MODELING OF HYDRODYNAMICS AND HEAT TRANSFER IN A SPIRAL-CAPSULE THERMAL ENERGY STORAGE UNIT FOR THERMAL PREPARATION OF AUTOMOTIVE INTERNAL COMBUSTION ENGINES USING CAE SYSTEMS
DOI:
https://doi.org/10.35546/kntu2078-4481.2026.1.19Keywords:
pre-start heating, numerical simulation, hydrodynamics, heat transfer, numerical methods, computeraided modeling systemsAbstract
The paper presents the results of numerical modeling of hydrodynamic and heat transfer processes occurring in a spiral-capsule thermal energy storage unit designed for the thermal preparation of automotive internal combustion engines. The aim of the study is to analyze the coolant flow behavior in the spiral channels of the thermal accumulator, determine the spatial non-uniformity of the temperature field, evaluate the duration of the phase change process, and assess the efficiency of heat transfer from the heat-accumulating material to the working fluid. The numerical simulations were performed using computational fluid dynamics (CAE/CFD) methods based on the finite volume approach. Turbulent flow regimes of the coolant were described using the k–ε turbulence model, which provides a reasonable balance between computational accuracy and computational cost. The model accounts for the complex geometry of the spiral-capsule structure, heat exchange conditions between the coolant, the accumulator корпус, and the heat-storage medium, the phase change process within the heat-accumulating material, as well as the boundary conditions corresponding to the heat-release operating mode. The simulation results allowed determination of the phase change duration, thermal load, and identification of zones with non-uniform distributions of velocity and temperature. It was found that temperature differences between individual capsule elements may reach 15–25 °C, which significantly affects the efficiency of utilization of the stored thermal energy. The conducted study confirms the feasibility of applying CAE/CFD modeling as an effective tool for the analysis and optimization of thermal energy storage devices of various designs. The obtained results can be used to improve channel geometry, enhance the uniformity of heat release, and reduce the time required for thermal preparation of internal combustion engines, as well as to support further development of integrated models of thermal energy storage and utilization systems in vehicles.
References
Gabriel A. Study on the Possibility of Facilitating Internal Combustion Engine Starting at Very Low Temperatures//SAE Technical Paper 920038. 1992. DOI: 10.4271/920038
Kim D. S., Park Y. J., Lee S. W. et al. A study on characteristics and control strategies of cold start operation for improvement of harmful exhaust emissions in SI engines//Journal of Mechanical Science and Technology. 2008. Vol. 22. P. 141–147. DOI: 10.1007/s12206-007-1017-6
Anghelache G., Boriaru N. General Preheating System for Cold Starting of Internal Combustion Engine//SAE Technical Paper 940107. 1994. DOI: 10.4271/940107
Gritsuk I. V. The Development and the Study of the Combined Heating System of Engines and Vehicles//The Herald of Kharkiv National Automobile and Highway University. 2015. Vol. 70. P. 23–32.
Gritsuk I., Volkov V., Gutarevych Y., Mateichyk V., Verbovskiy V. Improving engine pre-start and after-start heating by using the combined heating system // SAE Technical Paper 2016-01-8071. 2016. DOI: 10.4271/2016-01-8071
Klets D., Gritsuk I., Makovetskyi A., Bulgakov N. et al. Information Security Risk Management of Vehicles//SAE Technical Paper 2018-01-0015. 2018. DOI: 10.4271/2018-01-0015
Волков В. П., Грицук І. В., Володарець М. В., Погорлецький Д. С., Симоненко Р. В. Особливості дослідження теплоенергетичних характеристик теплоакумулюючого матеріалу для здійснення комбінованого прогріву гібридного транспортного засобу//Наукові нотатки. 2019. Вип. 65. С. 39–46. – Режим доступу: http://nbuv.gov.ua/UJRN/Nn_2019_65_8
Клюєв О.І., Русанов С.А., Шатохіна І.А. Нові конструкції теплових акумуляторів для передпускової підготовки двигунів внутрішнього згоряння автомобілів//Вісник ХНТУ. 2024. № 1(88). С. 41–48.
Клюєв О. І., Русанов С. А., Аппазов Е. С., Луняка К. В., Коновалов Д. В., Мацків Б. В. Тепловий акумулятор системи передпускового прогріву двигуна внутрішнього згорання: пат. на корисну модель № 137780 Україна: МПК F02N 15/00, F24H 7/00. – Заявл. 03.04.2019; опубл. 11.11.2019, Бюл. № 21.
The system of coolant optimal temperatures in ICE: пат. 103729 Україна: МПК (2013.01) F01P 3/22, B60H 1/04, B60K 11/00 / Гутаревич Ю. Ф., Матейчик В. П., Грицук І. В., Волков В. П., Каграманян А. О., Комов П. Б., Комов О. Б., Поддубняк В. Ю., Сергієнко М. І., Краснокуцька З. І.; заявник і патентовласник Національний транспортний університет. № uа 103729; заявл. 30.10.2012; опубл. 10.04.2013, Бюл. № 7. 17 с. : іл.
Луняка К. В., Клюєв О. І., Русанов С. А., Клюєва О. О., Коновалов Д. В. Тепловий акумулятор для передпускового прогріву двигуна внутрішнього згорання: пат. на корисну модель № 149067 Україна: МПК F02N 15/00, F24H 7/00. Заявл. 26.05.2021; опубл. 13.10.2021, Бюл. № 41.
Дмитрієв Д. О., Аппазов Е. С., Русанов С. А., Клюєв О. І. Моделювання процесу розігріву двигуна з тепловим акумулятором при передпусковій підготовці//Вісник Хмельницького національного університету. 2015. № 5. С. 54–58.





