Диссертация (1026340), страница 11
Текст из файла (страница 11)
Индикаторные диаграммы при разных значениях параметра E1модели испарения капель топлива ДуховицаРис. 3.12. Скорости тепловыделения при разных значениях параметра E1863.4. Расчёт процесса впуска дизеля ЧН26,5/31Как было отмечено в главе 2, для расчётного получения вихревого числаможно использовать моделирование статической продувки крышки цилиндралибо моделирование процессов впуска и сжатия с движением поршня иклапанов. Второй способ отличается большей трудоёмкостью, однако болееточно моделирует процессы в двигателе, поэтому решено было использоватьего.В дизелях, как правило, рассматривают горизонтальный воздушныйвихрь (swirl).
Интенсивность горизонтального вихря характеризуется вихревымчисломDn,котороеопределяетсякакотношениечастотывращениягоризонтального воздушного вихря nв к частоте вращения коленчатого вала n:Uö =öвö.(3.1)Вихревое число также может быть определено через отношениетангенциальной скорости движения заряда cu к аксиальной ca [6]: Uс =через крутящий момент вихря M: UB =BoYâX%é%Aи, где R – радиус цилиндра, 7 –плотность и WX – массовый расход продувочного воздуха.В работе В.Р. Гальговского [125] для количественного описаниявихревого движения воздуха используется циркуляция скорости:[[[\ ¡\.ΓC = ∮ä MДля квазитвёрдого движения с угловой скоростью íв =по окружности радиуса r: ΓC = 2=f íв ."öвCÈ(3.2)циркуляция3.4.1. Верификация математической модели продувки впускного каналаДля верификации математической модели продувки впускного каналабыли проведены сравнение поля скоростей и продувочной характеристики сопубликованными экспериментальными данными.Верификациясравнениемполяскоростей.Дляверификацииматематической модели процесса впуска путём сравнения поля скоростей87использовались данные, полученные A.
Chen, K.C. Lee, M. Yianneskis (Centrefor Heat Transfer and Fluid Flow Measurement, Department of MechanicalEngineering, King’s College London) и G. Ganti (Ford Motor Company Limited,Research and Engineering Centre) [129]. В данном эксперименте проводилосьизмерение полей скорости методом лазерной доплеровской анемометрии (LDA)при стационарной проливке модели впускного канала двигателя с диаметромцилиндра D = 93.65 мм.Основные размеры приведены на Рис.
3.13., подъём клапана составлял 6мм. Все детали были выполнены из прозрачного акрилового пластика. Так какдля LDA важно равенство показателей преломления деталей и жидкости,проливка осуществлялась смесью скипидара и тетралина (с объёмнымотношением 69.2:30.8), показатель преломления которой равен индексупреломления пластика при 25̊С. Плотность и кинематическая вязкость смеси:894 кг·м-3 и 1.71·10-6 м2·с-1, соответственно; массовый расход: 1.379 кг/с.Рис. 3.13. Канал для проливки, использовавшийся в [129]Расчётная контрольнообъёмная сетка (Рис. 3.14) состоит из 335 тыс. ячеек(преимущественно кубических) размером от 0.25 до 4 мм. Длина цилиндравзята равной 2.5D.88Рис. 3.14.
Контрольнообъёмная сетка для моделирования проливки каналаПроводился расчёт методом контрольных объёмов с использованиеммодели турбулентности k-ζ-f, гибридных пристеночных функций и стандартноймоделитеплообменавпристеночномслое.Решаласьнестационарнаяизотермическая задача с шагом по времени 10 мс.При использовании центрального дифференцирования для уравненийколичества движения и неразрывности устанавливается стационарное течение,что не соответствует известным данным о наличии вихрей при впуске вцилиндр.
