CC BY
149
Korolev Alexander Egorovich, candidate of technical sciences, docent, alexkorolev 72@mail.ru, Russia, Tyumen, State agrarian University of Northern Urals,
Bai Rudolf Fedorovich, senior lecturer, alexkorolev72@mail.ru, Russia, Tyumen, State agrarian University of Northern Urals
УДК 621.434.12
МОДЕЛИРОВАНИЕ ОХЛАЖДЕНИЯ ЦИЛИНДРА ДВИГАТЕЛЯ СРЕДСТВАМИ ПРОГРАММНОГО КОМПЛЕКСА ANSYS CFX
Ю.В. Мягков, Ю.С. Шипелов
В статье представлена методика расчета распределения температур цилиндра двигателя внутреннего сгорания с принудительным воздушным охлаждением. Описан процесс измерения роста температуры двигателя и моделирование нагрева при помощи программного пакета для расчетов термогидрогазодинамических процессов ANSYS CFX. Проведен анализ и сравнение полученных результатов.
Ключевые слова: Теплообмен, распределение температуры, двигатель, расчетная модель.
В процессе работы двигателя внутреннего сгорания выделяется большое количество тепловой энергии, однако не вся эта энергия преобразуется в полезную работу. Детали и механизмы двигателя в процессе его работы подвергаются воздействию высоких температур, вследствие чего для обеспечения нормальной его работы возникает необходимость отвода теплоты. Для обеспечения оптимального коэффициента теплоотдачи двигателя с воздушным охлаждением применяют устройства, принудительно создающие напор воздуха, омывающий, как правило, цилиндр и головку цилиндра. Для обеспечения нормальной работы двигателя, его температура должна составлять около 100 °С.
Широкое распространение современной и мощной вычислительной техники и появление программ и комплексов для автоматизации процесса исследования и проектирования деталей и конструкций существенно повлияло на инженерный процесс. Комплекс ANSYS является одним из наиболее распространенных и мощных CAE систем - комплексов для автоматизированной разработки.
В статье описано проведение температурного анализа геометрической модели двигателя УМЗ 5 при помощи программного комплекса AN-SYS Workbench, полученное решение было сравнено с результатами натурного эксперимента по измерению температуры двигателя, при помощи
инфракрасного пирометра. Измерение температуры проводилось при следующих условиях: режим работы двигателя - холостой ход, измерения проводились до полного прогрева двигателя, точки измерения представлены на рис. 1.
Рис. 1. Точки измерения температуры
1. Моделирование охлаждения цилиндра двигателя.
Постановка и решение задачи для определения роста температуры двигателя заключается в создании 3D модели двигателя и моделировании потока воздуха охлаждающего этот двигатель. Необходимо определить рост температуры с течением времени, таким образом, задача является нестационарной.
Проведение теплового расчета включает в себя несколько этапов:
1. Создание геометрии модели. На данном этапе создается модель для расчета, модели для решения возможно созданием, как двумерных примитивов (площадей) так и объемных моделей (3D моделей). Применение программы ANSYS DesignModeler позволяет легко создавать геометрию расчетной модели, также возможно импортировать геометрию из сторонних CAD редакторов позволяющих сохранять геометрию в наиболее популярных форматах.
2. Построение и настройка конечно-элементной сетки. Сеточный генератор ANSYS позволяет создать оптимальную, в рамках решаемой задачи, расчетную сетку, что является трудоемким процессом, итог которого напрямую влияет на точность моделирования и время, затраченное на решение. Сеточным генератором ANSYS возможно создание четырех типов
132
элементов: гексаэдральные, тетраэдральные, клиновые (призматические) и пирамидальные различной степени детализации и адаптации.
3. Задание граничных условий. Импортирование конечно - элементной сетки, задание и настройка типа анализа, физических свойств материалов, задание типа решаемой проблемы, назначение среды моделирования и расстановка начальных и граничных условий устанавливается при помощи препроцессора CFX-Pre.
На этом шаге прикладываются нагрузки и задаются условия для проведения расчета, а также определяются материалы модели и их свойства. Также задается тип задачи, в данном случае задаем тип анализа - нестационарный время симуляции 1200 секунд, шаг расчета 60 секунд.
