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UNIVERSIDAD NACIONAL DE TRUJILLOFACULTAD DE INGENIERÍA

ESCUELA DE INGENIERÍA MECÁNICA

Tema: “Análisis DFC del Flujo Compresible

Subsónico en un Tubo de Escape de

Motocicleta”

Curso: Mecánica de Fluidos II

Ciclo: VII

Profesor: Ing. Luis Julca Verástegui

Alumnos:

Arenas Chancan, Víctor

Barrios Cárdenas, Luis

Loayza Arias, Emmanuel

Luján Luján, Elvis

Rodríguez Ponce, Franco

Rojas Rodríguez, Willy

Villarreal Núñez, César

Trujillo, 24 de julio de 2014

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Índice1. GENERALIDADES -------------------------------------------------------------------------------------------------------- 3

1.1. Introducción y resumen ---------------------------------------------------------------------------------------- 3

1.2. Objetivos ----------------------------------------------------------------------------------------------------------- 3

1.3. Condiciones y Propiedades ----------------------------------------------------------------------------------- 3

2. MARCO TEÓRICO ------------------------------------------------------------------------------------------------------- 4

1.4. Descripción general del tubo de escape-------------------------------------------------------------------- 4

1.5. Estructura del tubo de escape de salida libre------------------------------------------------------------- 6

1.6. Componentes de los tubos de escape----------------------------------------------------------------------- 7

3. PROCEDIMIENTO DE MODELAMIENTO Y SIMULACIÓN ------------------------------------------------------ 14

3.1. Propiedades del fluido de estudio -------------------------------------------------------------------------- 14

3.2. Descripción del proceso de simulación del análisis fluido-dinámico ------------------------------ 15

3.3. Detalle del proceso de simulación en ‘‘Solidworks Flow Simulation’’ ----------------------------- 15

4. PRESENTACIÓN DE RESULTADOS ---------------------------------------------------------------------------------- 20

5. CONCLUSIONES --------------------------------------------------------------------------------------------------------- 32

6. BIBLIOGRAFÍA ----------------------------------------------------------------------------------------------------------- 32

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1. Generalidades

1.1. Introducción y resumen

El diseño de los sistemas de escape para los motores de combustión ha sido un tema

de amplio estudio por muchos años. Desde las implicaciones de contaminación

sonora, hasta las recientes de normas de conservación ambiental; siempre ha sido

muy importante controlar la manera en que los gases de combustión van a salir a

nuestro medio ambiente.

En esta oportunidad utilizando la simulación DFC, estudiaremos el flujo de aire ideal

(reemplazando a los gases de combustión) en un tubo de escape. Específicamente, el

tubo de una motocicleta. Para esto, vamos a suponer valores reales de salida de

gases del motor de cuatro tiempos, y a suponer condiciones de frontera a la salida

del tubo de escape.

Con los programas ya calculados, haremos un análisis descriptivo de cómo varían los

diversos parámetros de un flujo compresible. Veremos también su aplicación en la

realidad. El software a utilizar será Solidworks con el complemento ‘’Flow

Simulation’’.

1.2. Objetivos

Entender el funcionamiento de un tubo de escape de motocicleta.

Verificar el comportamiento del flujo subsónico a la salida de un sistema de

escape.

Analizar el comportamiento de los parámetros de flujo compresible en el tubo de

escape.

Describir las condiciones correctas para que el tubo de escape vaya de acuerdo a

normas de cuidado ambiental.

1.3. Condiciones y Propiedades

o Aire:

Supondremos que el fluido de trabajo es aire como gas ideal. Este tipo de análisis

también se realiza en estudios de motores de combustión interna.

