CC BY
0
Косвенное определение дисперсности распыленного топлива по геометрии зоны пятна смачивания
В.В. Бараниченко, В.И. Грищенко, Д.С. Цымбалов, О.В. Яценко
Донской государственный технический университет, г. Ростов-на-Дону
Аннотация: Разработана программа компьютерной имитации распыливания жидких топлив. Проведен специальный калибрующий эксперимент в гравитационном поле. Выполнена верификация компьютерной модели с экспериментальными данными, корректность имитационного моделирования определяется сходимостью результатов статического обобщения. Проведены испытания макетного образца горелочного устройства, подтверждающие адекватность компьютерной имитации. Ключевые слова: горелочное устройство, распыливание жидких топлив, математическое моделирование, динамика диспергирования топливной струи, форсунка.
Качественное горение в горелочном устройстве (ГУ) обеспечивается в т.ч. должным распыливанием дизельного топлива и его равномерным перемешиванием с подаваемым воздухом. Показателем качества распыливания служит мелкость (средний диаметр) капель <0>. Достаточной является мелкость <0>, гарантирующая испарение капли за время пребывания ее в зоне горения. Отсюда, увеличение качества распыливания добивается уменьшением среднего диаметра капли, что повышает качество горения.
Эксперименты, связанные с определением качества распыливания форсуночного устройства, зачастую требуют крупных финансовых вложений [1]. Наиболее точным из них является метод определения мелкости распыливания с использованием современных лазерных анализаторов размера частиц распыления [2].
С целью уменьшения затрат для выявления связи между характерным диаметром распыла <0> и качеством горения топливно-воздушной смеси (ТВС) в ГУ для определения эффективных коэффициентов межфазного переноса в интегрированной имитационной модели спланирован
специальный калибрующий эксперимент. Идея эксперимента состоит в сопоставлении динамики реального (холодного, без поджига) топливного факела с результатами множественной компьютерной имитации. Последняя предполагает расчет индивидуальной динамики большого числа капель распыленного жидкого топлива в гравитационном поле.
В процессе конструирования модели распыла и динамики диспергированной топливной струи в гравитационном поле подбирались некоторые параметры и соотношения [3], обеспечивающие качественное согласие результата с данными непосредственного диспергационно-гравитационного эксперимента (рис. 1).
Рис. 1. - Вид области осаждения (пятна) жидкости, распыленной пульверизатором с высоты 1 м в горизонтальном направлении (слева) и смоделированной на основе уравнений (справа)
Множественные результаты непосредственной компьютерной симуляции допускают статистическое обобщение. Для этого необходимо ввести новые переменные в зоне осаждения - г = (х2 + 22)1/2 и ф = arctg 2/х. Затем для набора 10, 30, 100, 300, 1000, ... 100000 капель выполняется расчет координат их падения (г, ф). Начальные параметры капли и ее траектории выбираются случайным образом в рамках принимаемых на основе данных рис. 1 ограничений [4-6].
Для диаметра вылетающей капли:
и
= 1 - е-&<*>)П
(1)
где п = 3; для начальных углов вылета Р и у:
(2)
для абсолютной (модуля) начальной скорости | К0|:
VI = Ф(|<^>|, Р, у ) * Ф(|<М) = 10-1 + 3'СЧ(0-Л) м/с
(3)
где <0> - характерный диаметр капли, случайно выбираемый из диапазона 1 ^ 1000 мкм; Р и у - случайно выбираемые угловые отклонения в вертикальной и горизонтальной плоскости в диапазоне заданной конусности распыла - ^ а.
Множественные результаты имитационного эксперимента обобщались при помощи соотношений:
^ г = А + В ^ 0 + С ^ |<К0>| + Э ^ |а| , (4)
1в ф = Е + F 1в 0 + G 1в |<К0>| + Н ^ |а| , (5)
в которых г - расстояние от точки старта до точки падения капли в горизонтальной плоскости; ф - угловое отклонение траектории капли от вертикальной плоскости; А, В, С, Э, Е, ^ О, Н - параметры обобщенной модели динамики распыленного в воздухе ДТ.