Граничные условия заданы для элементов модели:
Цилиндр - материал чугун. На внутреннюю поверхность действует температура 800 °С, от внешней стенки происходит передача тепла в окружающую среду. Между цилиндром и головкой цилиндра - идеальная контактная теплопроводность, т.е. в зоне контакта не происходит падения температуры
Головка цилиндра - материал алюминий. На внутреннюю поверхность действует температура 900 °С, от внешней стенки происходит передача тепла в окружающую среду.
Окружающая среда задана в виде потока воздуха, омывающего цилиндр, осуществляется передача тепловой энергии. Для расчета использовалась модель газа "Air at 25 °C ", температура воздуха 23 °С, остальные настройки по умолчанию. Скорость потока воздуха составляет 5 м/с. Начальные условия заданы как температура окружающей среды равная 23 °С.
CFX-Pre предоставляет возможность подключать зависимости и функции, при описании тех или иных переменных и физических величин. Все это позволяет гибко и удобно управлять конфигурацией начальных и граничных условий, назначением расчетных областей и подобластей, что делает работу в среде CFX-Pre более эффективной и рациональной.
4. Запуск решения, просмотр и анализ результатов. Для настройки и задания параметров вычислений, а также для наблюдения и управления процессом решения в ANSYS CFX имеется графический интерфейс пользователя CFX-Solver Manager.
Постпроцессор CFX-Post предназначен для отображения результатов расчета, он предоставляет возможность визуализировать различные расчетные величины.
По полученным результатам расчета были построены зависимости роста температуры двигателя от времени в различных точках измерения. Полученные данные показали, что рост температуры происходит по экспоненциальной зависимости. Графики роста температуры представлены на
рис. 2 и 3.
Сс
100
90 80 70 60 50 10 30 20 10 О
О 60 120 то 2І0 300 360 т Ш 5І0 600 660 720 780 810 900 960 1020 1080 Шв
т, с
Рис. 2. Среднее изменение температуры двигателя
- Экспериментальные данные;------------Результаты расчета
Сс
100
90 80 70 60 50 10 30 20 10 О
О 60 120 180 240 300 360 120 Ш 5Ш 600 660 720 780 М 900 960 1020 1080 МО
X с
Рис. 3. Среднее изменение температуры цилиндра двигателя
- Экспериментальные данные;-------------Результаты расчета
Разница значений полученных в результате эксперимента и в результате моделирования в среднем составляет 8,16 %, что позволяет сказать о достаточной точности моделирования процесса нагрева цилиндра.
Список литературы
1. Барулина М. А. Использование ANSYS Workbench для работы с геометрическими моделями. М.: Эдитус, 2012. 316 с.
2. Басов К.А. ANSYS справочник пользователя. М.:ДМК Пресс, 2005. 640 с.
3. Каплун А.Б., Морозов Е.М., Олферьева М. А ANSYS в руках инженера: Практическое руководство. М.: Машиностроение, 2003. 272с.
4. Карташев. Э.М. Аналитические методы в теории теплопроводности твердых тел. М., Высшая школа, 1985.
5. Михеев М. А. Основы теплопередачи / М. А. Михеев, И.М. Михеева. М.: Энергия, 1977. 321 с.
6. Электронный журнал для пользователей CAE-системой ANSYS [Электронный ресурс] (http://www.ansyssolutions.ru). (дата обращения: 23.05.2013)
Мягков Юрий Вячеславович, канд. техн. наук, доц., remnevk@rambler.ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет,
Шипелов Юрий Сергеевич, студент, remnevk@rambler.ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет
MODELING OF COOLING OF CYLINDER ENGINE BY MEANS OF SOFTWARE ANSYS CFX
Y.V. Myagkov, Y.S. Shipelov
The article presents a methodology for calculating the temperature distribution of the cylinder internal combustion engine with forced air cooling. The process of the engine temperature growth measuring and modelling of heating by means of a software package for calculations thermohydrogasdynamic processes ANSYS CFX is described. The analysis and comparison of the received results is carried out.
Key words: heat transfer, distribution of temperature, engine, calculation model.
Myagkov Yuriy Vyacheslavovich, candidate of technical science, docent, remnevk@rambler.ru, Russia, Tula, Tula State University,
Shipelov Yuriy Sergeevich, student, remnevk@rambler.ru, Russia, Tula, Tula State University
