Диссертация (Методы повышения эффективности работы дизеля при использовании этанола в качестве экологической добавки к дизельному топливу), страница 13

Закон сохранения количества движения (момента) описан в виде( q qVq )    ( q qVq )   q  p     q   q q g tn   ( R pq  m pqV pq  m qpVqp )  ( Fq  Flift, q  Fwl , q  Fvm , q  Ftd , q ) ,p 1где g – ускорение свободного падения; p – давление;  q – тензорныенапряжения q-ой фаза; R pq – сила взаимодействия между фазами; V pq  V p  Vqи Vqp  Vq  V p – скорости дрейфа; Fq – внешние массовые силы; Flift, q –подъемная сила; Fwl , q – сила, возникающая между жидкостью и стенкой; Fvm , q– виртуальная массовая сила (virtual mass force) – это сила присоединения масс,учитывающая ускорение капель; Ftd , q – сила турбулентной дисперсии.

ВкомплексеFluentсилавзаимодействияR pq описывается формулойR pq  K pq (V p  Vq ) ,междужидкимифазами88где K pq – коэффициент переноса между фазами определяется формулойK pq  p fed p Ai ,6 pгде Ai – концентрация площади взаимодействия (для рассматриваемого случаяона определяется суммой площадей поверхности капель в единице объёма); d p– диаметр капель;  p – время релаксации капель; f e – функция переноса.

Прирасчете функция переноса f e описана моделью Шиллера-Науманна (Schillerand Naumann Model).В этой модели функция переноса имеет видfe СD Re,24где Re – число Рейнольдса, определяемое из выражения p (V p  Vq )d p.Re qКонстанта СD определяется следующим образомCD  24(1  0,15 Re 0,687 ) / Reи CD  0,44при Re  1000при Re>100.Сила турбулентной дисперсии Ftd , q определяется моделью Лопеса-деВертодано (Lopez de Bertodano Model) и описывается формулойFtd , q  CTD q kq   q ,где k q – кинетическая энергия турбулентности; CTD – константа, котораяуточняется по результатам экспериментальной проверки; в настоящем89расчетном исследовании принято CTD =1. При моделировании выбрана хорошозарекомендовавшая себя k-ε модель турбулентности.С использованием представленной модели проведено моделированиестационарного течения смеси 70% РМ и 30% ЭС в распылителе дизельнойфорсунки.

При моделировании течения такого эмульгированного топлива спротиводавлением ртоплрасходтопливачерезвых=0,1одноМПа (впрыскивание в атмосферу) массовыйотверстиераспылителяоказалсяGт=0,015771 кг/с, а при давлении на выходе отверстия ртоплравнымвых=8,878МПа –Gт=0,015700 кг/с. Результаты моделирования течения эмульгированноготоплива в исследуемом распылителе дизельной форсунки при двух давленияхна выходе из расчетной области ртопл вых=0,1 и ртопл вых=8,878 МПа показаны наРис. 2.27-2.33.На Рис.

2.27 представлены распределения давления эмульгированноготоплива в продольном сечении распыливающего отверстия. Из данных Рис.2.27, а, полученных при впрыскивании в атмосферу (ртопл вых=0,1 МПа), следует,что давление на входе в распыливающее отверстие превышает ртопл вх=21 МПа,а затем резко снижается и на выходе из отверстия соответствует атмосферному.При наличии противодавления (ртоплвых=8,878МПа) распределение давлениятоплива на входе в отверстие и в его средней части очень близко краспределению давлений, полученных при впрыскивании в атмосферу. Но навыходе из распыливающего отверстия давление эмульгированного топливавозрастает примерно до 8,8 МПа (Рис.

2.27, б).На Рис. 2.28 представлены расчетные результаты по распределениюобъемной доли капель этилового спирта в эмульгированном топливе вразличных сечениях (продольном и поперечном) внутри распыливающегоотверстия при давлении на выходе из отверстия ртоплвых=8,878МПа,полученные без учета кавитации.

Они свидетельствуют о том, что капли ЭСнеравномерно распространяются по всем объему отверстия – в большейстепени они концентрируются в верхней зоне отверстия, а в нижней зоне90отверстия их концентрация минимальна. Это объясняет меньшей плотностьюЭС по сравнению с РМ. В результате при резком повороте потокаэмульгированного топлива на входе в распыливающее отверстия за счет силинерции частицы ЭС отбрасываются на меньший радиус, чем частицы РМ.абРис. 2.27.Распределение давления эмульгированного топлива в продольном сечениираспыливающего отверстия при давлении на выходе из отверстияртопл вых=0,1 МПа (а) и ртопл вых=8,878 МПа (б)На Рис. 2.29 показано распределение объемных долей капель этиловогоспирта и его паров, полученное при учете кавитации. По этим данным следуетотметить, что учет кавитации сравнительно слабо влияет на распределениекапель этилового спирта. В первую очередь, это относится к в нижней зонеотверстия.

