CC BY
51
TURBULENCE MODEL CAR ENGINE PROBLEMS OF GAS DYNAMICS S.E. Lukin, S.A. Potapov, S.A. Tishin
Different models of turbulence applied to the problems of gas dynamics of automobile engines are considered. Examples of application of the interactive programs such GAS2 for test problems of turbulent gas dynamics are given.
Key words: turbulence model, internal combustion engines, interactive software solutions for computer
Lukin Sergei Eduardovich, master, manager of software department, lu-kinse82@yandex. ru, Russia, Tula, Tula State University,
Potapov Sergei Alexandrovich, candidate of technical sciences, docent, la-ma0 71 @mail. ru, Russia, Tula, Tula State University,
Tishin Sergei Alexandrovich, candidate of technical sciences, docent, dru-pi071@ya.ru, Russia, Tula, Tula State University
УДК 621.436
МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССА ВПРЫСКА ПОРШНЕВЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ С ПОМОЩЬЮ ИНТЕРАКТИВНОЙ ПРОГРАММЫ
GAS2-DWS
С.Э. Лукин, С.А. Потапов, С.А. Чесноков
Рассмотрены особенности применения интерактивной программы типа GAS2 для моделирования процесса впрыска в поршневых двигателях внутреннего сгорания. Получены результаты по полям скорости в камере сгорания и полости цилиндра ДВС.
Ключевые слова: двигатель внутреннего сгорания, метод крупных частиц, интерактивная программа решения на ЭВМ.
Введение. При расчетах рабочих процессов в двигателях внутреннего сгорания (ДВС) в многомерной постановке необходимо иметь данные по турбулентным полям скорости в периоды всасывания, впрыска и горения.
Для газодинамических задач в ДВС наиболее целесообразно исходить из концепции непрерывности, рассматривая потоки массы через границы т.н. эйлеровых ячеек. Такой прием позволил О.М. Белоцерковскому и Ю.М. Давыдову [1] разработать метод крупных частиц, каждая из которых занимает целиком одну ячейку.
Область решения разбивается неподвижной, фиксированной по пространству (эйлеровой) расчетной сеткой, а сплошная среда трактуется дискретной моделью - рассматривается совокупность крупных частиц (ла-гранжева сетка частиц), которые движутся через эйлеровые ячейки. Крупная частица жидкости служит для определения параметров самой жидкости (массы, энергии, скорости), в то время как эйлерова сетка используется для определения параметров поля течения - давления, плотности, температуры. Расчет каждого временного шага разбивается на три этапа.
1. «Эйлеров» этап, когда пренебрегают всеми эффектами, связанными с перемещением элементарной ячейки (потока массы через границы ячеек нет), и учитывают эффекты ускорения частицы лишь за счет поверхностных сил (давление, напряжения). На этом этапе используются лишь параметры, относящиеся к ячейке в целом, а жидкость предполагается неподвижной. Поэтому конвективные члены уравнений, соответствующие эффектам переноса, отсутствуют. Здесь для крупной частицы определяются промежуточные значения искомых параметров потока.
2. «Лагранжев» этап, где при движении жидкости вычисляются потоки массы через границы эйлеровых ячеек.
3. Заключительный этап - в конце шага по времени определяются окончательные значения газодинамических параметров потока на основе законов сохранения массы, импульса и энергии для каждой ячейки и всей системы в целом на неподвижной (эйлеровой) расчетной сетке.
В связи с этим для численного решения задач ДВС применен метод крупных частиц, реализованный в виде программы ОЛ82-БШ8.
Возможности интерактивной программы GAS2-DWS. Интерактивная программа ОЛ82, созданная проф. В. А. Дунаевым [2] для решения широкого класса задач газодинамики, позволяет получать плоские и осе-симметричные картины течений и обтеканий тел сложной конфигурации в широком диапазоне скоростей движения.