Для определения последних использовалась последовательность 100000 имитационных экспериментов, результаты которых обрабатывались в рамках последовательно удлиняемых выборок. В рамках метода
и
многофакторного анализа определение А, В, С, О, Е, К, О, Н сводится к задаче математического программирования [7]
I [1В г, - (А + В 0, + С 1в |<Ко>|г + О |а|,)]2 ^ min I [1В г, - (Е + К 1в 0, + О 1в |<Ко>|г + Н 1в |а|,)]2 ^ min
где I = 0, ... I - номер опыта и их число соответственно. Задача сводится к системе линейных уравнений:
(6) (7)
О корректности представления данных прямой имитации посредством формул (6)-(7) позволяет судить сходимость последовательности коэффициентов {А, В, С, О, Е, К, О, Н}№ в которой N - число учтенных индивидуальных траекторий (табл. 1). Другим критерием качества этих аппроксимирующих формул служит их коррелированность с исходными данными и мера относительной погрешности при различном числе «опытов» N. Соответствующие параметры качества модели (4)-(5) составляют 0.91 для коэффициента корреляции и 0.14 (или примерно 40 %) для среднеквадратичной погрешности, что означает практическую
М Инженерный вестник Дона, №12 (2023) ivdon.ru/ru/magazine/arcliive/nl2y2023/8869
возможность надежно определять мелкость распыливания струи по плотности распределения пятна оседания.
Таблица №1
Сходимость результатов статистического обобщения (4)-(5) в зависимости
от числа испытаний
I 10 30 100 300 1000 3000 10000
А -1,96275 -2,04004 -2,05276 -2,12691 -2,19647 -2,17888 -2,18331
В 1,004491 1,046139 1,095796 1,010833 0,991038 1,005149 0,996117
С 0,735549 0,790535 0,737026 0,726814 0,733491 0,73876 0,737453
й -0,15229 -0,07301 -0,01238 -0,02007 0,009375 0,004251 -0,0017
Е 0,420494 0,37479 0,420839 0,319515 0,490381 0,488196 0,487328
Р -0,02118 0,101351 0,088732 -0,09801 -0,02112 -0,00794 0,00074
С 0,000417 -0,01588 -0,00802 -0,00437 -0,00219 0,000398 0,000723
Н 0,652889 0,8053 0,765897 0,672637 0,609236 0,622609 0,630823
Из данных этой таблицы следует, что удаленность точки падения капли прямо пропорциональна ее диаметру, пропорциональна модулю начальной скорости в степени % и не зависит от угла распыливания. В то же время среднее угловое отклонение капли от оси струи зависит лишь от начального угла конуса распыливания в степени, близкой к 2/3 [8,9].
Сопоставление этой модели с результатами испытаний макетного образца ГУ мощностью ~ 1 кВт показало (рис. 2), что при истечении из сопла диаметром 0.3 мм струя ДТ комнатной температуры под давлением 2 атм. без распыла преодолевала расстояние порядка 5 м. Подача перегретого пара в зону истечения нормально его направлению приводила к дроблению струи и укорочению зоны оседания [10]. В экспериментах зафиксировано, что осевой размер зоны оседания существенно сокращался с увеличением подачи перегретого пара и его температуры в соответствии с моделью (4)-(5).
Рис. 2. - Схема дополнительного парового диспергирования ДТ (справа) для эффективного распыливания в условиях предварительных испытаний макетной установки (слева - общий вид).
Вывод. Разработана программа компьютерной имитации распыливания жидких топлив. Проведен специальный калибрующий эксперимент в гравитационном поле. Выполнена верификация компьютерной модели с экспериментальными данными, корректность имитационного моделирования определяется сходимостью результатов статического обобщения. Проведены испытания макетного образца горелочного устройства, подтверждающие адекватность компьютерной имитации.
Литература
1. Маецкий, А. В., Гребеньков А. А. Обзор приборов и методов исследования качества распыливания топлива дизельной форсункой. // Молодой ученый. — 2011. — № 10 (33). — Т. 1. — С. 48-54. — URL: moluch.ru/archive/33/3736/
2. Анализатор размера частиц распыления и капель распыления AEROTRAC II / URL: microtrac.com/ru/products/particle-size-shape-analysis/laser-diffraction/aerotrac-ii/.
3. Ладоша, Е. Н., Цымбалов, Д.С., Яценко, О. В. Информационное моделирование распыливания и испарения моторного топлива в дизельном
двигателе // Вестник Донского государственного технического университета.
- 2012. - Т. 12, № 1-1(62). - С. 5-14.
4. Анискин, С. В. Столкновение капель при распыливании жидкости в струйном газопромывателе // Новая наука: От идеи к результату.
- 2016. - № 2-3. - С. 152.