Вместе с тем, максимальное содержание паровой фазы отмечается вверхней зоне отверстия, особенно – в области, близкой к входу отверстия.Здесь объемная доля пара превышает 90%. Наличие противодавления навыходе из распыливающего отверстия подавляет процесс кавитации ипроводит к конденсации. В результате, по мере течения эмульгированноготоплива по распыливающему отверстию объемная доля пара уменьшается, и навыходе паровая фаза практически отсутствует.91абРис.

2.28.Распределение объемной доли капель этилового спирта по длинераспыливающего отверстия (а) и в поперечных сечениях этого отверстия (б)при давлении на выходе из отверстия ртопл вых=8,878 МПа, полученное без учетакавитацииабРис. 2.29.Распределение объемной доли капель этилового спирта (а) и объемной долиего паров (б) в продольном сечении отверстия при давлении на выходе изотверстия ртопл вых=8,878 МПа, полученное с учетом кавитацииДля оценки влияния противодавления на процесс кавитации на Рис. 2.30и 2.31 приведены распределения объемной доли пара этилового спирта и92объемной доли его капель по распыливающему отверстию при различныхдавлениях на выходе из отверстия.

Как следует из данных Рис. 2.30, а, притечении смеси 70% РМ и 30% ЭС по распылителю без противодавления(ртопл вых=0,1 МПа) содержание пара в смеси сначала увеличивается. Примерно всерединераспылителя(сечения6-5Таблицы21)пароваяфазаэмульгированного топлива начинает занимать около половины площадипоперечного сечения распыливающего отверстия, а затем средняя доля парапрактическинеизменяется.Наличиепротиводавлениянавыходе(ртопл вых=8,878 МПа) приводит к тому, что в зоне сечений 9-10 объемная доляпара в смеси резко снижается, и на выходе из отверстия (сечение 11) пароваяфаза в топливе практически отсутствует (Рис.

2.30, б).абРис. 2.30.Распределение объемной доли паровой фазы этилового спирта в продольномсечении распыливающего отверстия при давлении на выходе из отверстияртопл вых=0,1 МПа (а) и ртопл вых=8,878 МПа (б)Давление на выходе из распыливающего отверстия оказывает влияние ина распределение капель этилового спирта в рапсовом масле, но это влияниеменее выражено.

Данные Рис. 2.31, полученные с учетом кавитации,свидетельствуют о том, что капли ЭС концентрируются, в основном, в верхнейзоне отверстия. При впрыскивании эмульгированного топлива в атмосферу93(при ртоплдлиневых=0,1МПа) эта закономерность наблюдается практически по всейраспыливающегопротиводавления (ртоплотверстиявых=8,878(см.Рис.а).2.31,ПриналичииМПа) на выходе из распыливающегоотверстия происходит выравнивание распределения капель ЭС в РМ (см. Рис.2.31, б).абРис. 2.31.Распределение объемной доли капель ЭС в эмульгированном топливе впродольном сечении распыливающего отверстия при давлении на выходе изотверстия ртопл вых=0,1 МПа (а) и ртопл вых=8,878 МПа (б)При расчетных исследованиях параметров потока эмульгированноготоплива получены распределения кинематической энергии турбулентности потокаэмульгированного топлива в продольных сечениях проточной части распылителяфорсунки (Рис.

2.32) и в продольном сечении распыливающего отверстия(Рис. 2.33) при давлении на выходе из отверстия ртоплатмосферу) и ртоплвых=8,878вых=0,1(впрыскивание вМПа. Они свидетельствуют о том, что наибольшаятурбулизация потока топлива наблюдается в распыливающем отверстии в еговерхней части. Это вызвано сильным уменьшением сечения проточной части,резким поворотом потока, парообразованием – появлением паровой фазы и еепоследующей конденсацией. При наличии противодавления на выходе изотверстия турбулентность потока возрастает.94Представленные на Рис. 2.27-2.33 распределения значений параметровпотока эмульсии 70% РМ и 30% ЭС использованы для определения среднихзначений параметров потока этой эмульсии в различных поперечных сеченияхраспыливающего отверстия.абРис.

