CC BY
21
УДК 621.436
ХАРАКТЕРНОЕ ВРЕМЯ ПЕРЕХОДНЫХ ПРОЦЕССОВ ПРИ НЕСТАЦИОНАРНОМ ТЕЧЕНИИ ГАЗОВ В КРУГЛЫХ КАНАЛАХ
Л.В. ПЛОТНИКОВ, Б.П. ЖИЛКИН, Ю.М. БРОДОВ, Н.И. ГРИГОРЬЕВ
ФГАОУ ВПО «УрФУ имени первого Президента России Б.Н. Ельцина»
(г. Екатеринбург)
Проведены экспериментальные исследования переходных процессов пульсирующих газовых потоков. Установлены характерные времена переходных процессов (время релаксации и время стабилизации). Показано применение данных критериев для идентификации степени нестационарности пульсирующего потока газа в выпускных каналах поршневых ДВС.
Ключевые слова: теплоэнергетика, нестационарное течение, время переходных процессов, поршневые ДВС, процесс выпуска.
Введение
Существует много различных энергетических машин и установок, в которых рабочий процесс происходит в пульсирующих режимах (в условиях газодинамической и тепловой нестационарности течения газов в их элементах), среди них: двигатели внутреннего сгорания, компрессоры, лопаточные машины и многие другие. При этом нестационарность существенно влияет на механизмы процессов переноса [1]. Для того чтобы оценить действительные технико-экономические показатели таких энергоустановок, производить расчет процессов, происходящих в них, а также эффективно управлять ими необходимы показатели, которые бы позволили однозначно определять степень нестационарности течения газов. На сегодняшний день в известной литературе таких характеристик не содержится. Поэтому актуальной задачей становится получение сведений об уровнях нестационарности процессов при пульсирующих течениях газов и разработка самих критериев, определяющих степень нестационарности. При этом, по мнению авторов, определяющей является гидродинамическая нестационарность. Исследование проведено при финансовой поддержке молодых ученых УрФУ в рамках реализации программы развития УрФУ.
В данной работе в качестве модельного процесса был выбран переходный процесс, характерный для газовоздушных каналов поршневых ДВС: восстановление течения, когда после паузы открывается клапан.
На рис. 1 показана схема экспериментальной установки. Воздух из компрессора 1 поступал в бак-ресивер 2, который был снабжен внутри выравнивающей решеткой для стабилизации течения. Далее воздух поступал в цилиндр - дутьевую камеру 3 (имеющую хонейкомб). Оттуда воздух подавался в исследуемый канал 4 общей длиной 1000 мм и диаметром 30 мм, в котором устанавливались датчики термоанемометра. Нестационарный (разгонный) режим течения в канале создавался с помощью перепускного клапана 5.
В опытном канале имелось 4 контрольных сечения на расстояниях от головки цилиндра: 11 = 150, 12 = 300, 13 = 600 и 14 = 900 мм. Более подробно конфигурация исследуемого канала и места установки датчиков термоанемометра показаны на рис. 2.
© Л.В. Плотников, Б.П. Жилкин, Ю.М. Бродов, Н.И. Григорьев Проблемы энергетики, 2013, № 5-6
камера; 4 - исследуемый канал; 5 - клапан перепускной
6 - датчик термоанемометра для измерения мгновенных значений средней скорости в канале
Для определения мгновенных значений скорости потока воздуха wх применялся термоанемометр постоянной температуры [2]. Чувствительным элементом датчиков термоанемометра была нихромовая нить диаметром 5 мкм и длиной 5 мм. Систематическая ошибка измерения скорости потока воздуха составляла 5,36 %.
Для сбора и обработки данных на базе аналого-цифрового преобразователя была создана автоматизированная система, передающая опытные данные в персональный компьютер.
Перед проведением опытов проводилась динамическая тарировка термоанемометра. Постоянная времени термоанемометра не превышала 3,5 мс и уменьшалась с увеличением скорости омывающего нить воздуха. Как показали дальнейшие опыты, такое быстродействие было достаточным во всем рабочем диапазоне скоростей потока воздуха, поскольку его постоянная времени на всех режимах была, как минимум, в пять раз меньше, чем время прохождения фронта пульсации. Это удовлетворяет всем требованиям, установленным для обработки аналоговых сигналов [3, 4]. Более подробно динамическая тарировка термоанемометра описана в работе [5].
Методика проведения опытов состояла в следующем. Запускался компрессор (см. рис. 1), следовала выдержка до выхода течения на стационарный режим, что контролировалось по термоанемометрам. При этом измерительная нить одного из термоанемометров находилась в середине канала, перпендикулярно движению потока в нем. А другая была установлена на расстоянии 0,2^ от стенки канала в таком же положении по движению потока. После чего перепускной клапан закрывался, и воздух сбрасывался в атмосферу, минуя исследуемый канал. Вновь осуществлялась выдержка до достижения стационарности потока. Далее клапан резко открывался, и воздух направлялся в исследуемый канал.
