Автореферат (1026339), страница 2
Текст из файла (страница 2)
Иващенко, Р.З. Кавтарадзе, H. Hiroyasu,Д.О. Онищенко, В.А. Маркова, Р.М. Баширова, И.И. Габитова и других.3Представлена классификация математических моделей рабочегопроцесса. Существуют Традиционные, Термодинамические и трёхмерныематематические модели. Данная работа посвящена трёхмерным моделям,позволяющим точно рассчитать процессы в проточной части двигателя, в томчисле образование вредных веществ, а также в термоэлектрическомгенераторе.Приведены нормы выбросов вредных веществ дизелей.
Рассмотреныразличные методы снижения токсичности отработавших газов.Выполнен обзор путей образования оксидов азота.Рассмотрены методы утилизации теплоты отработавших газов:получение тепловой энергии, получение холода, преобразование теплоты вмеханическую энергию (циклы Брайтона, Стирлинга и Ренкина) и прямоепреобразование тепловой энергии в электрическую с помощьютермоэлектрического генератора.Термоэлектрический генератор (ТЭГ) основан на эффекте Зеебека ипозволяет преобразовать тепловую энергию отработавших газов вэлектрическую.
В настоящее время ведутся разработки ТЭГ дляавтомобильных, а также для среднеоборотных двигателей.На основе обзора литературы были сформулированы основные задачиработы:1. Разработка и реализация обобщенной математической моделитеплофизических процессов, протекающих в цилиндре и выпускнойсистеме, оснащенном ТЭГ, среднеоборотного дизеля ЧН26,5/31(Д500).2. Анализ влияния конструктивных параметров дизеля (вихревое число,число сопловых отверстий распылителя, форма камеры сгорания) наэкологические и эффективные показатели дизеля ЧН26,5/31(Д500).3.
Проведение расчётной оценки вихревого числа двигателяЧН26,5/31(Д500) на разных режимах по нагрузочной характеристике.4. Совершенствование конструктивных параметров дизеля (вихревогочисла, числа сопловых отверстий распылителя, формы камерысгорания).5. Моделирование процессов течения газа и теплообмена в проточнойчасти термоэлектрического генератора и оценка возможностииспользования термоэлектрического генератора для повышенияэффективных показателей среднеоборотного дизеля.Вторая глава посвящена вопросу математического моделированиярабочего процесса дизеля.Приведена обобщенная математическая модель теплофизическихпроцессов, протекающих в цилиндре двигателя и в термоэлектрическомгенераторе. Уравнение переноса записывается в обобщённом виде:(1)∙Φ +Φ =ΓΦ +S ,4В уравнении Навье-Стокса Φ =, Γ = , S =; в уравнении Фурье-Кирхгофа Φ = ", Γ =&''+''+ () *) +/+,-#$%−+, S =!∙+; в уравнении неразрывности Φ = 1; вуравнении Фика Φ = 0 , Γ = 23 ρ, S = 563 .1Уравнения типа Навье-Стокса записываются в форме Рейнольдса изамыкаются моделью турбулентности.
Рассмотрены используемые примоделировании рабочего процесса в поршневом двигателе модели k-ε и k-ζ-f.Модель k-ε основана на кинетической энергией турбулентности k и скоростидиссипации этой энергии ε. Модель турбулентности k-ζ-f основана накинетической энергии турбулентности k, нормированном масштабе скоростиζ = 7 /k и эллиптической функции релаксации f. Также рассмотреныгибридные пристеночные функции и стандартная модель теплообмена впограничном слое.Рассмотрены модели сгорания, применяемые для двигателей своспламенением от сжатия: Магнуссена-Хартагера и Трёхзоннаярасширенная модель когерентного пламени.
Модель Магнуссена-Хартагераоснована на допущении о том, что скорость реакции горения определяетсяодним из следующих параметров: концентрация топлива, концентрациявоздуха и наличие горячих продуктов сгорания. Трёхзонная расширеннаямодель когерентного пламени (ECFM-3Z) основана на разбиении каждогоконтрольного объёма на три зоны, содержащие, соответственно, воздух,топливо и топливо-воздушную смесь.Изложен алгоритм численного интегрирования уравнений переноса,реализованный в программном комплексе FIRE австрийской фирмы AVL ListGmbH, основанный на методе контрольных объёмов.Описаны виды расчётных сеток, используемые для расчёта рабочегопроцесса дизеля.
Также рассмотрено влияние неосисемметричной сетки нараспространение струй топлива. Показано, что использование декартовойсетки из-за параллельности оси струй диагонали контрольного объёма можетпривести к большой разнице в геометрии струй, и как следствие, в оценкетоксичности (1.5 и 1.3 раз для сажи и оксидов азота соответственно).Приведена математическая модель дробления и испарения капельтоплива.Проведён выбор модели турбулентности путём сравнения сэкспериментом по впрыску в бомбу, проводившимся в Rostock University и сэкспериментом, проводившимся на одноцилиндровой установке дизеляЧН26.5/31.