В работе она преобразована для расчетов впрыска топлива в ДВС, его горения и расширения продуктов сгорания в двухмерной постановке. При использовании двухмерной версии программы ОЛ82-БШ8 удается быстро, в течение 4 - 5 часов, получить результаты решения нового варианта задачи - с изменениями схемы впрыска, геометрии камеры сгорания, режима работы двигателя, вида топлива и т.п.
Для сравнения: изменения исходных данных трехмерных программ газодинамики (например, последовательное проведение всех расчетов) требуют нескольких дней.
Не останавливаясь подробно на особенностях алгоритма программы, приведем их краткое качественное описание:
1. Блок расчета основан на параллельном решении системы дифференциальных уравнений сохранения массы, импульса и энергии для дискретной фазы. Эффекты межфазного силового и теплового взаимодействия учитываются соответствующими членами «источников-стоков» в правых частях уравнений основной газодинамической системы.
2. При решении задач многокомпонентных газовых течений дополнительно рассматриваются диффузионные соотношения потоков избыточной массы, давления и температуры, в частности, рассматривается уравнение неразрывности не только для смеси в целом, но и для каждого компонента, при этом состояние газа в ячейке определяется вкладом каждого компонента смеси и его относительной концентрацией.
3. Расчет турбулентных газовых течений проводится на основе численной реализации осредненной двухпараметрической дифференциальной к - е-модели турбулентности.
Математическое описание и результаты. В осесимметричном случае система уравнений газодинамики принимает следующий вид:
- уравнения неразрывности для смеси и компонентов dp (Эи 1 Э^Л
с!г
+ Р
дz г Эг
0,
'г, z е SO, t > 0;
Эck ТгЭck Эck г р—- + ри—- + = Ji -
Эt
Эz
Эг
( ЭтБ-1 +1 ЭгтБкг Л
V
- уравнения движения
(Ю ^ ЭР Р— = РFZ+
р
бх
(V
Эz
ЭО2 1 Э ( \
с ЭР р^г--+
Ш Эг
Эz г Эг ЭTгz 1 Э
Эz
■X
к
г
Эг
у
X Ск = 1; -
ЭmDкzu + 1 ЭгmDкzv
Эz г Эг
К)-
О
Ф
- X
к
Эz г Эг
ЭmDкru +1 ЭгmDkrv Эz г Эг
г, z е 80, t > 0;
уравнение энергии
(Е
р — = р( ^и + ^) (
т ги Э
(ЭРи ЭPV PV Л -+-+-
V Эz Эг г у
Э( ТТ .л (ог -ОФ)V
+ zU + т гzV )+-^ +
Эz г
+ + О гV ) + 1Э-
г Эг г Эг
/
г
Эг
Э + ^
V Эz
+ X рС (FkzUDk + Екг^к ) + к
+ X
к
(О^к + тгЛк)+■ т-и« . Э
Э
Э (О z
■X
к
ЭРckEkUDk , ЭрСкЕк^к , рСкЕк^к
Эz
■ +
Эг
+ -
+ гzUDk +ОгVDk ) Эг
'г,zе 80, t > 0,
где и, V - составляющие скорости по осям z и г соответственно; оф - окружные (тангенциальные) напряжения.
г
г
Формулы для напряжений вязкости имеют вид
2
° г =-1
2
ди_
дг
2
/
3
■-1 £ (у )
г дг
V ди дУ
2
аг =—¡1
дУ У ди
2---
2--
V г дг
дг
%гг 1
дг
ди дУ
дг
дг дг
Результаты получены для малогабаритного одноцилиндрового дизельного двигателя ТМЗ-450Д-03 производства ОАО «Тульский машиностроительный завод», основные характеристики которого: рабочий объем
_3 з
цилиндра 0,454-10 м , диаметр цилиндра 0,085 м, ход поршня 0,08 м, номинальная мощность 8,1 кВт, степень сжатия 20.
