Развитие методов расчета и оптимизация рабочих процессов ДВС (1024698), страница 18
Текст из файла (страница 18)
Если в процессе развития струи топливо попадает на зеркало цилиндраи на поверхность крышки цилиндра, то наряду с упомянутыми, выделяются соответствующие дополнительные зоны. Скорость вершины струи и угол ее раскрытия рассчитываются по эмпирическим зависимостям. Учитывается угол- 113 -встречи струи со стенкой, развитие пристеночного потока в радиальном и тангенциальном направлениях рассчитывается с учетом величины угла встречиструи со стенкой в обеих плоскостях. Скорость испарения в каждой зоне зависит от диаметра капель и характерной температуры зоны, в т.ч.
температурыблизлежащей стенки. Модель реагирует на такие негативные особенности смесеобразования как попадание топлива на холодные стенки зеркала цилиндра икрышки цилиндра, однако не учитывает влияние воздушного вихря на развитиесвободной струи и развитие ее пристеночного потока.Рис. 3.3. Модель развития струи, предложенная Н.Ф.Разлецевым,с обозначением характерных зон [6]Во втором типе моделей струя делится на многочисленные зоны (пакеты) как вдоль оси, так и в поперечном направлении. В большинстве случаевпродольное деление соответствует шагу по времени впрыскивания. Поперечноеразделение на зоны осуществляется либо из условия равномерного деления телесного угла конуса струи с вершиной в сопловом отверстии: модель Юнга иАссаниса (Jung & Assanis) [85], и модель Хироясу (Hiroyasu) [4, 86, 87]; либо ввиде системы прямоугольников: модель Ракополоса и Хаунталаса (Rakopoulos& Hountalas) [88].
Рассмотрим эти модели более подробно.В модели Юнга и Ассаниса [85] струя разбивается по мере движениявпрыснутого топлива на порции k, а затем каждая из этих порций разбивается впоперечном направлении на зоны i. На рис. 3.4 представлена структура струи вмодели Юнга - Ассаниса. Дальнобойность струи в этой модели рассчитывается- 114 -по уравнениям, предложенным Хироясу и Араи (Hiroyasu & Arai) [89], угол конуса струи определяется либо также по методу Хироясу и Араи [89], либо поформулам предложенным Райцем и Бракко (Reitz & Bracco) [90], средний диаметр капель по Заутеру рассчитывается также с помощью уравнений, предложенных Хироясу [91]. Вовлечение воздуха в каждую зону рассчитывается с помощью уравнения сохранения количества движения.
Скорость испарения капель рассчитывается по методу Бормана и Джонсона (Borman & Johnson) [92],для чего моделируется прогрев капель воздухом внутри каждой зоны. Предполагается, что между зонами нет смешивания или перетекания. В каждой зонерассчитываются свои значения температуры и состава топливовоздушной смеси. Общее число зон зависит от времени впрыскивания и шага по времени. Модель проверялась применительно к нескольким дизелям, однако авторы ничегоне сообщают об учете взаимодействия струи со стенками КС.Рис. 3.4. Модель струи, предложенная Юнгом и Ассанисом [85]В модели Ракополоса и Хаунталаса (Rakopoulos & Hountalas) [88] предложено делить струю на зоны в трех направлениях: вдоль оси струи - x, и перпендикулярно оси – в направлениях r, z (рис.
3.5). В результате в поперечномсечении получаются прямоугольные зоны, а не сектора. Каждая зона имеетсвои показатели температуры и состава топливовоздушной смеси. Температураи концентрация каждой зоны рассчитываются с помощью системы уравненийбаланса массы, количества движения и энергии. Для оценки характерной скорости, используемой для расчета теплообмена, используется k-ε модель турбу-- 115 -лентной вязкости. Профиль вихря принят по закону квази-твердого тела с учетом диссипации. Скорость движения струи рассчитывается по уравнениям,предложенным Вильямсом (Williams) [93], а угол раскрытия струи - по формуле, приведенной Хейвудом (Heywood) [94].
Учитывается взаимодействие струисо стенками [96]. Заутеровский диаметр капель рассчитывается по формулеХироясу [91], испарение капель по Борману и Джонсону [92].Рис. 3.5. Модель развития струи Ракополоса и Хаунталаса [88]: а) вид сверху накамеру сгорания и проекция струи на плоскость r – x; б) поперечноесечение струи c характерными зонамиЧисло зон зависит от продолжительности впрыскивания и шага по времени: при шаге по времени 0.2 градуса п.к.в.
число зон достигает 20000. Времясчета составляет около 5 мин. на компьютере 586 РС.На сегодняшний день из существующих многозонных феноменологических моделей сгорания в дизеле, наибольшую известность получила модель,предложенная Хироясу [4, 86, 87]. Схема разделения струи на зоны, или пакеты, как их называет сам Хироясу, представлена на рис. 3.6. Струя делится намножество зон, имеющих свои характерные значения температуры, объема,массы топлива и воздуха. Движение каждой зоны описывается уравнениямисохранения импульса.
Продольное разделение на зоны осуществляется по мере- 116 -впрыскивания новых элементарных порций топлива -L, в поперечном сечениизоны получаются, при равномерном делении телесного угла в радиальном направлении - М.Рис. 3.6. Модель развития свободной струи Хироясу [4, 86, 87]Предполагается, что между зонами нет перетекания топливовоздушнойсмеси. Смещение зоны в направлении M позволяет учитывать влияние воздушного вихря на развитие топливной струи. Для каждой зоны используется единаясистема уравнений вычисления скорости испарения, скорости тепловыделенияи текущей температуры зоны. Конфигурация зон после соударения струи состенкой показана на рис.
