CC BY
161
УДК 621.432.3
ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ ПРЕДВАРИТЕЛЬНОЙ ЗАКРУТКИ ПОТОКА НА ХАРАКТЕРИСТИКИ АВИАЦИОННОГО ПОРШНЕВОГО ДВИГАТЕЛЯ
А.И. Ланшин, Л.А. Финкельберг, А.Н. Костюченков, А.А. Зеленцов, М.А. Баканов
В статье рассматриваются вопросы модернизации существующих авиационных поршневых двигателей на основе современных расчетных методик и технологий. Проведено численное исследование трехмерного турбулентного движения во внутреннем объеме цилиндра двигателя с учетом движения поршня и клапанов. Определено влияние закрутки свежего заряда при впуске на эффективные и экологические параметры работы двигателя М9ФВ, проведена оценка тепловых нагрузок на детали камеры сгорания. Даются практические рекомендации по интенсификации вихревого движения заряда, указывается целесообразность организации закрутки потока
Ключевые слова: двигатель, турбулизация, теплообмен
Введение
Данная статья посвящена оценке влияния закрутки потока при впуске на эффективные и экологические характеристики авиационного двигателя М9ФВ разработки Воронежского механического завода (ВМЗ). Это девятицилиндровый звездообразный двигатель воздушного охлаждения с приводным центробежным нагнетателем.
Обозначенная в данной статье задача решается в трехмерной постановке при использовании численного метода контрольных объемов (КО), при этом интегрирование дифференциальных уравнений осуществляется с применением усовершенствованного алгоритма SIMPLE.
Описание математической модели
Решение предусматривает определение локальных параметров газа во всей расчетной области, которые представляются в виде суммы осред-ненной и пульсационной составляющей. Такое представление параметров приводит к тому, что система уравнений Навье-Стокса преобразуется в незамкнутую систему уравнений Рейнольдса, для замыкания которой требуется введение дополнительных математических соотношений, называемых моделями турбулентности. В данном случае используется форма k -е модель турбулентности, которая является одной из наиболее распространенных [1].
Для корректного описания потоков в областях с низкими числами Рейнольдса, например, вблизи твердых поверхностей, уравнения модели турбулентности дополняются пристеночными функциями. В данной работе использовались так называе-
Ланшин Александр Игоревич - ЦИАМ, д-р техн. наук, начальник отделения, e-mail: lanshin@ciam.ru Финкельберг Лев Аронович - ЦИАМ, канд. техн. наук, начальник отдела, e-mail: piston@ciam.ru Костюченков Александр Николаевич - ЦИАМ, начальник сектора, e-mail: piston@ciam.ru Зеленцов Андрей Александрович - ЦИАМ, канд. техн. наук, научный сотрудник, e-mail: piston@ciam.ru Баканов Михаил Анатольевич - ВМЗ, Главный конструктор авиатехники, тел. (473) 234-81-33
мые гибридные пристеночные функции, разработанные М. Ророуас, К. НащаНс [2, 3].
Для описания процесса сгорания топливо -воздушной смеси используется модель Б. Магнус-сена и Б. Хартагера [4]. Горючая смесь согласно этой модели состоит, в общем случае, из топлива, кислорода, продуктов сгорания и инертных газов (азота), причем массы этих фракций, обозначаемые через т,то ,шпрсг и шы соответственно, должны
быть рассчитаны.
В результате средняя скорость реакции сгорания топлива записывается в следующем виде:
B . mO1 mпр.сг.
wr =—pmin(mr,-, C-
L
1+L
(1)
-'0 * 1 -^0
где Ь0 -массовое стехиометрическое количество воздуха; т = к - масштаб времени турбулентно-
го перемешивания; В и С - эмпирические коэффициенты, учитывающее влияние турбулентности и параметров топлива на скорость химической реакции. Последние в каждом конкретном случае требуют изменения в соответствии с экспериментальными данными сгорания. В данной работе определение этих коэффициентов осуществляется на основе индикаторной диаграммы двигателя.