На рис. 1 - 3 для дизельного впрыска с полууглом раствора струи 30о и максимальной скоростью 100 м/с представлены осесимметричные поля скорости в камере сгорания и полости цилиндра.
Полученные результаты могут использоваться для расчетов рабочего процесса и токсичности выхлопа ДВС.
а
б
в
Рис. 1. Схема камеры сгорания с форсункой Ф и поршнем П (а), а также поля скорости в КС: в середине впрыска (б), по окончании (в)
и после впрыска при 390о пкв (г)
г
Рис. 2. Поля скорости в полости цилиндра: 1 - в начале расширения при 4100 пкв; 2 - в середине расширения
при 4600 пкв
Коэффициент избытка воздуха а = 1. До середины периода впрыска (см. рис. 1, б) вдоль оси камеры сгорания (КС) образуется цилиндрическая полость разрежения, которая затем «схлопывается» и исчезает (см. рис. 1, в, г), максимальные скорости наблюдаются на оси КС. При расширении (рис. 2 и 3) уровень скорости снижается и окончательно формируется кольцевая вихревая зона. Указанные особенности соответствуют известным литературным данным.
Список литературы
1. Белоцерковский О.М., Давыдов Ю.М. Метод крупных частиц в газовой динамике. М.: Наука, 1982. 370 с.
2. Дунаев В. А. Теоретико-вычислительный комплекс компьютерного моделирования и визуализации газодинамических процессов. // Известия Тульского государственного университета. Сер. Проблемы специального машиностроения. Вып. 3: в 2 ч. Тула, 2000. Ч.1. С. 193-196.
Лукин Сергей Эдуардович, магистр, нач. отдела программного обеспечения, lukinse82@,yandex.ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет,
Потапов Сергей Александрович, канд. техн. наук, доц., lamaO71 amail.ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет,
Чесноков Сергей Александрович, д-р техн. наук, проф., sachesn45amail.ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет
SIMULATION OF INJECTION PISTON ENGINES USING GAS2-DWS
S.E. Lukin, S.A. Potapov, S.A. Chesnokov 146
Features of the use of interactive programs like GAS2 to simulate the injection process in reciprocating internal combustion engines are considered. The results for the velocity field in the combustion chamber and the engine cylinder space are obtained.
Key words: internal combustion engine, the method of large particles, the interactive software solutions for the computer.
Lukin Sergei Eduardovich, master, manager of software department, lu-kinse82@yandex. ru, Russian, Tula, Tula State University,
Potapov Sergei Alexandrovich, candidate of technical sciences, docent, la-ma0 71 amail. ru, Russia, Tula, Tula State University.
Chesnokov Sergei Alexandrovich, doctor of technical sciences, professor, sa-chesn45a mail. ru, Russia, Tula, Tula State University
УДК 621.436
ОБРАЗОВАНИЕ ТОКСИЧНЫХ ОКСИДОВ АЗОТА И УГЛЕРОДА В АВТОМОБИЛЬНЫХ ДВИГАТЕЛЯХ
С.Э. Лукин, С.А. Потапов, С.А. Чесноков
Рассмотрены особенности химических реакций горения и образования токсичных оксидов азота и углерода в ДВС. Получены результаты по содержанию токсичных компонентов.
Ключевые слова: дизельный двигатель, коэффициент избытка воздуха, образование токсичных оксидов в двигателях.
Двигатели внутреннего сгорания (ДВС) вносят существенный вклад в загрязнение окружающей среды. Они являются одним из главных источников токсичных веществ, выбрасываемых в атмосферу, особенно в крупных городах.
Повышение экологической чистоты рабочих процессов в ДВС требует всестороннего изучения, но особое внимание следует уделять химической составляющей процесса горения.
Рассмотрим особенности химических реакций горения и образования токсичных оксидов в ДВС [1].
1. Внутри фронта горения текущий состав смеси является существенно неравновесным. Это требует решения задач химической кинетики горения для сотен реакций.
