Comparativa flujo

Comparativa de simulación de flujo en una tubería atenuada. Una pared suave y la otra irregular.
La velocidad en la pared es cero, sea irregular o no. La velocidad del flujo tiende a concentrarse
en el centro y en la zona donde menor es el área transversal.

sacamos el vector de velocidad, en m/s.

la variable j indica la altura, 64 es el valor equidistante. He subido la lectura de velocidad en 20

unidades, para acercarlo mas a la pared lisa, dando una lectura de 4.933178e-002 m/s.

repito la operación hacia la zona irregular, bajando en 20 unidades la lectura del vector,

y nos da una lectura de 3.90e-002 m/s

golfball science

Últimamente me están preguntando que es eso de hacerle agujeros a la culata o a un colector de admisión , para que el aire fluya mas rápido, aplicando la ciencia que hay detrás de una pelota de golf, ya que gracias a estos agujeros alcanzan distancias superiores.  Intentare explicarlo.

En un principio, las pelotas de golf eran lisas, sin agujeros. Se dieron cuenta que las pelotas de golf "machacadas", con marcas en su superficie y demas, alcanzaban distancias superiores a las pelotas nuevas, que eran completamente lisas. Un golfista alcanzaria la mitad de distancia con una pelota
completamente lisa respecto de una pelota con sus ya conodidos agujeros. Y nada tiene que ver con que los agujeros hagan que el aire fluya mas rapido alrededor de su superficie, es mas, es todo lo contrario. Veamos porque.

Alrededor de la superficie de la pelota de golf, el flujo es laminar (flujo ordenado, estratificado), y se separa de la pelota de golf, generando mucho drag, que va en dirección contraria a la pelota de golf.

El que el flujo se separe rápidamente de la pelota de golf, al generar mas drag frena mas la pelota.

Ahora veamos que sucede en una pelota de golf con agujeros.

Los agujeros, crean un flujo turbulento (desordenado) en la capa de separacón  o alrededor de la pelota de golf. Este flujo turbulento atrapa el aire y lo pega a la pelota de golf, siguiendo su superficie

y generando menos drag. El drag generado en una pelota de golf con agujeros respecto  a una pelota lisa se reduce a la mitad, y es por este hecho que una pelota de golf con agujeros alcanza mas distancia.

Resulta que hay empresas que hacen agujeros en los conductos de un colector de admisión o de una culata, generando flujo turbulento. Aplican la  "teoría de la pelota de golf" a un elemento que es todo lo contrario a una pelota de golf. La pelota es una esfera, y el conducto es todo lo contrario, tenemos un hueco, o "negativo" de esa esfera. No se cual es el motivo de hacerle los agujeros a un conducto, pero desde luego no puede ser el de la "teoría de la pelota de golf". De hecho, generando un flujo

turbulento en un conducto, reducimos el vector de velocidad en el centro. 

Así es como se comporta un flujo laminar en un conducto.

Y así un flujo turbulento.

Una comparativa de ambos vectores.

Velocidades

Simulacion de flujo y velocidad de dos tubos con la entrada del tubo diferente.
Una lleva la entrada redondeada, como un bellmouth o velocity stack, y la otra es cuadrada, sin suavizar el paso o redondearlo. Se muestra el vector de velocidad.

Al flujo no le gustan las formas cortantes,abruptas . El cambio de forma debe ser gradual,redondeado por decirlo de alguna manera,tanto en la entrada de una tovera de un colector de admision, como en una culata.

Simulacion Flujo tubo atenuado

Perdi un poco de tiempo jugando con un simulador de flujos , para que se vea el comportamiento
del flujo en una tuberia atenuada. Como se sabe y se puede ver, la velocidad en las paredes de la
tuberia es 0, en el carril central es donde a mas velocidad fluye y a cuanto menor diametro, mayor es la velocidad.

Rojo = mayor velocidad

flujo vs imperfecciones

un pequeño experimento en el cual podemos ver como las imperfecciones en la pared de un tubo, por ejemplo el de un colector de admision , no interfieren(o es despreciable de la reduccion de flujo) para nada en el caudal de esa tovera.
lo he probado con una 'flowball', que no es mas que una canica pegada a una vara de acero, que es una herramienta que uso tambien para encontrar zonas muertas (o no) en las culatas.