Temperaturas de entrada al tubo T=[573K ,673K ]

Presión de estancamiento (entrada al tubo) P0=2 ¿̄

Fluido compresible con pérdida de calor

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Flujo viscoso

Flujo permanente y sin gravedad

Flujo interno

Flujo laminar y turbulento (el programa analizará para cada número de

Mach si el flujo es compresible o turbulento)

2. Marco Teórico

2.1. DESCRIPCIÓN GENERAL DEL TUBO DE ESCAPE

Se entiende como tubo de escape al conjunto de elementos que permiten dar salida a los

gases quemados en los motores de combustión interna, enfriándolos para que terminen

su expansión. De este modo, el choque de los gases con el aire libre se produce bajo una

presión y un ruido más débiles. El sistema de escape de gases incluye (ver figura 2.1): -

Los tubos (de enlace o de conducción a menudo soldados con las “cámaras”). - Los

silenciadores (cámara de expansión y cámara de escape). - Los accesorios que permitan el

montaje (entre si o bajo el vehículo)de los diferentes elementos (abrazaderas, bridas,

gomas, silent-blocks etc).

1.1.1.Funcionamiento

El principio de funcionamiento de un tubo de escape es hacer pasar los gases de escape a

través de una caja (el silenciador), en la que se aplican los siguientes procesos:

Reflexión: Cada desviación del flujo gaseoso principal (ejemplo: rebote en una pared)

provoca una reducción del ruido => organizar "circuitos" dentro del silenciador, por

medio de tubos y tabiques.

Absorción: El paso del flujo gaseoso, o mejor de la onda acústica, a través de un

material insonorizante (lana de vidrio) provoca una reducción del nivel sonoro (sobre

todo a alta frecuencia).

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Presión: La reducción de la presión del flujo gaseoso (ejemplo: expansión en una

cámara de gran volumen, paso por un tubo de gran diámetro) provoca una reducción

del nivel sonoro.

Interferencia: En ciertas condiciones, cuando están presentes ondas sonoras que

tengan frecuencias de vibración diferentes, se traduce por la anulación de estas ondas

sonoras y, por consiguiente, en la reducción del nivel del ruido.

1.1.2. Diferencias entre tubos de escape homologados y no homologados

La principal diferencia entre el tubo de escape homologado y el no homologado, es el tubo

interno del silenciador. En el primer caso, el tubo interno lleva un circuito de conducción de

gases para conseguir la reflexión de los gases. En el caso de los tubos no homologados el

tubo interno es de paso directo, con lo que no se produce dicha reflexión. En las motos

deportivas de 4T (Racing, Off-road y Quads), para uso en competiciones o circuitos

cerrados, los tubos de escape originales son substituidos, generalmente, por tubos

competición o de escape libre, no homologados, para conseguir una mejora global de las

características mecánicas del motor. En comparación con los tubos homologados, los

tubos no homologados consiguen un incremento del par y de la potencia en todos los

regímenes de rotación (Figura2.2.), con una distribución más potente y fácilmente utilizable

a regímenes intermedios, un aumento de la potencia máxima y una sensible capacidad de

alargue en altas revoluciones. La sonoridad de estos escapes es de tipo deportivo, con

ahorro en términos de peso y de resistencia al estrés mecánico y térmico. Además, el

aumento de potencia (5-10%) en los regímenes medios y medios altos, robustecen la

producción de potencia del motor. La usual caída de potencia cuando se está “pasado de

revoluciones”, propio de los escapes tradicionales, es drásticamente reducida, permitiendo

un mayor rendimiento de aceleración y de velocidad máxima.

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1.2. ESTRUCTURA DEL TUBO DE ESCAPE DE SALIDA LIBRE

Este tipo de silenciadores están compuestos por una estructura externa formada por una

carcasa (o botella) que puede ser de Aluminio pulido, de Fibra de Carbono (que consta de

dos capas, interior y exterior, separadas por una malla de inoxidable que le confiere una

mayor rigidez), o de Acero inoxidable. En los extremos de dicha botella encontramos dos

toberas de Aluminio fundido, una es la que da salida a los gases de combustión y la otra

va unida a los colectores y tubos de enlace de la moto. Estos últimos son de acero

inoxidable AISI-304, así como todas las abrazaderas o arandelas que se añaden al tubo

para una mejor sujeción a la moto. La estructura interna consta de un cilindro de malla

perforada de acero inoxidable que trabaja en combinación con una banda de fibra de

vidrio anticalorica, un buen material acústico absorbente para competiciones (Fig.2.3).