2.32.Распределение кинематической энергии турбулентности потока эмульсии впродольном сечении проточной части распылителя форсунки при давлении навыходе из отверстия ртопл вых=0,1 МПа (а) и ртопл вых=8,878 МПа (б)абРис. 2.33.Распределение кинематической энергии турбулентности потока эмульсии впродольном сечении распыливающего отверстия при давлении на выходе изотверстия ртопл вых=0,1 МПа (а) и ртопл вых=8,878 МПа (б)По аналогии с исследованием течения нефтяного дизельного топлива пораспыливающемуотверстиюприрасчетахпараметровпотока95эмульгированного топлива использована система отчета, начальная точкакоторой совпадает с центром сечения на входе в отверстие, а ось координатыэтой системы отсчета наплавлена по оси отверстия и имеет координату lр тек (навходе в отверстие lрпредставленытек=0мм, а на выходе lрполученныетакимтек=1,1образоммм).

В Таблицах 22, 23значенияпараметров,характерирующих режим течения (средние по сечению давление топлива,аксиальные скорости, объемная доля газовой фазы, турбулентная энергия).Таблица 22.Распределение средних значений параметров (среднее давление топлива,средняя аксиальная скорость, средняя объемная доля газовой фазы) потокаэмульсии 70% РМ и 30% ЭС по сечениям распыливающего отверстия привпрыскивании в атмосферу – при ртопл вых=0,1 МПа и при противодавленииртопл вых=8,878 МПаНомер Значениесечения lр тек, мм0(вход)1234567891011(выход)Среднее давлениетоплива, МПартопл вых =ртопл ==0,1 МПа вых=8,878МПаСредняя аксиальнаяскорость (м/с)ртопл выхртопл=0,1 МПа вых=8,878МПаСредняя объемнаядоля газовой фазыртопл выхртопл=0,1 МПа вых=8,878Мпа021,1521,20122,9121,90,0320,0320,10,20,30,40,50,60,70,80,91,08,493,751,610,700,330,190,130,110,090,078,503,751,610,700,340,230,270,852,816,03167,7188,8203,8214,9223,1229,1233,7237,3240,3242,7167,7188,9203,8215,0223,1228,9232,6229,1213,1190,70,2430,3040,3290,3400,3430,3440,3430,3420,3410,3400,2430,3040,3290,3390,3430,3430,3390,3170,2380,0831,10,108,88258,4188,70,3360,01296Таблица 23.Распределение средних значений параметров (средняя объемная доля капельэтилового спирта, средняя турбулентная энергия) потока эмульсии 70% РМ и30% ЭС по сечениям распыливающего отверстия при впрыскивании ватмосферу – при ртопл вых=0,1 МПа и при противодавлении ртопл вых=8,878 МПаНомер Значениесечения lр тек, мм0(вход)1234567891011(выход)Средняя объемная доля капельэтилового спиртартопл вых =0,1 МПартопл вых ==8,878 МПаСредняя турбулентная энергия(м2/с2)ртопл вых =0,1ртопл вых = 8,878МПаМпа00,2780,2782,923,60,10,20,30,40,50,60,70,80,91,00,2180,2020,1970,1960,1960,1970,1990,2000,2010,2030,2180,2030,1970,1960,1970,1980,2000,2070,2320,289110,3150,5176,5215,7257,8299,6340,1378,1413,4445,9135,9181,6211,5254,7300,5346,2392,2456,2628,41049,21,10,2040,319475,81452,4По данным Таблиц 22, 23 построены характеристики изменения по длинераспыливающего отверстия lртексредних по сечению значений параметровпотока эмульсии – давления топлива ртоплср(Рис.

2.34), аксиальной скороститечения топлива Vакс ср (Рис. 2.35), объемной доли газовой фазы в топливе Qгаз ср(Рис. 2.36), объемной доли капель этилового спирта в топливе Qэс ср (Рис. 2.37),турбулентной энергии потока топлива Eтурбср(Рис.

2.38). Эти параметрырассчитаны при двух давлениях топлива на выходе из распыливающегоотверстия – при ртоплвых=8,878вых=0,1МПа (впрыскивание в атмосферу) и при ртоплМПа. Примерно до поперечного сечения № 7 (lртек=0,7мм)характеристики указанных параметров потока для случаев с противодавлениеми без него достаточно близки. После этого сечения различия в указанныхпараметрах возрастают. Их максимальные различия имеют место в выходном97сечении распылителя – в сечении № 11 (lр тек=1,1 мм). Это обусловлено болеевысоким давлением топлива на выходе из распыливающего отверстия, егоповышенной турбулизацией, конденсацией газовой фазы.Рис. 2.34. Зависимость среднего по сечению распыливающего отверстиядавления эмульсии ртопл ср от его текущей длины lр тек: ртопл вых=0,1 Мпа (1);ртопл вых=8,878 Мпа (2)Рис.