Aqui vemos la rugosidad de la superficie interior de la tovera.Para un flujo turbulento,el coeficiente de friccion depende del Numero de Reynolds  y la rugosidad de la pared del conducto.

Por ejemplo, el coeficiente absoluto de rugosidad de una tuberia de PVC es de K=0.0015x10^-3 y 0.007x10^-3.     

El del acero corroido por ejemplo, es de 0.15x10^-3  y 4x10^-3 

Diferencias muy pequeñas para los numeros que se manejan al medir el caudal de una tovera de un colector de admision.

Caudal antes de molestar el flujo con una flowball.

molestando al flujo. podria haber usado una flowball de mayor diametro, pero no creo que nos encontremos imperfecciones mayores.

el resultado es practicamente el mismo caudal. experimento tonto pero que vemos que esas pulidas tan bonitas no afectan en nada al rendimiento de un motor.

disturbing the airflow

K20Z4 cylinder head.  disturbing the airflow in certain area increases airflow cfm.

resonancias harmonicas y longitud de admision

encontre este grafico en internet en el cual relaciona la longitud de un sistema de admision respecto a las revoluciones a las cuales trabaja el motor, y las resonancias harmonicas que pueden suceder en una configuracion en concreto.
en el eje y tenemos las rpm del motor y en el x la longitud de admision en pulgadas.

tenemos hasta 3 posibles harmonicos en esas longitudes, 2a 3a y 4a y la fuerza del pulso en cada una de ellas.normalmente la 2a y 3a suelen ser las mas fuertes y el objetivo a conseguir a la hora de diseñar un sistema de admision.

350cfm ?

viendo un poco en otros sitios donde trabajan culatas, que alcanzan esta cifra de 350cfm en un k20a con diametro de válvula de origen , y basándome en fotos vistas, donde lo "único" aparente es que abren todo el puerto hasta el infinito y mas allá , comí una culata k20a que tenia por ahí y empece a abrir y a abrir y a abrir......

Llegue hasta la cifra de 337cfm , y a partir de ahí , empezó a caer muy rápidamente a medida que iba abriendo. Siempre con diametro de valvula de origen .  El aumento de área no compensa  la perdida de velocidad del aire , y esto hace que caiga la eficiencia volumétrica .
Es mejor ganar a bajos alzados , sobre todo en la zona de .1" o incluso .05" , donde tenemos solapamiento con las valvulas de escape(que ya se están cerrando cuando las de admision empiezan a abrir) y el potencial de ganancia es mayor.

Realmente esas astronómicas cifras de caudal a .5" de alzado, si es que son reales, como de efectivas
son cuando el motor esta en orden de marcha?  Cuanto tiempo esta la valvula abierta a .5" de alzado
Para poder generar esos hipotéticos   350cfm ?

Lo dije alguna vez en este blog cuando empecé com esto de las culatas , máxima velocidad en el mínimo area .

Notas sobre Eficiencia volumetrica y resonancias Helmholtz.

- la eficiencia volumetrica esta direcamente relacionada con el par.

resonador helmholtz

teoria de harmonicos:  el aire intenta entrar en el resonador a traves del cuello,la presion en la cavidad se incrementa y el aire rebota hacia fuera. mientras rebota hacia fuera debido a la inercia que lleva, crea un vacio parcial  cerca del cuello del resonador y el aire es succionado hacia dentro. este fenomeno se repite como una pelota de ping-pong rebotando en el suelo. el resonador funciona como un amortiguador para las ondas de presion.






- Frecuencia   f= (c/2PI).sqrt(A/L.v)
c= velocidad de sonido
L=longitd de cuello
A= area del cuello
v= volumen del resonador

- Como el resonador puede mejorar la eficiencia volumetrica?

