Диссертация (Методы повышения эффективности работы дизеля при использовании этанола в качестве экологической добавки к дизельному топливу), страница 11

Тщательнаяадаптациярасчетнойсеткикреальнойгеометриипроточнойчастираспылителя форсунки способствует получению точного решения для областейс большими градиентами потока, например, для пограничных слоев. В этот ПКвключены ламинарные и турбулентные модели гидродинамики, теплопередачи,фазовых переходов и радиации, а также модели для расчета кавитации,сжимаемых жидкостей, теплообмена, теплопроводности, реальных газов, имодуль для расчета влажного пара. ПостпроцессорFluent позволяетпредставлять результаты расчета в векторном и контурном видах, а такжеотображать траектории движения частиц.Одной из наиболее сложных проблем использования ПК Fluent являетсяразбивка исследуемой области на элементы (ячейки) принятой геометрии,образующих расчетную сетку. В этом ПК для решения задач гидромеханикииспользуется метод конечных объемов (МКО) [108].

Основные положенияМКО удобно излагать, рассматривая «стандартное» уравнение балансанекоторого параметра φ в контрольном объеме Ω, ограниченном поверхностьюS=ΣSk с внешней нормалью n:,где,(2.13)– вектор плотности потока параметра φ, включающий конвективную идиффузионную составляющие; Q – плотность распределения объемныхисточников;– вектор скорости; ρ – плотность среды; α – коэффициентдиффузии. В качестве параметра φ может фигурировать, например, внутренняяэнергия текущей среды, концентрация примеси, кинетическая энергиятурбулентности и т.д.При использовании МКО пространственная дискретизация решаемойзадачи осуществляется путем разбиения расчетной области на небольшиесоприкасающиеся объемы, показанные на Рис.

2.12, для каждого из которых72записывается балансовое соотношение [118]. Внутри каждого контрольногообъема находится одна точка «привязки» искомого сеточного решения. Вбольшинстве разработок, ориентированных на решение трехмерных задачгидродинамики для областей сложной геометрии, в качестве контрольногообъема используются ячейки расчетной сетки: узлы сетки располагаются ввершинах многогранника (для структурированных сеток – гексаэдра), сеточныелинии идут вдоль его ребер, а значения искомых величин приписываютсягеометрическому центру ячейки [118]. Альтернативными вариантами выбораконтрольного объема могут быть построение контрольного объема вокруг узласетки или введение различных контрольных объемов для разных переменных.Но такой выбор контрольного объема используется реже.Рис.

2.12.Контрольные объемы при разбиении расчетной области проточной частираспылителя форсункиДля получения дискретного аналога балансового уравнения в выбраннойячейке вычисляются интегралы, входящие в выражение (2.13), используякакие-либо квадратурные формулы. При этом крайне важно, чтобы длясоприкасающихся ячеек поверхностный интеграл по их общей грани Skвычислялся идентично. Последнее требование, легко реализуемое присоставлениикомпьютернойпрограммы,обеспечиваетконсервативность73численной схемы, т.е. точное (в рамках принятого способа вычисленияинтегралов) соблюдение баланса параметра φ согласно уравнению (2.13) длявсей области течения. Это свойство МКО выгодно отличает его от методаконечных разностей (МКР) и метода конечных элементов (МКЭ), в которыхреализация строгой консервативности схемы является скорее исключением,чем правилом [44, 89, 105, 125].Моделированию течения топлива в проточной части распылителейдизельных форсунок посвящены работы [32, 33, 79, 100, 101, 168, 170].

Приэтом, как правило, исследуется поток нефтяного дизельного топлива враспылителе форсунки. Вместе с тем, определенный интерес представляютисследования параметров потока эмульгированного топлива. Для оценкистепени турбулизации этого топлива в процессе его течения по каналамраспылителя форсунки проведены расчетные исследования параметров такогопотока.Примоделированиитеченияэмульгированногобиотопливавраспылителе дизельной форсунки исследована форсунка типа ФДМ-22производства Ногинского завода топливной аппаратуры с распылителем типа171.07.00 Алтайского завода прецизионных изделий (АЗПИ).

Конструктивнаясхема этого распылителя представлена на Рис. 2.13, а, зависимостьэквивалентного проходного сечения рfр распылителя от хода hи иглыфорсунки – на Рис. 2.13, б.74АБРис. 2.13.Конструктивная схема распылителя АЗПИ типа 171.07.00 (а) и зависимостьсуммарной эффективной площади распылителя в сборе рfр от хода иглы hи (б):распыливающее отверстие (1); колодец (2); седло (3); игла (4)Характеристики этого распылителя приведены в Таблице 18 и 19.Таблица 18.Некоторые параметры распылителя АЗПИ 171.07.00Изготовитель,маркировкаАЗПИ,171.07.00Диаметрраспыливающих отверстий dр,мм0,35Числораспыливающих отверстий iрМаксимальный ход иглыhи max, мм50,32Суммарнаяэффективная площадьраспылителя в сборерfр, мм20,270Примечание: значения рfр даны при максимальном подъеме иглы форсункиhи max=0,32 мм; указаны значения hи и рfр средние для комплекта распылителей.Таблица 19.Расположение распыливающих отверстий распылителя АЗПИ 171.07.00№отверстия12345Угловое расположениеотверстия относительноштифта, град890172237303Угол наклона отверстияотносительно оси распылителя,град627062525275Моделирование течения топлива в проточной части распылителядизельной форсунки проведено для дизельного топлива и эмульгированноготоплива, содержащего 70% рапсового масла и 30% этилового спирта (пообъему), который представляет собой эмульсию ЭС в РМ с диаметром капельЭС, равным 50 мкм.