Todo ello consigue un eficaz efecto de absorción acústica y una gran resistencia mecánica,

que impide la dispersión de los gases del escape.

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2.3. COMPONENTES DE LOS TUBOS DE ESCAPE

Existen dos tipos de tubos de escape de salida libre: los Bolt-on (Figura 4), el silenciador

de los cuales va directamente unido a los colectores de la moto, y los Sleep-on (Figura 5)

en los que el silenciador va unido a la moto mediante un tubo de enlace. Los

componentes que forman dichos tubos serán distintos según el modelo de tubo de

escape.

2.3.1. Componentes

Carcasa:

Es el elemento que recubre el silenciador y queda a la vista del público, por ello

sus acabados deben ser excelentes, puesto que los usuarios potenciales de dichos

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tubos además de estar interesados en las mejores características técnicas,

también tienen en cuenta la estética de la moto. Son tubos que se obtienen por

extrusión, y pueden ser cilíndricos o bien ovales, según el modelo (Fig.2.6).

Material: La carcasa puede ser de tres materiales distintos: de Aleación de

Aluminio 6060, que tiene una resistencia a la tracción de Rt=25 Kg/mm2, de Acero

inoxidable AISI-304, con una resistencia Rt=50-70Kg/mm2 con lo que se obtiene

una mayor robustez, o bien de Fibra de Carbono que consta de dos capas (interior

y exterior), separadas de una malla de inoxidable que le confiere mayor rigidez sin

incrementar su peso.

Tratamientos superficiales: Las de Acero inoxidable AISI-304 son sometidas a

recocido, y solo puede endurecerse en frío. Todas ellas son pulidas e incluso

algunas pintadas para obtener distintos efectos estéticos.

Medidas y cotas principales: La longitud de la carcasa es de 460±0.5mm, con

un diámetro exterior de 120−0.22+0 y un espesor de 1.6−0

+0.22. El diámetro interior ha

de permitir un ajuste con apriete para no transmitir un esfuerzo notable, y poder

montar y desmontar las piezas.

Tobera de entrada:

Los gases de combustión interna del motor entran en el silenciador a través de la

tobera de entrada. Éstas se obtienen por fundición a presión en cámara fría.

Existen distintos tipos de toberas de entrada, según sean para tubos de escape

Sleep-on (Fig.2.7), o para tubos de escape Bolt-on (Fig.2.8).

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Tobera de salida:

Esta tobera es la que da salida a los gases de combustión ya filtrados. La estética de ésta

también es importante, pues forma parte del silenciador, propiamente dicho. Las toberas

se obtiene por fundición de aluminio. La tobera de salida es igual para los dos tipos de

tubos de escape, y tiene dos formas según la forma del tubo, oval o circular. (Fig.2.9).

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Tubo Interno:

Se trata del tubo interno del silenciador por donde pasan los gases de combustión. Éste

les da salida directa al exterior, pero al estar perforado permite que los gases lleguen

hasta la fibra de vidrio que atenúa el ruido (Fig.2.10). En casos en los que se necesite

elevada resistencia a la presión y absoluta impermeabilidad a los gases, este tubo

interno tiene unos redoblones que actúan como atenuador especial para reducir el

sonido (Fig.2.11).

Envoltorio de fibra de vidrio

La fibra de vidrio es un material anticalórico y un buen absorbente acústico. Esta fibra de

vidrio esta aleada con elementos químicos preciosos que proporcionan una excelente

resistencia a temperaturas de hasta 850ºC en funcionamiento continúo y es capaz de

soportar, sin daños, picos de 1000ºC. El diámetro y el largo de sus fibras aseguran una

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eficaz absorción acústica y una gran resistencia mecánica, que impide la dispersión de

los gases de escape. La sección de lana de vidrio está sobre los 0.2 m2 y varía según el

modelo de tubo de escape.