1.  La mezcla es aspirada en el cilindro mientras el piston se mueve hacia BDC.
2. mientras dura el proceso de llenado, la carga de aire gana mas momento, asi que la velocidad de llenado gana velocidad.
3. tan pronto el piston llega a BDC, la valvula se cierra, pero el aire en el colector de admision tiene mucha velocidad (presion dinamica)
4. esta carga de aire choca contra la valvula cerrada y la presion de la carga de aire aumenta. la onda de presion rebota y se mueve en direccion contraria.
5.  si se acopla un resonador en el colector de admision actuara como un muelle para la onda de presion.
6. la frecuencia del resonador determinara la velocidad a la cual la onda de presion volvera hacia la valvula.
7. si la frecuancia del resonador y las revoluciones RPM se ajustan, la onda de presion vovlera hacia la valvula cuando esta este abierta.
8. este fenomeno hace que la carga de aire sea forzada hacia el cilindro, incrementando la eficiencia volumetrica.
9. la onda rebotada tiene una frecuancia , amplitud y una presion negativa.
10. una vez que la onda llega al plenum del colector de admision, la resonancia se aisla y el plenum se comporta como una camara de resonancia.

harmonic resonance and volumetric efficiency

how is possible to obtain 2.5L of air  from a 2L engine?

plenum and runner section

All motors will make the most torque at a specific rpm. This is due mainly to the length of the runners in the intake manifold. When the valves are open the air is flowing through the runners. When the valves close, that flow is backed up and a pressure wave reverses back up the intake runner into the plenum. Then the pressure in the runner is lower than in the plenum and a wave is sent back down the intake runner. This oscillation happens multiple times. By changing the length of the runner, you change the distance the pressure wave travels and how frequently the oscillation happens.

This is optimized to have a pressure wave moving down the runner just when the valves are opening
again to have the air rush into the cylinder. By doing this you can for example get 2.5L of air into a 2L of cylinder volume, This is why engines have more than 100% volumetric efficiency. This is why torque will peak at one certain rpm for car engines.

intake length tuning

i just was playing with a prb intake manifold and different length of intakes and how they affect
to the overall flow.
the bellmouth is essential to gain flow, without the belllmouth the flow decreases by 20-25CFM.
.

here are the results

just with the bellmouth next to the intake  321CFM

with a 66mm length pipe   313 CFM

with a 235mm pipe  304CFM

with 475mm length pipe 297CFM

the length f the pipes were exaggerated just to show how the length and affects airflow. larger cross sectional area to travel, more loses of flow.

Pipe roughness and flow

people tend to polish and and grind all the casting marks on the intake manifold or cylinder head.

as you can see in the graph, a laminar flow speed is higher than turbulent, and also the flow speed raises  in the middle of the pipe. so how a pipe with no casting marks and a surface less rough can change the speed and flow?

a practical approach  in the flowbench shows me that there is almost no difference between a polished surface and a OEM finish surface.  

a theoretical approach,  for a pipe 120mm long, with 40mm diammeter , a pipe roughness of 1e-15 (almost pvc or plastic surface), 990mbar of pressure,  there is an air velocity of 253.528m/s.

with a pipe roughness of cast iron, which is 4.5e-5,  the air velocity is 253.524m/s, a 0.04m/s difference.

lets see how affects this air velocity change in flow. for a 40mm diammeter pipe of 120mm length, with an air velocity of 253.528m/s (roughness almost plastic or pvc) . Flow rate is  675.05 cubic foot per minute.

with a cast iron surface, air velocity of 253.524m/s flow rate is 675.06 cubic foot per minute.

in an ideal world and an efficient engine, 1 horsepower  drinks 1.4CFM,  so don't waste your time polishing surfaces...

K24 exhaust side

finish exhaust side design.  achieved about 280CFM at maximum lift. with the intake in 286CFM, this head flows like a K20 OEM head. this was my customer goal, so, lets see if these numbers are enough for 300cv target.

keep in mind that with the engine running, and intake and exhaust camsahft overlaping, will raise these numbers.  the intake header will restrict the flow about 10% in best case and about 15% in the worst scenario. i'll test with a FN2 intake header to check % lost.

Turbulent vs Laminar Flow. Flow velocity profile

Not all fluids particles travel at the same speed within a pipe. the shape of the velocity curve depends

wether the flow is laminar or turbulent.

If the flow is laminar, the shape is of the curve is parabolical with maximum velocity at the center, which is twice

the velocity of the pipe wall. the velocity of the wall almost is zero.

in turbulent flow, the entire fluid flows at a given velocity, without that parabolic shape, an the velocity is less 
than laminar flow in the same pipe diameter.

see the picture.

velocity probe

i am going to update my flowbench with a velocity probe.  with this  i am going to be able to measure velocity in fps(feet per second) in any point of the port.  this  allows me to know where the air is travelling faster, best spots to work and where the air wants to flow. remember that the air flows where less resistance to flow is.