Развитие методов расчета и оптимизация рабочих процессов ДВС (1024698), страница 21
Текст из файла (страница 21)
Форма пристеночного пятна и скоростьего растекания в различных направлениях, зависят от угла встречи струи состенкой γ j, (j = 1, 2, 3, 4) (см. рис. 3.16) и влияния воздушного вихря.Углы встречи струи со стенкой γjрассчитываются с учетом переносаструи вихрем, движения поршня и формы камеры сгорания в районе соударения. Форма камеры в поршне задается последовательностью точек с заданнымикоординатами и соединенными отрезками. Протяженность ПП в каждом направлении lwj (j =1, 2, 3, 4) определяется из соотношений [6]:0.5 0.5l wj = K j Bswτw ;τ w = τ s − τ sw ;Bsw = [φ /(lb max − lw )] / (τ s max − τ sw ) ,2(3.23)где: φ = 0.6 – коэффициент потерь, τsw – момент времени встречи струи со стенкой, τsmax= τinj + (0,3÷0,5)10-3 – время полного развития струи, с, lbmax–максимальная длинна струи при ее свободном развитии, lw расстояние, пройденное струей до стенки.
На основании скоростной киносъемки развития струйв бомбе, имитирующей форму поршня (рис. 3.18), В.В. Гавриловым предложено следующее уравнение для расчета протяженности пятна ПП в четырех направлениях при отсутствия вихря [133]:(K j = sin γ 1 sin γ 3 + 1.2 1 − sin γj) − 2(cos γ j )3 .Время встречи струи со стенкой τsw рассчитывается по уравнениям (3.17 3.21) с учетом пространственного движения вершины струи и движения поршня. Сравнение результатов расчета развития свободной струи и границ пятнапристеночного потока [6] с результатами экспериментов Гаврилова [133] представлено на рис. 3.19. Точками обозначены результаты измерений, соответствующие номерам кадров киносъемки (рис.
3.18). Индекс "free" означает развитие свободной струи (без влияния стенок).- 134 -Рис. 3.18. Кинограмма развития дизельной струи, полученная К.Н.Коптевым,В.В.Гавриловым, [133], В.А.ПлотниковымРис. 3.19. Развитие струй в условиях дизеля: S/D=300/230, n=750 мин-1,цикловая подача топлива 0,62 г, Uwj – скорости границ пристеночного потокаПри наличии тангенциального вихря длину образующей пристеночногопотока в наветренном направлении ( j=3) предлагается рассчитывать по эмпирическому уравнению:0.5 0.5l wj = K j Bswτ w − 0.0008 Awt Wt dτ .(3.24)- 135 -Скорость переноса вихрем подветренной образующей пристеночного потока Utp предлагается вычислять по уравнению:dU tpdτ= 0.2 Awt Wt − U tp1 .5.Длина подветренной образующей ( j=4) рассчитывается как:0..5 0.5l wj = K j Bswτ w + U tp dτ.(3.25)Для визуализации результатов расчета развития струй и ПП, в рамкахданной работы была разработана специальная программа: Fuel Spray Visualization.
Представленные ниже изображения развития струй получены с ее помощью. Сравнение расчетных изображений развития струй и ПП с результатамикиносъемки для тракторного дизеля: S/D =140/120, n=1800 мин-1 представленына рис. 3.20.Рис. 3.20. Сравнение расчетных изображений развития струй и пристеночныхпотоков (a) с результатами киносъемки (b) для тракторного дизеляНа рис. 3.21 представлены изображения струй в момент окончания впрыскивания в судовом двухтактном дизеле Mitsubishi UEC 45 LA: S/D =1350/450,n=150 мин-1.
В цилиндре установлены 2 распылителя: 4 х 0.75 х -10 90 350 500,максимальная скорость вихря 14.5 м/с на радиусе 109 мм. Эпюра вихря представлена на рис. 3.17. Экспериментальные данные и результаты расчета развития струй с помощью методов CFD взяты из работы [123].- 136 -а)б)в)Рис. 3.21. Сравнение расчетных и экспериментальных [123] изображенийразвития струй для судового дизеля Mitsubishi UEC 45 LA: S/D =1350/450: а)схема смесеобразования; б) расположение сопловых отверстий распылителя; в)форма струй в конце впрыскивания; г) зависимости длины внешней и внутренней струй от угла поворота коленчатого вала- 137 -Анализ полученных данных показывает, что расчетные формы пятен ПП,траектории струй, и зависимости длины струй от времени хорошо согласуютсяс экспериментальными данными.
