Развитие методов расчета и оптимизация рабочих процессов ДВС (1024698), страница 4
Текст из файла (страница 4)
1.2.)- 21 -Рис. 1.2. Расчетная схема ДВС с 1-мерным представлениемвпускного и выпускного трубопроводовВ рамках этой модели параметры газа в коллекторах определяются изсистемы дифференциальных уравнений, включающей в себя уравнения сохранения энергии и импульса, а также уравнение неразрывности и состояния, записанных для каждой из ячеек, на которые условно разбивается коллектор:1 ∂p ∂W ∂WW+=− ∂xρ ∂x ∂τ ∂ρ∂W∂ρ =ρ−W.∂x∂x ∂τp = Cρ n(1.4)Специальные граничные условия записываются для тройников, соединения с турбиной и подводящего патрубка от охладителя надувочного воздуха(ОНВ).
Чаще всего система уравнений решается:- методом характеристик (наиболее точный метод);- методом Годунова (метод распада произвольного разрыва);- методом крупных частиц Давыдова-Белоцерковского (метод Харлоу частиц в ячейках).Этот подход отличается высокой точностью. Параметры в каждом цилиндре рассчитываются индивидуально. Недостатком нестационарного методарасчета является многократное увеличение объема вычислений, что затрудняетвозможность решения оптимизационных задач. Так расчет 8 цилиндрового Vобразного дизеля с использованием простой модели сгорания Вибе занимает 20минут на персональном компьютере с процессором Р4.- 22 -Основные параметры термодинамических программ, используемых дляисследования ДВС и получивших наибольшее распространение в России и зарубежом, представлены в таблице 1.
Лидером по популярности во всем миреявляется программа GT-Power, ставшая де-факто отраслевым стандартом. Всепрограммы позволяют моделировать рабочий процесс как дизелей, так и двигателей с искровым воспламенением. Программы: BOOST, WAVE, GT-Power оттрех мировых лидеров по разработке программного обеспечения: AVL, RicardoSoftware, Gamma Technologies Inc. имеют практически равные возможности.Ядра этих программ написаны на ФОРТРАНЕ.Общие основные свойства программ:- приложения WINDOWS;- развитый пользовательский интерфейс;- высокая степень интеграции термодинамического расчета ДВС с другими приложениями, например расчета подшипников, системы охлаждения, динамики клапанного механизма, и пр.;- возможность использования подпрограмм пользователя, оформленныхкак DLL для расчета различных процессов (в т.ч.
скорости тепловыделения);- возможность совместной работы с программами трехмерного моделирования течения газа;- возможность совместной работы с пакетами SIMULINK и др. для моделирования (проектирования) систем управления не только двигателем, но ивсем транспортным средством целиком;- возможность согласования поршневого ДВС с характеристиками турбини компрессоров, импортируемым из текстовых файлов в стандарте SAE;- возможность расчета неустановившихся режимов работы ДВС;- возможность расчета неравномерности наполнения по цилиндрам ДВС.- 23 -Таблица 1.Программы термодинамического расчета ДВСПрограмма,МодельМодельразработчикгазообменасгоранияИМПУЛЬСВибе;Не развивается сРазлейцев (1980г.)1985 г.Вибе;Коммерческая.РК-модель2 и 4 тактн. ДВС.1-DВибеКоммерческая.1-DВибе;Не развивается сРазлейцев (1980г.)1985 г.Библиотека моде-Коммерческая.0-D(ЦНИДИ)ДИЗЕЛЬ-РК[10]0D, 1D(МГТУ им.
Баумана)Lotus Engine SimulationПримечание[11] (Lotus Engineering)ВОЛНА(ЦНИДИ)AMESIM[9]1-Dлей: Вибе, CFD мо-(LMS)дель и др.BOOSTВибе; Hiroyasu;[12]табличное задание(AVL)WAVE[13]1-Ddx/dφ, пользовательская модель, CFD(Ricardo Software)GT-POWERКоммерческая.[14]модель с кодом(Gamma TechnologiesKIVA (GT Power)Inc.)или FIRE (BOOST).Из перечисленных выше, эти программы позволяют наиболее эффективнорешать задачи оптимального проектирования системы газообмена, в том числе:- выбор фаз газораспределения индивидуально для каждого цилиндра;- выбор закона управления фазами газораспределения для переходныхрежимов работы двигателя (при установке исполнительного механизма дляуправления фазами "на ходу");- проектирование трубопроводов, в том числе для обеспечения динамического наддува, регистрового наддува и систем рециркуляции ОГ;- 24 -- сравнение разных концепций двигателей.Последнее справедливо лишь отчасти, вследствие трудоемкости задания ибольшого объема необходимых исходных данных.
То, что вполне может бытьприемлемо в условиях корпорации, обладающей опытом, штатом квалифицированных специалистов, подробными чертежами и результатами экспериментальных исследований соответствующих двигателей, может вызвать затруднения у исследователей, не имеющих подобных ресурсов.С меньшей надежностью эти программы позволяют исследовать внутрицилиндровые явления, связанные с процессами смесеобразования и сгорания:- исследование влияния степени сжатия,- исследование влияния опережения впрыскивания,- исследование влияния характеристики впрыскивания,- исследование влияния интенсивности вихря,- исследование влияния конструкции распылителя (диаметр, количество иориентация топливных струй).Совсем не подлежат рассмотрению вопросы:- исследование влияния формы камеры сгорания, особенно если распылитель установлен не соосно с камерой сгорания,- исследование многоразового впрыскивания.Т.е.