Tubo de enlace:

Una de las características más importantes de este tipo de tubos de escape es su

exclusividad, es decir, para cada modelo de moto se fabrica un especifico silenciador y

cada tubo se distingue del otro por el enlace. El tubo de enlace tendrá distinta forma

según el modelo de moto, acoplándolo al máximo a ésta y conseguir la forma más

aerodinámica de la moto y así un mayor rendimiento (Fig.2.12). La función del tubo de

enlace es la de dar salida a los gases quemados al salir del motor y enviarlos al

silenciador.

Platina inox:

La platina sirve para unir el tubo de enlace al silenciador en el caso de tubos

Sleep-on Circular. Se trata de una plancha circular de 3mm de espesor cortada por

láser (Fig.2.13).

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Cono:

En los tubos Bolt-on, en el extremo de entrada de aire del tubo interno, lleva soldado un

cono, que sirve para expandir los gases a la salida del silenciador. (Fig.2.14).

Muelles:

El tubo de enlace, de los tubos Sleep-on ovales, va unido a la tobera mediante dos

muelles con ganchos en los extremos, que aplican presión entre ambas partes (Fig.2.15).

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Accesorios:

Se entiendo por accesorios a todos los elementos necesarios para colgar el

silenciador de la motocicleta. Estos no son iguales para cada modelo y dependen

de las exigencias del cliente. Entre ellas encontramos:

- Abrazaderas de aluminio (Fig.2.16)

- Arandelas (Fig.2.17).

- Estribos para el acompañante (Fig.2.18), etc.

Sistema de Escape

A primera vista podía parecer que el dispositivo de evacuación de los gases de escape de

los automóviles debía ser un simple tubo que desechara los gases a la atmósfera, pero

en la práctica, ese concepto está bien lejos de la realidad, y, de hecho, este sistema es

muy importante y tiene sus particularidades que veremos a continuación.

El sistema de escape se puede dividir en dos partes: las que corresponden al motor, y las

que corresponden al tubo de escape que conduce los gases al ambiente.

En la figura 1 se muestra un diagrama de bloques de un sistema de escape. En él se

podrá observar que las partes que lo constituyen son las siguientes:

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Las válvulas de escape. El múltiple de escape. Los sensores de oxígeno. El convertidor catalítico. El silenciador. El resonador. El tubo de cola o salida. Los tramos de conducto que unen las partes.

Se observará que los gases muy calientes, (hasta 700ºC), que abandonan el motor se

hacen converger en el múltiple de escape, y se conducen a través de tuberías a los

distintos dispositivos que componen el sistema, hasta terminar en la atmósfera a través

del tubo de cola. Note que la temperatura de los gases va decreciendo a medida que se

mueve por el sistema, pero siempre se tratará de que salgan a la atmósfera aun a más

de 100ºC.

Veamos ahora algunas particularidades de las partes componentes.

3. Procedimiento de Modelamiento y Simulación

1.1 Propiedades del fluido de estudio y datos geométricos de la sección :

Para el proceso de simulación del análisis fluido-dinámico, el fluido considerado

será el aire como gas ideal, en reemplazo de los gases de combustión. El

comportamiento es muy similar, y nos facilita la tarea de simulación. Se considera

también con flujo laminar y turbulento, permanente, compresible y viscoso.

El flujo del aire se supone también estacionario; esto sucede cuando la velocidad

en un punto es independiente del tiempo.

El fluido a evaluar es aire a presión de estancamiento P0=2 ¿̄, temperaturas

T=573K ,673K . Hemos tomado estos valores basándonos en valores

experimentales típicos de temperatura de salida del motor de combustión de

cuatro tiempos.

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La superficie del tubo será considerada como perfectamente lisa. Supondremos

también que cuando la motocicleta ya está trabajando, la temperatura del tubo

de escape se hace uniforme y elegimos el valor constante de 373 K. Más adelante

explicaremos el porqué de elegir este valor.

Damos detalle de nuestro tubo de escape.

1.2 Descripción del proceso de simulación del análisis fluido-dinámico

1.2.1 Detalle del proceso de simulación en Solidworks Flow Simulation

Daremos detalle del proceso de simulación para un número de Mach a una de

nuestras temperaturas de entrada del aire a tubo de escape.

En primer lugar dibujamos el tubo de escape en el programa Solidworks.