Рассмотрены модели k-ε и k-ζ-f (Рис. 1). Модель турбулентностисильно влияет на кинетическую энергию турбулентности, что приводит кразным значениям длины струи топлива. Распространение струй, в своюочередь,приводитксущественнымразличиямхарактеристик5тепловыделения и индикаторных диаграмм. Хорошее соответствие сэкспериментальными данными показывает модель турбулентности k-ζ-f.Рис. 1. Выбор модели турбулентностиПроведён выбор модели сгорания путём сравнения с экспериментом,проводившимся на одноцилиндровой установке дизеля ЧН26.5/31.Индикаторные диаграммы для моделей сгорания Магнусенна-Хартагера иТрёхзоннойрасширенноймодели когерентного пламени(ECFM-3Z) приведены наРис.
2. Параметр B моделисгоранияМагнусеннаХартагера практически невлияетнаскоростьтепловыделенияииндикаторнуюдиаграмму.Параметр смешения моделиECFM-3Z влияет на формукривойскоростиРис. 2. Выбор модели сгораниятепловыделенияисоответственно на индикаторную диаграмму. Наибольшее соответствие сэкспериментом достигается при использовании модели сгорания ECFM-3Z ипараметра смешения равного 0.6.Третья глава содержит расчетно-экспериментальное исследованиерабочего процесса среднеоборотного дизеля.Эксперимент проводился на ОАО «Коломенский завод» подруководством В.А. Рыжова при участии автора. Объектом исследованияявляется перспективный среднеоборотный дизель ЧН26,5/31 (ЭД500)производства ОАО «Коломенский завод», являющийся прототипом новогороссийского семейства двигателей для применения на флоте, железныхдорогах, в качестве резервного источника питания, в том числе на атомныхэлектростанциях.Экспериментальнаяустановка представляетсобой6одноцилиндровый среднеоборотный дизель 1ЧН26,5/31 (ЭД500) снагружающим устройством (асинхронный динамометр), системойуправления, блоком экологических измерений, фильтром твёрдых частиц исистемами, обеспечивающими работу дизеля.
Основные параметры дизеля:Номинальная мощность: 331 кВт при 1000 мин-1, цикловая подача наноминальном режиме: 2.28 г, степень сжатия: 15.5, число и диаметрсопловых отверстий распылителя: 8х0.45 мм. Были проведены испытания нарежимах номинальной мощности, 110, 75 и 50% мощности и холостого хода.Индикаторная диаграмма на режиме номинальной мощности представлена наРис. 3.Рис. 3.
Экспериментальные индикаторная диаграмма (p), давление передфорсункой (pf), скорость тепловыделения (DX)Для верификации модели распространения струи топлива проведёнрасчёт впрыска в бомбу с холодным воздухом (давление воздуха pa = 14, 50бар) и сравнение с экспериментом, проводившимся в Rostock University.Результаты сравнения приведены на Рис. 4. Видно, что параметр C2 моделиWAVE незначительно влияет на длину распространения струи топлива. Былапринята модель впрыска топлива WAVE и C2=11.Рис. 4. Экспериментальная и расчётная дальнобойность струи топлива взависимости от времени при впрыске в бомбу7На основе измеренной в эксперименте зависимости давления передфорсункой от угла поворота коленчатого вала рассчитана характеристикавпрыска, для чего использовался программный комплекс Injection Profile.Проведено нульмерное моделирование рабочего процесса впрограммном комплексе «Дизель-РК».
Из нульмерного расчёта полученыисходные данные для трёхмерного моделирования процессов сжатия исгорания (давление и температура начала сжатия); кроме того, нульмерныйрасчёт позволяет проверить правильность обработки экспериментальныхданных и получить начальные условия для режимов, для которых нетэкспериментальных данных.Для моделирования сектора камеры сгорания надо знать вихревоечисло Dn. Для верификации математической модели наполнения цилиндраиспользовались экспериментальные данные по стационарной проливкевпускного канала автомобильного двигателя, полученные A.
Chen, K.C. Lee,M. Yianneskis (King’s College London) и G. Ganti (Ford Motor CompanyLimited). Сравнение расчётных и экспериментальных эпюр скоростейпоказало хорошее совпадение (Рис. 6). Также была проведена верификацияматематической модели путём сравнения с экспериментом, проводившимсяBicen A.F., Vafidis C. и Whitelaw J.H. в Имперском колледже Лондона. Вданном эксперименте измерялась продувочная характеристика клапанногоканала при фиксированном перепаде давления. Результаты приведены наРис.
6. Из рисунка видно хорошее совпадение расчётной иэкспериментальной продувочных характеристик.Рис. 5. Сравнение расчётных и экспериментальных значений осевойкомпоненты скорости в плоскости, проходящей через ось клапанапри проливке канала (слева).Сравнение расчётной иэкспериментальной продувочных характеристик клапанногоканала (справа)Для определения вихревого числа Dn моделировалось течение вовпускном и выпускном каналах и цилиндре двигателя на тактах перекрытияклапанов, впуска и сжатия с учётом движения клапанов и поршня.
Числоконтрольных объёмов сетки составляло от 143 тыс. до 1.92 млн. взависимости от угла поворота коленчатого вала. Расчёт проводился с шагом8по углу поворота коленчатого вала 0.5 градуса. Использовалась модельтурбулентности k-ζ-f, гибридные пристеночные функции и стандартнаямодель теплообмена в пристеночном слое. На входе задано полное давлениеи температура воздуха (3.7471 бар и 336 К), а также параметрытурбулентности: кинетическая энергия турбулентности k = 5 м2/с2 и масштабтурбулентных пульсаций l = 0.01 м. На выходе задано статическое давление(3.13 бар). На остальных поверхностях задавались температуры и условияприлипания.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