Термический механизм окисления азота впервые был описан Я.Б. Зельдовичем [5]:
к1У
N + о « N0 + N (2)
2 кт
k2V
N + O2 « NO + O,
2 k2R
(3)
где кл¥ - константа скорости прямой реакции, клЯ - обратной.
Предложенный в 1946 г. механизм образования N0 был расширен затем Б.Ь. Баи1сЬ и др. [6, 7], а также О.Л. Ьауо1 и др. [8] за счет включения дополнительной реакции с участием радикала ОН:
к ЗУ
N + ОН « N0 + Н , (4)
к ЗЯ
)
В результате система уравнений реакций (2), (3) и (4) образует так называемый «расширенный механизм Зельдовича».
Первым этапом расчета является создание трехмерной модели цилиндра двигателя М9ФВ. После создания ЗБ модели производится ее разбивка на контрольные объемы (КО) - генерация расчетной сетки с подвижным элементом - поршнем.
В процессе движения поршня расчетная область подвергается многократному переразбиению на КО (каждые 10° ПКВ), разбиения для промежуточных значений углов создаются деформированием КО в направлении оси цилиндра.
Сетка состоит преимущественно из гексагональных объемов-ячеек. Максимальный размер
ячеек изменяется от 0.5 мм (область головки цилиндра) до 4 мм, количество ячеек от 28024 (начало сжатия) до 8667 ячеек (ВМТ).
Расчетные исследования
Начальные условия (температура и давление в цилиндре двигателя), а также граничные условия (температуры на поверхностях впускного трубопровода, клапана, огневого днища поршня, внутренней поверхности гильзы и на головке цилиндра) для трехмерного расчета в программном комплексе СГБ задавались по техническим данным двигателя, а также по результатам предварительных расчетов с применением 0-мерной модели рабочего процесса.
Определение достоверности результатов трехмерного моделирования процессов наполнения, сгорания и нестационарного теплообмена в цилиндре исследуемого двигателя осуществлялось по осредненным значениям параметров. При этом было проведено сравнение индикаторных диаграмм исследуемого двигателя на режиме максимальной мощности, полученных в результате расчета по 0-мерной модели и трехмерного расчета. Величины констант модели сгорания Магнус-сена-Хартагера составили: 5=11, С=0.5.
На режиме "Взлетный" (N6 = 268 кВт, п = 2800 -к
мин ) погрешность в определении максимального давления цикла составила 0,03МПа или 0,5%. При этом, несовпадение по углу максимального давления составляет 2° угла ПКВ, что является приемлемой величиной (рис. 1).
Интенсификация движения свежего заряда в двигателях с воспламенением от электрической искры реализуется путем закрутки заряда в вертикальной плоскости и горизонтальной плоскостях. Интенсивность вихря оценивается следующим соп
отношением: Т = —-, где Тп - вихревое число, пв -п
частота вращения воздушного вихря в цилиндре двигателя, п - частота вращения коленчатого вала [1].
В рамках проведенных исследований необходимо выяснить степень влияния вихревого движения заряда на процессы в камере сгорания двигате-
ля М9ФВ. В работе рассматриваются следующие значения Тп: 0,5; 1; 1,5; 2. Углы опережения зажигания для двух свечей: фОЗ= -25° ПКВ до ВМТ, расчеты ведутся для случая подачи в цилиндр двигателя гомогенной смеси.
При моделировании закрутки потока в качестве расчетной области выступает цилиндр двигателя с подвижной границей - огневым днищем поршня. В качестве исходного принимается ф = 580° угла ПКВ , при котором задается начальное значение интенсивности вихревого движения (вихревого числа) гомогенной смеси.
Рис. 1. Индикаторные диаграммы, полученные при работе двигателя М9ФВ на режиме «Взлетный» при различных значениях вихревого числа Тп
Из рис. 1 заметно значительное влияние вихревого движения в КС на максимальное давление цикла и угол, при котором это давление достигается. Так, величина р2 при увеличении Тп от 0,5 до 2 меняется более чем в 2,5 раза - от 2,2106 МПа до 6,012 МПа. Угол максимального давления при уменьшении Тп смещается за ВМТ.