Поэтому был проведён расчёт со схемой MINMOD Relax дляуравнения количества движения; результаты показали наличие пульсаций.Результаты (поля скоростей и линии тока) приведены на Рис. 3.15 – 3.16. Изрисунков видно хорошее соответствие расчёта и эксперимента.89Рис. 3.15. Расчётные и экспериментальные значения осевой компонентыскорости в плоскости, проходящей через ось клапана (нарасстоянии 5, 10, 25 и 40 мм от крышки цилиндра), слева:центральная схема дифференцирования для уравнения количествадвижения, справа: MINMOD RelaxРис.
3.16. Результаты моделирования статической проливки: слева – вектораскорости(чернымистрелкамипоказаныэкспериментальныеданные); справа – линии токаВерификация сравнением продувочной характеристики. Также былопроведена верификация математической модели путём сравнения продувочнойхарактеристики клапана с данными эксперимента, проведённого Bicen A.F.,90Vafidis C. и Whitelaw J.H. в Имперском колледже Лондона [130].
Вэксперименте исследовалась зависимость расхода воздуха от хода клапана приразных значениях перепада давления. Схема установки приведена на Рис. 3.17.Рис. 3.17. Схема установкиРасчёт проводился методом контрольных объёмов с использованиеммодели турбулентности k-ζ-f, гибридных пристеночных функций и стандартноймоделитеплообменавпристеночномслое.Решаласьнестационарнаяизотермическая задача.
Шаг по времени выбран равным 5 мс. В качествеграничных условий заданы полное давление на впуске и статическое давлениена выпуске (перепад давления взят по эксперименту: 960.8 Па).Дляисследования сеточной сходимости проведено моделирование насетках с числом контрольных объёмов от 0.61 до 16 млн. (Рис.
3.17). Видно, чторасход воздуха практически не зависит от размера сетки. Для дальнейшихрасчётов используется контрольнообъёмная сетка, состоящая из 1,67 млн. ячеек(преимущественно кубических) размером от 0.04 до 5 мм (Рис. 3.18).91Рис. 3.17. Зависимость расхода воздуха от числа контрольных объёмоврасчётной сеткиРис. 3.18. Контрольнообъёмная сетка для высоты подъёма клапана 8.5 ммВ результате моделирования получена продувочная характеристикаклапанного канала, представленная на Рис. 3.19. Из рисунка видно хорошеесоответствие расчёта и эксперимента.92Рис.
3.19. Сравнение расчётной и экспериментальной продувочныххарактеристик клапанного канала при перепаде давления100 мм.водн.ст. (960.8 Па)3.4.2. Расчёт процесса впуска дизеля ЧН26,5/31 на режиме номинальноймощностиДля расчёта впуска использовалась геометрия камеры сгорания свпускными и выпускными каналами [126, 127, 128]. Расчёт проводился,начиная с открытия впускных клапанов (20 градусов до НМТ) до ВМТсгорания. При построении сетке и моделировании рабочего процессапринимается, что клапана открываются позже и закрываются раньше, чем вдействительности во избежание слишком узкого канала в клапанной щели(менее 0.5 мм) (Таблица 15).
Для построения сетки использовался инструментFAME Engine Plus. Первоначально загружается поверхность в формате STL(Рис. 3.12 слева), содержащая геометрию с четырьмя клапанами (длямоделирования течения при открытых впускных и выпускных клапанах). Далеена ней задаются области для моделирования движения клапанов и поршня(подвижнаяповерхность,буфернаяповерхностьиповерхность,ограничивающая движение; для поршня на Рис. 3.20 справа: P_moving, P_buffer93и P_non_moving – соответственно), области для задания граничных условий(вход, выход, поверхности каналов, втулка, сёдла клапанов и другие), областидля измельчения контрольнообъёмной сетки.
Поверхности для построениясетки при закрытых впускных/ выпускных и всех клапанах могут бытьполучены из поверхности со всеми клапанами, либо загружаются из системытвердотельного моделирования (в этом случае необходимо заново задатьповерхности).Рис. 3.20.