Следует отметить, что все расчеты выполнены с одними и теми же значениями эмпирических коэффициентов расчетныхуравнений.3.4. Распределение топлива в дизельной струе по характерным зонамВ представленной модели сгорания струя впрыснутого топлива делитсяна 7 характерных зон, рис. 3.3. Каждая зона характеризуется своими условиямииспарения и сгорания; и эти условия полагаются одинаковыми внутри даннойзоны.Пока струя не коснулась стенки, рассматриваются только 3 характерныезоны: 1 – уплотненное осевое ядро, 2 – уплотненный передний фронт, 3 – разреженная оболочка. Негомогенный по структуре, плотности и температуре пристеночный поток, образующийся после соударения струи со стенкой, разделяется на характерные зоны с приблизительно одинаковыми условиями тепло- имассообмена внутри каждой зоны по аналогии со свободной струей: 4 – осевоеконическое ядро ПП, 5 – уплотненное ядро ПП на поверхности поршня, 6 – уплотненный передний фронт ПП, 7 – разреженная оболочка пристеночного потока.
Если в процессе развития струи топливо попадает на зеркало цилиндра ина поверхность крышки цилиндра, то наряду с упомянутыми, выделяются соответствующие дополнительные зоны. Толщина переднего фронта струи рассчитывается как:bm = Am l Fs We 0.32 M −0.07 ρ 0.5 ;(3.26)где: Am ≈ 0.7 – эмпирический коэффициент. Ниже приводится последовательность расчета распределения топлива в зонах в каждый момент времени τs (изменяющийся от 0 до τs max с некоторым шагом):- 138 -1. Доля топлива впрыснутого в цилиндр σs определяется по характеристике впрыскивания: σ = f (τ ).2. Длина струи l для текущего момента времени τs рассчитывается поуравнениям (3.13, 3.14).3. Момент впрыскивания ЭПТ, заторможенной в переднем фронте нарасстоянии l от сопла, определяется как: τ = τ s − τ m , где τm определяется изуравнения (3.3).4.
Доля топлива σ t, впрыснутого в цилиндр в момент времени τ, определяется из закона впрыскивания: σ = f (τ ).5. Расстояние между соплом и контрольным сечением, расположеннымпозади переднего фронта струи, рассчитывается как: lk = l - bm. см. рис. 3.9 иуравнение (3.26).6. Время впрыскивания ЭПТ, достигшей контрольного сечения струи, τ kрассчитывается по уравнениям (3.3, 3.5, 3.13, 3.14).7. Доля топлива σ k, впрыснутого в цилиндр в момент времени τ k, определяется из закона топливоподачи: σ = f (τ ).Распределение топлива между зонами свободной струи рассчитываетсяшаг за шагом по следующим уравнениям:в ядре:σ core = (σ s − σ k )(1 − 0.1l k / l ) ;(3.27)во фронте:σ front = 0.8 (σ k − σ t ) A ;(3.28)в оболочке струи: σ env = σ t + 0 .2(σ k − σ t ) + (σ s − σ k ) 0 .1 l k / l ;(3.29)σ W = 0.8 (σ k − σ t ) (1 − A) ,(3.30)в ПП:где: A = 1 перед соударением струи со стенкой и A = 0 после соударения.Разлейцевым предложено после соударения струи со стенкой вводить дополнительное контрольное сечение lk = lw, чтобы определить долю топлива,распределенного в зонах ПП: в разреженной оболочке ПП σ wenv,в ядре ППσ w core и во фронте ПП: σ w fr.