На рис. 2 представлена зависимость осред-ненной по камере сгорания кинетической энергии турбулентности к, позволяющей оценить энергию турбулентного движения газа в цилиндре. Как и ожидалось, вихревое число оказывает определяющее влияние на данный параметр, что находит свое отражение в более чем 6-ти кратном росте максимального значения к при изменении Тп от 0,5 до 2.
Рис. 2. Осредненная по камере сгорания кинетическая энергия турбулентности при работе двигателя М9ФВ на режиме «Взлетный» при различных значениях вихревого числа Тп
Более интенсивное движение рабочего тела в камере сгорания способствует турбулизации процесса горения и более быстрому распространению фронта пламени по объему камеры сгорания, что приводит к увеличению скоростей тепловыделения (рис. 3), а также смещению их максимальных значений к ВМТ.
С точки зрения эффективности рабочего процесса предпочтительным является такой процесс, при котором максимум тепловыделения расположен вблизи ВМТ. Данному критерию удовлетворяет рабочий процесс при Тп = 2. В этом случае уже при ф = 730° угла ПКВ в камере сгорания происходит практически полное сгорание топлива. В этом случае эффективная мощность двигателя оказывается максимальной из всех рассмотренных вариантов и достигает 416 л. с.
кальной плоскости цилиндра исследуемого двигателя дано на рис. 5, 6.
град. ПКВ
Рис. 3. Скорость тепловыделения при работе двигателя М9ФВ на режиме «Взлетный» при различных значениях вихревого числа Тп
Однако рост интенсивности тепловыделения приводит и к росту тепловых нагрузок на детали камеры сгорания двигателя. На рис. 4 показана зависимость осредненного по тепловоспринимающим поверхностям секундного количества теплоты Qw в стенки камеры сгорания от угла ПКВ для различных значений вихревого числа. Необходимо отметить, что максимальные значения Qw, которые достигаются при Тп = 2 = 57500 Вт) сравнимы с
аналогичными величинами, полученными в ходе расчета процессов теплообмена в исследуемом двигателе при учете существующей впускной системы = 54500 Вт).
Сравнение локальных тепловых потоков для расчетов с учетом впускного тракта двигателя и без его учета при Тп=2, позволяет сделать вывод о некотором повышении теплоотдачи на огневом днище поршня, что объясняется более интенсивным движением рабочего тела в этой области.
Сравнение результатов расчетов эффективных параметров двигателя при различных значениях интенсивности вихревого движения потока в верти-
♦ ♦ ♦ Ти = 1 0 Тп = 2 0 вм т
1
' г
град. ПКВ
Рис. 4. Осредненный по поверхности КС секундный тепловой поток в стенки камеры сгорания, полученный при работе двигателя М9ФВ на режиме «Взлетный» при различных значениях вихревого числа Тп
*-*-* Максимальное давление цикла, Рг Суммарные выбросы №Эх
^ • *
Викревое число Тп, [-]
Рис. 5. Зависимость максимального давления цикла р2 и концентрации оксидов азота [N0*] в продуктах сгорания от величины вихревого числа Тп
Викревое число Тп, [-]
Рис. 6. Зависимость среднего эффективного давления ре и эффективной мощности Ne от величины вихревого числа Тп
Варианты конструктивных изменений для организации вихревого движения в КС
В ходе расчетов определенно, что для значительного повышения мощности двигателя необходимо увеличение турбулентности воздушнотопливного заряда. Для увеличения турбулизации смеси возможно применение на двигателе различных конструктивных мер.
Воздушные вихри могут быть созданы применением «заширмленных» клапанов, а также использованием тангенциальных и винтовых впускных каналов. Для повышения вихревого числа в двигателе также применяют камеры сгорания специальной формы.