5. Фарбер В. С., Церуашвили Г. Е., Квашали Г. Ф. Способ определения размеров капель при распыливании жидкости. Авторское свидетельство № 1509674 // Научно-исследовательский проблемный центр механизации применения химических средств в сельском хозяйстве. - 1989. -Бюл. №35. URL: patents.su/2-1509674-sposob-opredeleniya-razmerov-kapel-pri-raspylivanii-zhidkosti.html
6. Ходырев, А. И., Муленко, В. В. Об инерционном осаждении капель жидкости, впрыскиваемой в трубопровод центробежной форсункой // Территория Нефтегаз. - 2018. - № 3. - С. 72-78.
7. Романова М. Н., Лебедев А. Е., Ватагин А. А., Лебедев Д. В. Определение гидродинамических характеристик однородных и двух несмешивающихся жидкостей // Инженерный вестник Дона. - 2019. - № 2. URL: ivdon.ru/ru/magazine/archive/n2y2019/5778
8. Tanner, Franz. X. "Liquid Jet Atomization and Droplet Breakup Modeling of Non-Evaporating Diesel Fuel Sprays." SAE Transactions, vol. 106, 1997, pp. 127-40. JSTOR, jstor.org/stable/44730666.
9. Snyder, H. E., and R. D. Reitz. "Gas Efficient Liquid Atomization Using Micro-Machined Spray Nozzles." SAE Transactions, vol. 105, 1996, pp. 1260-70. JSTOR, jstor.org/stable/44736353.
10. Ларионов В. М., Сайфуллин Э. Р., Назарычев С. А., Малахов А. О., Юнусова Э. А., Константинов Н. В. Экспериментальная оценка скорости горения метано-водородного топлива с воздухом при изменении
концентрации водорода // Инженерный вестник Дона. - 2018. - № 4 URL: ivdon.ru/ru/magazine/archive/n4y2018/5317
References
1. Maeczkij, A. V., Greben'kov, A. A. Molodoj ucheny'j. 2011. № 10 (33). V. 1. pp. 48-54. URL: moluch.ru/archive/33/3736/
2. Analizator razmera chasticz raspy'leniya i kapel' raspy'leniya AEROTRAC II. [Spray Particle and Spray Droplet Size Analyzer AEROTRAC II] URL:microtrac.com/ru/products/particle-size-shape-analysis/laser-diffraction/aerotrac-ii/.
3. Ladosha, E. N., Czy'mbalov, D. S., Yaczenko, O. V. Vestnik Donskogo gosudarstvennogo tekhnicheskogo universiteta. 2012. V. 12, № 1-1(62). pp. 5-14.
4. Aniskin, S. V. Novaya nauka: Ot idei k rezul'tatu. 2016. № 2-3. P. 152.
5. Farber V. S., Czeruashvili G. E., Kvashali G. F. Sposob opredeleniya razmerov kapel' pri raspylivanii zhidkosti [Method for determining droplet sizes when spraying liquid] Avtorskoe svidetel'stvo № 1509674. Nauchno-issledovatel'skiy problemnyy tsentr mekhanizatsii primeneniya khimicheskikh sredstv v sel'skom khozyaystve. 1989. Byul. №35. URL: patents.su/2-1509674-sposob-opredeleniya-razmerov-kapel-pri-raspylivanii-zhidkosti.html
6. Khody'rev, A. I., Mulenko, V. V. Territoriya Neftegaz. 2018. № 3. pp. 72-78.
7. Romanova M. N., Lebedev A. E., Vatagin A. A., Lebedev D. V. Inzhenerny'j vestnik Dona. 2019. № 2. URL: ivdon.ru/ru/magazine/archive/n2y2019/5778
8. Tanner, Franz. X. SAE Transactions, vol. 106, 1997, pp. 127-40. JSTOR, jstor.org/stable/44730666.
М Инженерный вестник Дона, №12 (2023) ivdon.ru/ru/magazine/arcliive/nl2y2023/8869
9. Snyder, H. E., and R. D. Reitz. SAE Transactions, vol. 105, 1996, pp. 1260-70. JSTOR, jstor.org/stable/44736353.
10. Larionov V. M., Sajfullin E\ R., Nazary'chev S. A., Malakhov A. O., Yunusova E. A., Konstantinov N. V. Inzhenerny'j vestnik Dona. 2018. № 4. URL: ivdon.ru/ru/magazine/archive/n4y2018/5317
Дата поступления: 22.8.2023 Дата публикации: 8.12.2023