На рис. 3 показаны зависимости скорости потока воздуха wx в круглом канале от времени после открытия перепускного клапана и подачи воздуха в исследуемый канал. Данные зависимости построены при стационарном течении и средней скорости w = 20 м/с в контрольном сечении на расстоянии х = 300 мм от входа в канал. Подобные осциллограммы были получены для всех контрольных сечений при средних скоростях потока в канале 20 и 24 м/с.
0 0,0585 0,1170 0,1755 т,с 0,2340
Рис. 3. Зависимости мгновенной скорости wх потока газа в круглом канале от времени т:
--средняя скорость в канале;-----скорость около стенки канала
тр - время релаксации; тст - время стабилизации скорости потока газа; w - местная средняя скорость потока газа для х = 300 мм. Индексы 1 и 2 соответствуют средней скорости потока газа на оси и вблизи стенки канала соответственно
Установлено, что сразу после открытия перепускного клапана происходит резкий рост скорости воздуха, при этом ее значения на некоторое время превышают w (происходит так называемый «заброс скорости»). После этого скорость воздуха стабилизируется: ее мгновенные значения колеблются около среднего значения. Данные закономерности течения характерны для всех контрольных сечений и скоростей потока воздуха.
В результате опытов по зависимостям wx = / (т) (рис. 3) определялись два характерных времени: время релаксации течения тр (время восстановления вновь скорости потока) и время стабилизации течения тст. За время релаксации течения тр принимался временной промежуток до момента, когда скорость потока в канале впервые достигает исходной величины средней скорости w . А временем стабилизации тст течения после заброса скорости считалось время установления колебаний мгновенных значений скорости около среднего значения w. Таким образом, для каждого контрольного сечения получали два значения характерных времен релаксации: одни значения для потока по оси, другие - для течения вблизи стенки канала.
На рис. 4 показаны зависимости времени релаксации от длины канала для средних значений скорости потока воздуха 20 м/с.
--датчик по оси канала;-----датчик вблизи стенки канала
Из графиков на рис. 4 видно, что при этой скорости потока время релаксации тр монотонно возрастает с удалением контрольного сечения от входа в канал. Если при ¡1 = 150 мм Тр1 составляет 38 мс, то при 14 = 900 мм тр4 = 83 мс. Следует отметить, что время релаксации существенно превышает время прохождения звуковой волны от головки цилиндра до мест установки датчиков, которое составляет от 0,5 до 4,5 мс. Это, по нашему мнению, свидетельствует о существовании особых структурных условий стабилизации течения в подобных гидравлических системах. На вероятность этого же механизма указывает и небольшое различие (в пределах точности эксперимента) тр по оси и вблизи стенки канала.
При этом максимальные отличия значений тр, определяемые в центре канали и около его стенки, наблюдаются в контрольных сечениях, близких к входу в исследуемый канал и составляют до 10,0 % от трь Таким образом, можно сделать вывод о том, что если вынужденные пульсации потока газа в канале длиной до 150 мм были бы с периодом много меньшим, чем тр1 = 38 мс, то течение следовало бы характеризовать как течение с высокой степенью нестационарности. Это, по нашему мнению, свидетельствует о том, что переходный режим течения в каналах энергетической установки еще не завершился, а течение оказывается под воздействием очередного возмущения. И напротив, если пульсации течения были бы с периодом много большим, чем тр, то течение следовало бы считать квазистационарным (с низкой степенью нестационарности). В этом случае до возникновения возмущения переходный гидродинамический режим успевает завершиться, а течение выровняться. И наконец, в случае, если бы период пульсаций потока был близким к значению тр, то течение следовало бы характеризовать как нестационарное с нарастающей степенью нестационарности.
Установлено, что при w = 24 м/с уже не наблюдается монотонный рост времени тр по мере удаления контрольного сечения от входа в исследуемый канал. Вероятно, это связано с перестройкой течения в канале уже при этом, возросшем значении скорости.
Следует отметить, что с ростом w значения времен релаксации тр изменяются немонотонно. Так, с увеличением скорости с w =20 м/с до w = 24 м/с изменение тр для © Проблемы энергетики, 2013, № 5-6
контрольных сечений с 1 по 4 составляет, соответственно, + 17,5 %, - 31,0 %, + 10,7 %, - 36,3 %.
В качестве примера возможного использования предложенных для оценки характерных времен рассмотрено течение газа в выпускных каналах поршневых ДВС. Сначала обратимся к рис. 5, на котором изображены зависимости скорости потока воздуха wx от угла поворота коленчатого вала ф (рис. 5, а) и от времени т (рис. 5, б). Данные зависимости получены на натурной модели одноцилиндрового поршневого ДВС размерности 8,2/7,1 [6]. Из рисунка видно, что представление зависимости wx = / (ф) является малоинформативным, поскольку недостаточно точно отражает физическую сущность процессов, происходящих в выпускном канале. Однако именно в такой форме данные графики принято представлять в области двигателестроения. На наш взгляд, более корректно использовать для анализа временные зависимости
Wx = / (т).