Расчет этих параметров построен по тому же са-- 139 -мому алгоритму. Если пятно ПП достигает короны поршня, то доля топлива вэтой зоне σ crown определяется соотношением:σ crown = σ W Vcrown VW .(3.31)Если передний фронт ПП касается поверхности крышки цилиндра, как показано на рис. 3.22, то доля топлива, осевшего на поверхности крышки σ head, определяется соотношением:σ head = σ w fr Vhead Vw fr ; σ w fr = σ w fr − σ head .(3.32)Условие попадания топлива на поверхность крышки цилиндра описывается соотношениями:hw fr = Fsw lw1 We0.32 M −0.07 ρ 0.5 > hclr ,(3.33)где: hw fr – высота переднего фронта ПП (см. рис.
3.22), hclr – текущий надпоршневой зазор, зависящий от текущего угла поворота, Fsw ≈ 1.5 Fs .Если ПП достигает зеркала цилиндра, доля топлива в зоне зеркала σ λinerопределяется соотношениями:σ liner = σ W Vliner VW ;C liner = 1 − Vliner VW .(3.34)Доля топлива оставшегося в ПП после его перераспределения по разнымзонам, а также доли топлива в этих зонах рассчитываются из соотношений:σ w core = σ w core C liner ;σ w fr = σ w fr C liner ; σ w env = σ w env C liner ;(3.35)σ W = σ w core + σ w fr + σ w env .Если расположенные рядом пристеночные потоки пересекаются, то долятоплива в зоне пересечения σ cross определяется как:σ cross = Vcross VW (σ w core + σ w fr + Aw env σ w env ) ;(3.36)где: Aw_env ≈ 0.5 – коэффициент, учитывающий снижение скорости образованияразреженной оболочки из-за пересечения пристеночных потоков. Доли топливаоставшегося в зонах ПП рассчитываются как:- 140 - σ w core = σ w core (1 − Vcross VW ) ; ()σσVV1;=−w frw frcrossW()σσAVV1.=− w envw envw env crossW (3.37)Суммарная доля топлива в ПП одной струи:σ W = σ w core + σ w fr + σ w env .(3.38)Объемы характерных зон: VW, Vcrown, Vhead, Vw fr, Vliner, Vcross в уравнениях(3.31 – 3.37) рассчитываются как объемы пространственных геометрическихфигур, отсекаемые плоскостями или другими пространственными геометрическими фигурами от соседних.
Громоздкие формулы для расчета пересеченияпространственных фигур в целях упрощения здесь не приводятся. Так: VW объем зоны ядра пристеночного потока, имеющего форму четырех четвертейэллипса с полуосями lw1, lw2, lw3, lw4 (рис. 3.16); Vcrown - часть объема зоны пристеночного потока, расположенная на короне поршня, вне углубления камерысгорания; Vwfr- часть объема зоны пристеночного потока, приходящаяся нафронт ПП; Vhead - часть объема зоны пристеночного потока, расположенная накрышке цилиндра; Vliner - часть объема зоны пристеночного потока, расположенная на зеркале цилиндра; Vcross - часть объема зоны пристеночного потока,приходящаяся на область пересечения с ПП соседних струй.Порядок расчета распределения топлива:1) Моделирование развития каждой струи из предположения, что этаструя единственная.2) Суммирование долей топлива для каждой зоны для всех струй.Результаты расчета распределения топлива по зонам для различных дизелей представлены на рис.
3.22, 3.23. Все расчеты выполнены с идентичнымизначениями всех эмпирических коэффициентов. Если распылитель расположенне в центре камеры сгорания, или сопла ориентированы несимметрично, какпоказано на рис. 3.22, то в этом случае каждая струя рассчитывается независи-- 141 -мо, с тем чтобы учесть особенности ее взаимодействия с вихрем, а также индивидуальные параметры: время, место и угол столкновения со стенкой. Кадры а,Рис. 3.22. Результаты расчета распределения топлива по характерным зонам вкамере сгорания дизеля ЯМЗ: S/D=140/130, n=1700 мин-1b, с на рис. 3.22, соответствующие разным углам поворота кривошипа, иллюстрируют разные фазы соударения струй со стенкой. Период времени от началасоударения со стенкой первой струи до полной укладки на стенку последнейструи занимает 5 град.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