на пределе и за границей возможностей этих трех программ - лидероврынка остались наиболее актуальные вопросы проектирования ДВС, связанныес необходимостью снижения вредных выбросов, т.е. как раз те вопросы, которые доставляют наибольшие проблемы разработчикам ДВС. Это обусловленовозможностями математических моделей, которые реализованы в этих программах.К недостаткам программ следует отнести:- ограниченность методов расчета тепловыделения в дизеле: модельХироясу (разработанная в 1976-1985 г.г.) [4] ориентирована на расчет развитиясвободных струй, но она не уделяет достаточно внимания взаимодействиюструй со стенками и не поддерживает процесс с многоразовым впрыскиванием- 25 -(по-видимому модель Хироясу обладает еще какими-то недостатками, поскольку из последней версии программы BOOST она исключена);- "тяжелый" интерфейс затрудняет оперативное использование программнеподготовленным пользователем: для начала работы необходимо ввестибольшое количество данных, что делает программы пригодными только дляпрофессионалов в условиях корпоративного использования.К достоинствам программ относятся:- организована совместная работа термодинамических программ с другими пакетами, в частности предусмотрена интеграция термодинамических программ с CFD технологиями [15], когда для расчета смесеобразования и сгорания в дизеле используется 3-D модель дизельной струи развивающейся в единичном секторе, на которые разбивается цилиндр, рис.
1.3; собственно для расчета смесеобразования и последующего тепловыделения используется открытый код программы KIVA и Star-CD (в GT-Power), или проект программы FIRE(в BOOST);Рис. 1.3. 3D cетка единичного сектора цилиндра использующаяся в программеKIVA для расчета дизельной струи, развивающейся в КС- возможность пользователю разрабатывать и внедрять в эти программысвои методы расчета различных процессов в ДВС, включая сгорание;- организована поддержка и обучение пользователей.- 26 -1.1.2.
Модели на основе решения задач пространственнойгидродинамикиВ настоящее время передовыми научными центрами интенсивно разрабатывается программное обеспечение для решения задач совершенствования рабочих процессов ДВС на основе технологии решения задач пространственнойгидродинамики в объеме с подвижными стенками (в англоязычной среде:Computational Fluid Dynamic или CFD).
Эта технология предусматривает трехмерное моделирование течения газа и впрыскиваемого топлива в цилиндрах иколлекторах ДВС. В процессе расчета моделируются процессы испарения, сгорания и образования вредных веществ. Наибольшей популярностью в промышленной среде пользуются коммерческие программы, имеющие развитыйинтерфейс: STAR-CD (CD Adapco); FIRE (AVL); VECTIS (Ricardo); в университетах – программы Fluent (Fluent Inc.) и KIVA (Los Alamos National Laboratory), имеющая открытый код, бедный интерфейс и распространяющаяся бесплатно.
Программы позволяют моделировать развитие потоков газа и распыленного топлива в камере сгорания двигателя, движение пленок топлива, попавшего на стенки, поля температур и концентраций рабочего тела в рабочемобъеме. Значительные усилия предпринимаются для расчета эмиссии сажи,NOx и CO. Однако утверждать, что эта задача решена применительно к саже иСО, пока преждевременно. Достоверность результатов расчета не всегда удовлетворительна. Существенным недостатком CFD на сегодняшний день является трудоемкость расчетов и необходимость использования суперкомпьютеров.Из опубликованных источников известно, что эксплуатация этих программпроводится на очень мощных ЭВМ.
Стоимость лицензии на эксплуатациюкоммерческих программ на одном рабочем месте составляет приблизительно50000 долларов США за 3 года (программа FIRE). Подготовка данных квалифицированным специалистом для одного варианта расчета занимает до нескольких дней (5 - 10 и более дней для нового двигателя). Время счета одноговарианта - 30 часов и более. Говорить об использовании этих программ для- 27 -инженерных оптимизационных расчетов пока преждевременно, т.к. в процессеоптимизации придется рассчитывать сотни вариантов конструкций.Расчетная область, применительно к внутрицилиндровым процессам,обычно представляет собой впускной (и выпускной) патрубки, подвижные клапаны, и подвижный поршень с камерой сгорания (рис. 1.4.).
Расчетная областьразбивается на большое количество ячеек (около 500 000).дробные ячейки на границах газа и стенки,используемые в методе «крупных частиц»[17 - 20]Рис. 1.4. Расчетная схема ДВС при разных положениях поршня с 3- мернымпредставлением впускного клапанного канала и цилиндраПараметры газа в каждой ячейке определяются из системы уравнений сохранения массы, импульса, энергии и состояния:(1.5)- 28 -где: W – скорость и ее составляющие по осям x, y, z; Е – энергия; ρ - плотность.Для учета теплообмена, сгорания, вязкости в правую часть системы уравненийдобавляются дополнительные члены, которые существенно увеличивают потребные вычислительные ресурсы компьютера.Расчетная область, которая может иметь стенки сколь угодно сложнойформы, задается в каком-либо из CAD пакетов, поддерживающих твердотельное моделирование (Catia, Solid Eige). Поверхность, ограничивающая газ, сохраняется в виде совокупности большого количества треугольников (*.STLфайлы).
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
