Fluent);

pentru a surprinde funcionarea n comun a sistemelor mecano - hidraulice

trebuie s se utilizeze un software multidomeniu (software AMESim).

5 Obiectivele, programul i aparatura destinat cercetrilor experimentale.

5.1 Obiectivele cercetrii experimentale.

Efectuarea cercetrilor experimentale a avut urmtoarele obiective:

validarea modelelor de simulare;

identificarea experimental a influenei factorilor constructivi i funcionali asupra

performanelor rezonatoarelor integrate n propulsia autovehiculelor;

27

stabilirea prin experiment a modului n care principalii parametri constructivi i

funcionali ai componentelor rezonatorului hidraulic, conceput pentru a aciona

autovehiculul, influeneaz modul de comportare a sistemului de propulsie cuplat cu

autovehiculul;

ncercrile pe autovehicule au avut ca scop identificarea modului de funcionare a

rezonatorului hidraulic cuplat cu sistemele de traciune ale autovehiculelor i a

modului n care evolueaz principalii parametri hidraulici n diverse condiii de

deplasare.

5.2 Programul cercetrilor experimentale.

Cercetarea experimental s-a efectuat n trei etape principale:

1. Analiza experimental a modului de formarepropagare-conversie a undelor n mediu

lichid;

2. Analiza experimental a influenei factorilor constructivi i funcionali asupra

funcionrii unei serii de sisteme mecano-hidraulice rezonante;

3. Testarea sistemelor mecano-hidraulice rezonante pe autovehicul.

Primele dou etape s-au desfurat n laboratoarele Universitii Transilvania din Braov,

iar a treia etap s-a desfurat n poligonul auto de la Institutul de formare profesional n

transporturi IFPTR TRGU-MURE.

Structura cercetrilor experimentale pentru analiza modului de formarepropagare-

conversie al undelor n mediu lichid este dat n Fig. 5.1., a cercetrilor experimentale privind

influena factorilor constructivi i funcionali asupra sistemului de propulsie cu unde de

presiune n regim rezonant este prezentat n Fig. 5.2, iar a cercetrilor experimentale privind

influena factorilor constructivi i funcionali asupra rezonatoarelor integrate efectiv n

propulsia autovehiculelor este evideniat n Fig. 5.3

Pentru toate ncercrile experimentale , diversele influene ale factorilor constructivi i

funcionali au fost reflectate n evoluia presiunii instantanee msurat n diferite puncte ale

instalaiilor.

28

Fig. 5.1 Programul cercetrii experimentale a sistemului hidraulic oscilant

1. Analiza experimentala a sistemului

lichid ca sistem oscilant

Generator cu unde

de presiune prin

oc hidraulic iniiat

cu supape unisens

-evoluia presiunii

- Identificare form

de und generat;

- mod de reflexie.

- Presiunea

instantanee

Generator de unde

de presiune cu

piston acionat

mecanic cu micare

de translaie

-evoluia presiunii

- Identificare form

de und generat;

- mod de reflexie.

- Presiu

Date post:	26-Nov-2015
Category:	Documents
Upload:	jeffrey-harrison
View:	29 times
Download:	8 times

RaduSebastian.pdf

Documents