Некоторые физико-химические свойства исследованныхниже топлив приведены в Таблице 20 [6, 13, 47, 102, 106, 127, 136].При моделировании двухфазного течения эмульгированного топлива –эмульсии 70% РМ и 30% ЭС в распылителе АЗПИ типа 171.07.00 исследованагеометрия расчетной области распылителя, схема которой приведена наРис. 2.14. Этот распылитель имеет иглу диаметром dи=5 мм с максимальнымходом hи=0,32 мм, суммарную эффективная площадь в сборе рfр=0,270 мм2(при полностью поднятой игле) и пять распыливающих отверстий диаметромdр=0,35 мм и длиной lр=1,1 мм (Таблица 18), угловое расположение которыхприведено в Таблице 19.Таблица 20.Свойства ДТ, РМ, ЭС и эмульсии, содержащей 70% РМ и 30% ЭСФизико-химические свойстваТопливаДТУсловная формула составаМолекулярная массаПлотность, кг/м3:- при 20 оС- при 40 оСВязкость кинематическая, мм2/с (сСт):- при 20 оС- при 40 оСВязкость динамическая, мПа·с (сПз):- при 20 оС- при 40 оСКоэффициентповерхностногонатяжения  при 20 оС, мН/мТеплота сгорания низшая, кДж/кгЦетановое числоС16,2Н18,5223,3РМЭСС57,0Н101,6О6 С2Н5ОН883,0446,0770% РМ + 30% ЭС631,95830,0822,7921,0914,6790,0782,2890,0883,23,82,475,036,01,51,110,87,23,151,9769,132,91,190,869,66,427,1425004533,2373003622,427500834397-76Таблица 20 (Продолжение)Количество воздуха, необходимое длясгорания 1 кг вещества, кгСодержание, % по массеСНОТеплоемкость Ср, кДж/(кг∙град):- при 20 оС- при 40 оСТеплопроводность, Вт/(м∙К):- при 20 оС- при 40 оСДавление насыщенных паров, кПа:- при 20 оС- при 40 оС14,312,59,011,387,012,60,477,012,011,052,113,234,769,512,418,12,12,22,02,12,42,52,12,20,1270,1230,1620,1600,1680,1630,1640,1622,74,80015,818,00,270,31Рис.

2.14.Расчетная схема проточной части распылителя АЗПИ,установленного в форсунке типа ФДМ-22При расчетных исследованиях проведено моделирование стационарноготечения нефтяного ДТ и эмульсии 70% РМ и 30% ЭС в проточной частираспылителя при максимальном подъеме иглы форсунки hиmax=0,32мм(проливка распылителя, но при повышенном давлении). Давление на входе врасчетную область принято равным ртоплвх=51,5МПа, что соответствуетдавлению в процессе топливоподачи серийной топливной системы дизеля Д-77245.12С (4 ЧН 11/12,5) [47]. Температура топлива принята постоянной иравной t=40 оС. Для ограничения времени расчета рассмотрена симметричнаягеометрия элемента проточная часть распылителя с одним распыливающимотверстием (отверстие № 2, см. Таблицу 19), представленная на Рис. 2.15, а.абРис. 2.15.Принятая геометрия элемента проточная часть распылителя АЗПИ с однимраспыливающим отверстием (а) и разбивка на элементы (сетка) принятойгеометрии проточной части (б)На первом этапе исследований моделировалось стационарное течениенефтяного дизельного топлива (ДТ) марки Л (летнее) по ГОСТ 305-82 впроточной части распылителя АЗПИ.

Некоторые свойства этого топливаприведены в Таблице 20. Топливо считалось несжимаемым. Моделированиетечения топлива в распылителе проведено при неизменном давлении на входе врасчетную область ртоплвх=51,5МПа и при двух давлениях на выходе израсчетной области (на выходе из распыливающего отверстия). В первом случаедавление на выходе составляло ртопл вых=0,1 МПа (впрыскивание в атмосферу), аво втором – ртопл вых=8,878 МПа, что соответствует давлению в камере сгораниядизеля в момент начала впрыска.

Это давление определено для дизеля Д245.12С с использованием ПК Дизель-РК, разработанного в МГТУ им. Н.Э.Баумана проф. А.С. Кулешовым [55, 159].78Перед исследованиями проведено построение расчетной сетки. Следуетотметить, что точность расчетной модели сильно зависит от размеров сетки.При разбивке проточной части распылителя на относительно крупныеэлементы требуемая точность расчетов не обеспечивается. Это иллюстрируетсяполученнымиприрасчетезначенияммассовогорасходатоплива,представленным на Рис. 2.16 (данные получены при размерах элементов сетки0,06 мм; 0,05 мм; 0,04 мм; 0,03мм; 0,02 мм и 0,15 мм).

Из этих данных следует,что приемлемая точность расчета достигается при размерах элементов сеткименьше 0,04 мм. По мере уменьшения размеров элементов сетки точностьзаметно увеличивает, но при этом значительно возрастает и продолжительностьрасчета. При размере элементов сетки менее 0,02 мм значение массовогорасхода топлива почти не зависит от этого размера. При этом для дальнейшегомоделирования минимальный размер элементов сетки принят равным 0,02 мм,а максимальный – 0,04 мм. Построенная при данных допущениях сеткапоказана на Рис. 2.15, б.