3.7.Рис. 3.7. Конфигурация зон после соударения струи со стенкой- 117 -Контур пристеночного потока рассматривается в виде окружности и независит от угла встречи струи со стенкой; в расчет принимается только путь,пройденный струей до момента столкновения. Влияние температуры стенки неучитывается. Число зон зависит от продолжительности впрыскивания и шага повремени: чаще всего от 250 до 400. Методология процесса расчета сгорания иллюстрируется рис. 3.8.Рис.
3.8. Иллюстрация эволюции состава пакетов при расчете смесеобразованияи сгорания в дизеле по методу ХироясуСтруя, впрыскиваемая из форсунки в камеру сгорания, делится на большое число малых "пакетов" с равной массой топлива в каждом из них. Предполагается, что пакеты не обмениваются массой между собой. Развитие струирассчитывается по эмпирическим уравнениям. Вовлечение воздуха в каждыйпакет рассчитывается, исходя из уравнения сохранения количества движения,т.е. масса вовлеченного в пакет воздуха пропорциональна снижению скоростидвижения пакета. После вовлечения воздуха в пакет капли в нем начинают испаряться; сгорание в пакете начинается после окончания периода задержки самовоспламенения.- 118 -Каждый пакет сразу после впрыскивания состоит в основном из мелкихкапель, и практически не содержит воздуха.
По мере движения пакета воздухвовлекается в него, и топливные капли начинают испаряться. По истечении короткого периода времени пакет уже состоит из жидких капель, паров топлива ивоздуха. Когда в газовой смеси происходит сгорание, пакет быстро расширяется. Это приводит к испарению большего числа капель и большему вовлечениюсвежего воздуха в пакет.
Топливо смешивается со свежим воздухом и продуктами сгорания, струя продолжает гореть. Скорость сгорания в каждом пакетерассчитывается из предположения, что сгорание имеет место при стехиометрическом соотношении топлива и воздуха. Если в пакете достаточно воздуха длясгорания всего испарившегося топлива, то после сгорания с нем остаются продукты сгорания, воздух и жидкое топливо (схема А на рис.
3.8). На следующеммалом расчетном шаге больше капель испарится и новая порция воздуха будетвовлечена в пакет, если опять воздуха будет достаточно для стехиометрического сгорания образовавшихся паров, то повторится предыдущая схема А. Есликоличество воздуха недостаточно для сгорания всего испарившегося топлива,скорость сгорания ограничивается количеством имеющегося воздуха. Этотпроцесс обозначен на рис. 3.8 как случай Б. Скорость тепловыделения в камересгорания рассчитывается путем суммирования тепловыделения в каждом из пакетов. Давление в цилиндре и общая температура газа в цилиндре рассчитываются из уравнения первого закона термодинамики.
Равновесные концентрациисоставляющих газа в каждом пакете рассчитываются в каждый момент временина основе известных: температуры, количества паров топлива, количества воздуха и продуктов сгорания. Концентрация оксидов азота рассчитывается с использованием схемы расширенного механизма Зельдовича. Образование сажирассчитывается исходя из предположения о первом порядке реакции окислениятопливных паров. Окись углерода рассчитывается исходя из допущения о втором порядке реакции между углеродом и кислородом.
Методика Хироясу за 35лет своего существования прошла проверку при моделировании двигателей- 119 -разного класса и назначения. Она входила в базовый пакет поставки программ:GT-Power, WAVE, BOOST. Анализируя возможности модели Хироясу в сравнении с возможностями моделей других зарубежных авторов, а также то обстоятельство, что модель Хироясу де-факто выдержала испытание временем инашла применение в коммерческих программных продуктах, можно сделатьвывод, что это самая совершенная и быстродействующая феноменологическаямодель сгорания в дизеле из существующих на сегодняшний день.
Конкуренцию ей может составить лишь модель Разлейцева. Сравнение возможностеймодели Хироясу с моделью Разлейцева представлено в таблице 11.Таблица 11.Сравнение возможностей моделей Хироясу и Разлейцева.Знаки + и – означают достоинства и недостатки№.Модель ХироясуМодель Разлейцева [6]1+ Геометрия струи зависит от тангенциального вихря- Геометрия струи не зависит от тангенциального вихря2+ Рассчитываются локальные температуры и концентрации по зонам- Локальные температуры по зонамзадаются как данные извне.3- Не учитывается массообмен междузонами.+ Учитывается перераспределение капель топлива между зонами.4- Пристеночный поток (ПП) имеетформу окружности.+ Форма ПП зависит от угла встречиструи со стенкой в двух плоскостях.5- Не учитывается структура ПП потолщине.+ Учитывается структура ПП по толщине и протяженности.6- Не учитываются свойства поверхности под ПП.+ Учитывается температура и свойстваповерхности под ПП.7- Не рассматривается взаимодействие - Не рассматривается взаимодействиемежду струями.между струями.8- Не рассматривается влияние вихряна ПП.- Не рассматривается влияние вихря наПП.9- Не учитывается ход поршня.- Не учитывается ход поршня.10 - Не рассматривается произвольнаяформа КС и боковое расположениефорсунки.- Не рассматривается произвольнаяформа КС и боковое расположениефорсунки.- 120 -Сравнительный анализ двух моделей сгорания в дизеле показывает наличие целого ряда достоинств и недостатков в каждой из них.1.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
