Развитие методов расчета и оптимизация рабочих процессов ДВС (1024698), страница 5
Текст из файла (страница 5)
С помощью специальной программы "генератора сетки" расчетная область разбивается на большое количество расчетных ячеек. Для примера: цилиндр, впускной и выпускной каналы с клапанами разбиваются на 350 - 900 тысяч ячеек. Для описания сложной поверхности без чрезмерного увеличениячисла ячеек метод крупных частиц, например, использует механизм дробныхячеек на границах газа и металла (рис. 1.4). Другие методы используют иныеалгоритмы.
Следует учитывать, что время счета пропорционально четвертойстепени от густоты сетки, поэтому следует выбирать такую сетку, чтобы времясчета было бы приемлемым и поверхность описана достаточно точно.После назначения начальных и граничных условий (с помощью термодинамических программ) проводится маршевый расчет работы двигателя (обычноэто такты всасывания, сжатия и сгорания). Продолжительность счета одногоцикла (одной итерации) составляет от нескольких часов до нескольких суток, взависимости от параметров расчетной сетки и используемых подмоделей вязкости, теплообмена со стенками, разрушения струй, сгорания и химической кинетики.
Проведение итераций необходимо для того, чтобы уточнить начальныеусловия: в конце расчета должны быть получены те же параметры газа, что и вначале (условие периодичности). Программы визуализации результатов позволяют получать нестационарные поля скоростей в разных сечениях, изображения струй, поля температур и концентраций. Примеры результатов расчета рабочего процесса дизеля Caterpillar 3401 (D/S = 137/165 мм, при частоте враще-- 29 -ния 1600 мин-1, рe = 9,6 бар.) выполненные с помощью программы KIVA в университете Висконсин - Мэдисон представлены на рис. 1.5 – 1.7. [16]Большое время счета не позволяет сегодня использовать технологиюCFD для общего анализа и оптимизации рабочих процессов ДВС, тем не менее,это направление интенсивно развивается.Таблица 2.Программы CFD использующиеся в исследованиях ДВСПрограмма, разработчикПримечаниеStar-CD (CD Adapco)Метод конечных объемовKIVA(Los Alamos National Lab.)Метод конечных объемовFIRE(AVL)Метод конечных объемовVECTIS (Ricardo Software)Метод конечных объемовFLUENT (Fluent Inc.)Метод конечных элементовNSF-3(МГТУ им.
Баумана)Метод крупных частиц [17, 18, 19, 20].PHOENICS (CHAM) (Spalding, Patankar) Метод конечных объемовВ литературе и в Интернет часто приводятся примеры расчета рабочегопроцесса двигателей, используя технологию CFD. Замкнутый расчет всего рабочего цикла ДВС на сегодняшний день проводится лишь в единичных случаях. Так, в работе [22] представлены исследовательские расчеты методом крупных частиц [17] одноцилиндрового бензинового ДВС, предназначенного длябензопилы. В работе [23] описаны примеры сквозного расчета 5-цилиндровыхДВС: искрового бензинового и дизеля, выполненных на фирме Volvo.
Для расчета использовалась программа Star-CD. Размеры ячеек в разных зонах варьировались от 2 до 4 мм, общее число ячеек для дизельного варианта составляло1430 тыс., а для бензинового – 580 тыс. Подготовка исходных данных потребовала 80 человеко-часов, из них половину занимает задание данных для расчетасгорания. Время счета составило 4 дня на кластере LINUX состоящем из 8 процессоров Pentium 4 с тактовой частотой 3,06 ГГц. При этом процесс сгорания в- 30 -Рис. 1.5.
Расчетная схема двигателя Caterpillar 3401 (D/S = 137/165) [16]Рис. 1.6. Поля скоростей в разрезе камеры сгорания вблизи ВМТ и впоперечном сечении цилиндра по мере удаления от клапана.Двигатель Caterpillar 3401 (D/S = 137/165) [16]- 31 -a)б)Рис. 1.7. Изображения струй по мере их развития (программа KIVA):а) двигатель Caterpillar 3401 (D/S = 137/165) [16];б) двигатель FIAT M181 (D/S = 82/90.4) [21]- 32 -дизеле рассчитывался с помощью простой феноменологической модели.
Назначение таких расчетов их авторы видят в разработке граничных условий для детальных расчетов отдельных элементов ДВС, для уточнения одномерных моделей, а также для проверки корректности связей одномерных моделей с трехмерными. Для оптимизации и для практического исследования сгорания такойподход неприемлем.На практике задача обычно ставится следующим образом:- В цилиндре и клапанных каналах проводится расчет трехмерного течения газа с учетом подвижных поверхностей поршня и клапанов.- Граничные условия по привалочным поверхностям головки цилиндрарассчитываются с помощью термодинамических программ GT-Power, WAVE,или BOOST.- В процессе топливоподачи и горения рассчитывается движение топливных струй, растекание топливных пленок по поверхности поршня, выделениетеплоты, эмиссия вредных веществ.В настоящее время значительные усилия сосредоточены на разработкеподмоделей развития и разрушения струй впрыснутого топлива.