На рис. 7 а показана шатровая камера сгорания с завихрителем и однорядным расположением клапанов, а на рис. 7 б - клиновая камера сгорания. При переходе на автомобильном двигателе от клиновой камеры сгорания к камере сгорания с осевым вихрем (рис. 7 в), удалось снизить октановое число применяемого бензина на 4...5 единиц. Это позволило уменьшить степень сжатия с 11 до 10 и получить при этом хорошие результаты. В частности, значительно снизилась флуктуация процессов сгорания.
a) б) в)
Рис. 7. Камеры сгорания: а) шатровая, б) клиновая, в) с осевым вихрем
Заключение
В ходе работы сформулирована математическая модель рабочего процесса авиационного поршневого двигателя на основе фундаментальных трехмерных уравнений нестационарного переноса количества движения (Навье-Стокса), энергии, концентрации и массы с учетом химической кинетики.
Для повышения эффективности рабочего процесса двигателя М-9ФВ целесообразно интенсифицировать вихревое движение рабочего тела в цилиндре двигателя. Так, для вихревого числа Тп= 2, при незначительной разнице по величинам тепловых потоков в стенки камеры сгорания шах =
Центральный институт авиационного моторостроения Воронежский механический завод (филиал
производственного центра им. М.В. Хруничева)
54500 Вт в существующем варианте и Qw max = 57500 Вт с интенсификацией вихревого движения) достигается, как показывают расчеты, существенный рост эффективных показателей двигателя (от Ne = 266,39 кВт=362 л.с. до Ne = 306,09 кВт=416 л. с. соответственно).
Существенное влияние величины вихревого числа (интенсивности закрутки потока) на внутри-цилиндровые процессы, особенно на турбулентное сгорание, в рассматриваемом двигателе подтверждает необходимость разработки и испытания конструктивных средств, обеспечивающих требуемую интенсивность вихревого движения свежего заряда.
Литература
1. Кавтарадзе Р.З. Теория поршневых двигателей. Специальные главы. - М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2008. - 719 с.
2. Hanjalic K., Popovac M., Hadziabdic M. A Robust near-wall elliptic-relaxation eddy-viscosity turbulence model for CFD // Int. J. Heat Fluid Flow, №25, 2004. - pp. 897 -901.
3. Popovac M., Hanjalic K. Compound Wall Treatment for RANS Computation of Complex Turbulent Flow // Proc. 3rd M.I.T. Conference, Boston, USA, 2005. - pp. 1 -28.
4. Magnussen B.F., Hjertager B.H. On mathematical models of turbulent combustion with special emphasis on soot formation and combustion. 16-th International Symposium on Combustion. Cambrige, 1976. P. 719-729.
5. Зельдович Я.Б., Садовников П.Я., Франк-Камененцкий Д. А. Окисление азота при горении. - М., Л: Изд-во АН СССР, 1947. -148 с.
6. High Temperature Reaction Rate Data/Baulch D.L., Drysdale D.D., Horne D.D., Lloyd A.C. // Rep. University of Leeds Report. -1969. -№4.-P.156.
7. Compilation of rate data for combustion modeling/ Baulch D.L., Cobos C.I., Cox A.M. et all.// Supplement I.J. Phys. Chem.-1991.- Ref. Data 22, №847.- P.226.
8. Lavoi G.A., Heywood J.B., Keck J.C. Experimental and Theoretical Study of Nitric Oxide Formation in Internal Combustion Engines//Combustion Science and Technology. - 1970.-Vol.1.- P.313-326.
им. П. И. Баранова, г. Москва Государственного космического научно-
INVESTIGATION OF INLET FLOW SWIRL INFLUENCE ON THE GASOLINE AVIATION
PISTON ENGINE CHARACTERISTICS
A.I. Lanshin, L.A. Finkelberg, A.N. Kostuchenkov, A.A. Zelentsov, M.A. Bakanov
Problems of upgrading of existing aircraft piston engines with use of modern computational techniques are discussed in paper. Computational investigation of three-dimensional turbulent flows in internal volume of piston engine are carried out in case of moving piston and intake valves. The influence of swirl intensity on efficient and ecological parameters of aircraft engine M9FV is evaluated, and then estimate of heat stress in combustion chambers details is carried out. The practical recommendations of swirl motion intensification are given, and suitability of swirl initiation is specified Key words: engine, turbulence, heat exchange