Guardamos el archivo en su propia carpeta. Debemos crear Lids (tapas) para crear

un volumen cerrado y poder establecer condiciones de frontera. Vamos a Wizard

y n la configuración seleccionamos Create New. Damos nombre al programa y a la

configuración nueva.

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Seleccionamos flujo interno y excluimos cavidades sin condiciones de flujo.

Seleccionamos aire como fluido y elegimos flujo laminar y turbulento. Como sólo

trabajaremos con flujos subsónicos (una moto nunca de pasa de Ma = 1 en cuanto

a sus gases de escape).

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Seleccionamos pared adiabática sin rugosidad.

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No establecemos ninguna condición pues más adelante se pondrá las condiciones

de frontera asignadas. Sólo colocamos las temperaturas de entrada de aire y la

presión de entrada de 2 bar.

Ubicamos el refinamiento de la solución en 5 y finalizamos el ‘’Wizard’’.

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Ahora establecemos el dominio computacional 3D.

En los Boundary Conditions elegimos el LID de la izquierda para colocar el Mach

de entrada correspondiente. En el LID de la derecha colocamos la presión

atmosférica y temperatura ambiental de 293 K como condiciones de salida.

También daremos condiciones de pared real a 373 K a toda superficie del tubo

que tenga contacto con el aire.

Finalmente hacemos correr el programa y empezamos a analizar los resultados.

4. Presentación de los Resultados

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A continuación mostraremos los resultados de Cut Plot de las simulaciones para cada uno

de los Números de Mach de entrada y Temperaturas de entrada. A partir de ellos

analizaremos el efecto del tubo de escape en el flujo de salida de un motor de

motocicleta.

Gráficos para temperatura de entrada del aire al tubo de escape = 573 K, Número de mach = 0.2

Presión:

Velocidad:

21

Número de Mach:

Gráficos para temperatura de entrada del aire al tubo de escape = 573 K, Número de mach = 0.4

Presión:

22

Velocidad:

Número de Mach:

Gráficos para temperatura de entrada del aire al tubo de escape = 573 K, Número de mach = 0.6

23

Presión:

Velocidad:

Temperatura:

24

Gráficos para temperatura de entrada del aire al tubo de escape = 573 K, Número de mach = 0.8

Presión:

Velocidad:

25

Número de Mach:

Gráficos para temperatura de entrada del aire al tubo de escape = 673 K, Número de mach = 0.2

Presión:

26

Velocidad:

Número de Mach:

27

Gráficos para temperatura de entrada del aire al tubo de escape = 673 K, Número de mach = 0.4

Presión

Velocidad:

28

Número de Mach:

Gráficos para temperatura de entrada del aire al tubo de escape = 673 K, Número de mach = 0.6

29

Presión:

Velocidad:

30

Número de Mach:

Gráficos para temperatura de entrada del aire al tubo de escape = 673 K, Número de mach = 0.8

Presión:

Velocidad:

31

Número de Mach:

5. Conclusiones y discusiones

Los tubos de escape sirven para reducir la velocidad, el ruido y la temperatura de un

flujo de salida de un motor de cuatro tiempos.

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Se busca la temperatura de salida de 100 ºC para que los gases de combustión posean

una densidad menor a la ambiental y puedan elevarse fácilmente.

Los tubos de escape convencionales, buscan reducir el ruido con el fin de no contribuir

a la contaminación sonora. Por el contrario, los resonadores buscan un efecto de

mayor impresión en el sonido del escape de una motocicleta.

En una moto, nunca se superará el flujo supersónico a la salida del escape, por lo que

no se hizo mayores investigaciones en DFC sobre el flujo sónico y el supersónico.

6. Bibliografía

Shames, Irving H., Mecánica de fluidos, McGraw-Hill Interamericana S.A., Santa Fé de

Bogotá, 1995.

White, Frank M., Mecánica de fluidos, McGraw-Hill Interamericana de España S.A.U.,

México 2008.

Fox, Robert W., Introducción a la Mecánica De Fluidos, McGraw-Hill Interamericana de

México S.A., México, 1995.