Наиболее широкое распространение получила модель турбулентного диффузионного сгорания Магнуссена (Magnussen Eddy Dissipation Concept (EDC) [24]); а также модель профессора Райца (Reitz) [25] разработанная в университете Висконсин Мэдисон. Для расчета эмиссии оксидов азота обычно используется 11компонентная модель, реализующая схему Зельдовича [26], а в последнее время, для двигателей, оборудованных системами рециркуляции отработавших газов и многоразового впрыскивания, используется модель рассматривающая детальный кинетический механизм образования NO [27]; основным программнымсредством для расчета образования NO является программа CHEMKIN.Освоение и использование программ, реализующих технологию CFD, сопряжено со значительными затратами, и в первую очередь, на подготовку специалистов.- 33 -1.2. Требования к математическим моделям рабочих процессов ДВСприменяемым для проведения компьютерной оптимизациидвигателей на этапе их разработки и доводкиТребования к математическим моделям, используемым для совершенствования двигателей, обусловливаются в первую очередь спецификой решаемыхзадач.
Учитывая, что разработка математических моделей и реализующих ихпрограмм – дело сложное и трудоемкое, программы эти должны быть универсальны и достаточно точны. Созданный единожды дорогостоящий инструментдолжен быть с успехом применим к разным объектам. Понятия универсальности и точности математической модели взаимосвязаны, и предполагают описание физических процессов на основе фундаментальных физических законов иуравнений.Учитывая, что решение прикладных задач не может быть сильно растянуто во времени, и должно укладываться в разумные временные рамки, используемые модели и программы должны обладать высоким быстродействием.
Этоутверждение становится тем более актуальным, когда задача доводки двигателяи происходящих в нем процессов не может быть решена методами однофакторного численного эксперимента, а в силу своей сложности и многозначности,требует многомерной оптимизации с большим числом влияющих факторов.Как показывает опыт решения оптимизационных задач, в процессе оптимального поиска экстремума функции 5 – 6 переменных, количество вычисленийцелевой функции (сессий расчета рабочего процесса ДВС) достигает сотни.
Впроцессе численного исследования приходится проводить многократные оптимизационные расчеты, проверяя полученные решения, что делает требования кбыстродействию программ еще более актуальными, а если учесть, что исследования надо проводить на нескольких режимах работы ДВС, то проблема потребного машинного времени на решение задачи становится настолько серьезной, что может сделать решение задачи вообще невозможным. Отчасти это касается и удобства интерфейса для задания входных данных к расчету: если эта- 34 -задача сложна и не может быть автоматизирована, то проведение оптимизационных расчетов существенно затрудняется, и, зачастую может стать вообще неосуществимым.Подводя итог сказанному, можно сделать вывод о том, что для проведения оптимизационных расчетных исследований, направленных на снижениерасхода топлива и вредных выбросов дизельными двигателями в настоящеевремя и в ближайшей перспективе наибольшую актуальность представляюттермодинамические программы, реализующие феноменологические моделисгорания в дизеле.
Однако эти модели должны позволять надежно рассчитывать процессы сгорания и образования вредных веществ в условиях, характерных для современных технологий, которые включают в себя:- применение высокой рециркуляции отработавших газов (до 50 % и выше),- использование многоразового впрыскивания, включая подачу пилотныхпорций с большим опережением (PCCI процесс: Premixed Charge CompressionIgnition),- использование топливной аппаратуры с высоким давлением впрыскивания и малым диаметром распыливающих отверстий,- применение биотоплив и их смесей с дизельным топливом.В тоже время, модель сгорания должна позволять точно описывать иклассический процесс сгорания в дизеле, когда большая часть процесса развития струй топлива происходит в условиях контакта струи со стенками камерысгорания и в условиях интенсивного воздушного вихря.Модель должна быть универсальной, позволяя "плавно", без разрывов и схорошей точностью описывать переход процесса сгорания от классического(имеющего место на режимах полной мощности), к сгоранию с многоразовымвпрыскиванием и рециркуляцией ОГ.
Модель должна быть легко идентифицируемой и одинаково успешно применимой как к быстроходным двигателям смалым диаметром цилиндра, так и к малооборотным дизелям с большим диаметром цилиндра. Это позволит вывести оптимизационные расчеты из области- 35 -искусства в область технологии, т.е. сделать их доступными для инженеровпромышленных предприятий.1.3.Задачи исследованияРассмотрение состояния современного программного обеспечения, предназначенного для расчетных исследования и оптимизации ДВС в современныхусловиях, привело к выводам, отраженным в задачах диссертации.Необходима разработка достоверных, быстродействующих и универсальных математических моделей и прикладных программ для термодинамическогорасчета двухтактных и четырехтактных ДВС с уточненным рассмотрениемпроцессов смесеобразования, сгорания и образования вредных веществ. Для чего необходимо:1.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