Поверхность в формате STL (слева), поверхностная сетка снекоторымиповерхностями для задания граничных условий идвижения поршня (справа)Таблица 15.Действительные и расчётные фазы газораспределенияВпускВыпускПослеУПКВ, градусовДействительныйРасчётныйначало, до НМТ3420окончание, после НМТ3020начало, до НМТ54-окончание, после ВМТ4025подготовкигеометрииповерхностизадаютсяпараметрыпостроения сетки: частота перестроения и деформирования (каждые десять ипять градусов УПКВ, соответственно), её движение (движение поршнязадавалось через ход поршня и длину шатуна (также возможно заданиедезаксиала); клапанов – в табличном виде), максимальный размер ячейки94(Таблица16).Такжезадаётсяизмельчениесеткинаповерхностях,дополнительное измельчение в районах со сложной геометрией и вблизи сёделклапанов (в четыре раза).
Контрольно-объёмная сетка для двух положенийколенчатого вала представлена на Рис. 3.21-3.22. Контрольные объёмыпреимущественно кубические (призматические и другие ячейки используютсядля связи кубических ячеек разных размеров). Сетка содержит от 143 тыс. до1.92 млн. контрольных объёмов в зависимости от угла поворота коленчатоговала.Таблица 16.Максимальный размер ячейки в зависимости от УПКВПерекрытие клапановВпускСжатиеИнтервал УПКВМаксимальный размерячейкиградусовмм340-3856385-552.54552.5-5606560-7208Рис.
3.21. Контрольнообъёмная сетка при УПКВ 370 градусов. 621 тыс. КО95Рис. 3.22. Контрольнообъёмная сетка при УПКВ 500 градусов. 1.86 млн. КОДалее проводился расчёт с шагом по УПКВ 0.5 градуса. Использоваласьмодель турбулентности k-ζ-f, гибридные пристеночные функции и стандартнаямодель теплообмена в пристеночном слое.На входе задано полное давление (3.7471 бар) и температура (336 К)воздуха,атакжепараметрытурбулентности:кинетическаяэнергиятурбулентности k = 5 м2/с2 и масштаб турбулентных пульсаций l = 0.01 м. Навыходе задано полное давление (3.1293 бар). На остальных поверхностяхзадавались температуры и условия прилипания. Граничные условия неменяются по углу поворота коленчатого вала.
В качестве начальных условийзаданы давление, температура и параметры турбулентности (Таблица 17).Начальные и граничные условия получены по экспериментальным данным(начальные условия в каналах, давление на выходе из выпускного канала), атакже по результатам нульмерного моделирования рабочего процесса(температуры деталей камеры сгорания, начальные условия в цилиндре).96Таблица 17.Начальные условия для расчёта процесса впускаЦилиндрВпускной каналВыпускной каналДавление, бар3.213.74713.1293Температура, К757336843k, м2/с2101010lt, м0.010.010.01В качестве критериев сходимости заданы невязки по давлению иколичеству движения 5·10-3, максимальное число итераций: 60.В результате расчёта получены поля температур давлений и скоростей.Эпюры тангенциальных скоростей представлены на рис 3.23, линии тока дляразных УПКВ – на Рис.
3.24. Расчёт занимает около 20 часов (4-х ядерныйпроцессор Intel Core i5, 3.4 GHz; 16 ГБ ОЗУ).Рис. 3.23. Эпюры тангенциальных скоростей при УПКВ 20 градусов до ВМТ ив ВМТ. Черная линия – осреднение по высоте, серая – на расстоянии4 мм от крышки цилиндра, тонкая – посчитанная по Dn97Рис. 3.24. Линии тока при разных УПКВ: а – 10 до ВМТ (открыты впускные ивыпускные клапаны), б – 30 после ВМТ (открыты впускныеклапаны), в – 40 до НМТ (открыты впускные клапаны), г – 30 послеНМТ (закрыты впускные и выпускные клапаны), д – ВМТИзменение вихревого числа Dn и расхода воздуха (G) по УПКВпредставлено на Рис. 3.25.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