Проанализируем зависимость wx = / (т) для п = 1500 мин- (рис. 6). Как видно, при данной частоте вращения коленчатого вала длительность всего процесса выпуска составляет 0,0271 с. Переходный гидродинамический процесс в выпускном канале начинается после открытия выпускного клапана. При этом можно выделить наиболее динамичный участок подъема (интервал времени, в течение которого происходит резкий рост скорости потока), длительность которого составляет 0,0063 с. После чего рост скорости потока сменяется его спадом. Как было показано ранее (рис. 4), для данной конфигурации гидравлической системы время релаксации составляет 0,035-0,038 с, т. е. значительно больше, чем продолжительность участка подъема. Таким образом следует считать, что начало выпуска (участок подъема) происходит с высокой степенью нестационарности.
, м/с
а)
м>х, м/с
б)
100
40
20
0
80
60
т, С
Рис.
0,000 0,050 0,100 0,150
5. Зависимости скорости потока воздуха wх в выпускном канале для разных частот вращения
коленчатого вала п: а) от угла поворота коленчатого вала ф; б) от времени т: 1 - п = 600 мин- ; 2 -
1500 мин-1; 3 - 3000 мин-1 на рис. 5, б вертикальными линиями показаны моменты открытия и
закрытия выпускного клапана: , м/с
100
75
■ - - 3000 мин-1
50
25
0
0 0,020 0,040 0,060 0,080
Рис. 6. зависимость скорости потока воздуха тх в выпускном канале от
-1
т, С
времени т при частоте вращения коленчатого вала 1500 мин-
О том же, по нашему мнению, свидетельствуют данные об ускорении потока в канале. Максимальные значения ускорений потока для рассматриваемой конфигурации выпускной системы достигают 40 000 м/с2 при частоте вращения коленчатого вала п = 1500 мин-1, тогда как для п = 3000 мин-1 эти значения достигают уже 50 000 м/с2. Примечательно, что величины ускорений потока всегда несколько выше, чем замедлений.
Таким образом, проведенное исследование показало, что характерные времена (время релаксации и время стабилизации) могут быть использованы в качестве критериев для оценки степени нестационарности газодинамических процессов в круглых каналах. Показана возможность применения данных критериев для
идентификации степени нестационарности пульсирующего течения газа в выпускных каналах поршневых ДВС.
Summary
Experimental studies of transient processes of pulsating gas flow have been carried out. Characteristic times of transition processes (the relaxation time and the time of stabilization) were installed. The application of these criteria to identify the degree of nonlinearity of the pulsating gas flow in the exhaust ports of piston internal combustion engines has been shown.
Keywords. Heat-power engineering, non-stationary flow, the transition processes, piston internal combustion engine, the release process.
Литература
1. Пригожин И. Неравновесная статистическая механика. М.: Мир, 1964. 314 с.
2. Пат. 81338 RU, МПК G01P5/12. Термоанемометр постоянной температуры / С. Н. Плохов, Л. В. Плотников, Б. П. Жилкин № 2008135775/22; заявл. 03.09.2008; опубл. 10.03.2009 Бюл. №7.
3. Тревис Дж. LabVIEW для всех / Джеффри Тревис: Пер. с англ. Клушин Н.А. - М.: ДМК Пресс; я прибор Комплект, 2005. 544 с.
4. Густав Олссон, Джангуидо Пиани. Цифровые системы автоматизации и управления. - Спб.: Невский Диалект, 2001. - 557 с.
5. Плотников Л. В. Газодинамика и локальная теплоотдача во впускной системе поршневого ДВС: дис. канд. техн. наук: 01.04.14, 05.04.02: защищена 22.05.09: утв. 18.09.09. Екатеринбург, 2009. 158 с.
6. Экспериментальное исследование газодинамических процессов в системе впуска поршневого ДВС / Б. П. Жилкин, Л. В. Плотников, С. А. Корж, И. Д. Ларионов // Двигателестроение. 2009. №1. С. 24-27.
Поступила в редакцию 28 мая 2013 г.
Плотников Леонид Валерьевич - канд. техн. наук, доцент кафедры «Турбины и двигатели» Уральского федерального университета имени первого Президента России Б.Н. Ельцина (УрФУ). Тел.: 8 (922) 2916450. E-mail: plotnikovlv@mail.ru.
Жилкин Борис Прокопьевич - д-р физ.-мат. наук, профессор кафедры «Теоретическая теплотехника» Уральского федерального университета имени первого Президента России Б.Н. Ельцина (УрФУ). Тел.: 8 (912) 22404028. E-mail: tot@ustu.ru.
Бродов Юрий Миронович - д-р. техн. наук, директор Уральского энергетического института, зав. кафедрой турбин и двигателей. Уральского федерального университета имени первого Президента России Б.Н. Ельцина (УрФУ). Тел.: 8 (343) 375-48-51. E-mail: turbine66@mail.ru.
Григорьев Никита Игоревич - аспирант кафедры «Теоретическая теплотехника» Уральского энергетического института, зав. кафедрой турбин и двигателей. Уральского федерального университета имени первого Президента России Б.Н. Ельцина (УрФУ). Тел.: 8 (965) 535-65-46. Email: gepebola3@mail.ru.
