CC BY
56
universitet imeni V. P. Goryachkina», 2016, No. 1 (71), pp.14-20.
14. Ignatkin I. Yu., Kazantsev S. P. Rekuperator teplotyi dlya svinovodcheskogo kompleksa (Recuperator heat for pig-breeding complex), Mehanizatsiya i elektrif-ikatsiya selskogo hozyaystva, 2013, No. 4, pp. 17-18.
15. Puchin E. A., Kolomeychenko A. V., Loga-chev V. N., Titov N. V., Semeshin A. L., Korneev V. M., Korenev V. N., Kononenko A. S., Or-lov A. M., Layko D.V., Varnakov D. V. Nadezhnost' tekhnicheskikh sistem. Kursovoe proektirovanie (The reliability of technical systems. Course design), uchebnoe posobie. Orel : Izd-vo OrelGau, 2012, 96 p.
16. Gaydar S. M., Kononenko A. S. Ingibiro-vannye sostavy dlya khraneniya sel'skokhozyaystven-noy tekhniki (Inhibited compositions for storage of agricultural machinery), Tekhnika v sel'skom khozyaystve. 2011. No. 3. pp. 21-22.
17. Kosykh D. A., Tret'yak L. N. Metodika pov-ysheniya kachestva i konkurentosposobnosti retsep-turnoy produktsii na osnove funktsional'no-stoimostnogo analiza (Methods of improving the quality and competitiveness of prescription products based on activity-based costing), Fundamental'nye issledo-vaniya, 2015. No. 2. pp. 23-29.
18. Kirsanov V. V. Metody postroeniya mnogo-funktsional'nykh blokov novoy elementnoy bazy doi-l'nogo oborudovaniya (Methods of construction of mul-
ti-functional blocks of a new element base milking equipment), Trudy mezhdunarodnoy nauchno-tekhnicheskoy konferentsii Energoobespechenie i ener-gosberezhenie v sel'skom khozyaystve. 2012, T. 3, pp.15-22.
19. Kirsanov V. V., Ignatkin I. Yu. Sposoby pov-ysheniya tochnosti portsionnykh molokomerov (Ways to improve the accuracy of portioned milk meters), Vestnik FGOU VPOMGAU, Vyp. 4, pp. 30-32.
20. Kirsanov V. V., Ignatkin I. Yu. Energoeffek-tivnaya avtomatizirovannaya sistema mikroklimata (Energy-efficient automatic climate system), Vestnik Federal'nogo gosudarstvennogo obrazovatel'nogo uchrezhdeniya vysshego professional'nogo obrazovani-ya Moskovskiy gosudarstvennyy agroinzhenernyy universitet im.V. P. Goryachkina, 2016. No. 6 (76), pp. 4852.
21. Tsoy Yu. A., Kirsanov V. V., Petrenko A. P. Funktsional'no-stoimostnyy analiz robotizirovannykh sistem i vybor al'ternativnykh variantov dobrovol'nogo doeniya korov (Functionally-value analysis of robotic systems and a choice of alternative options for voluntary milking of cows). Tekhnika i oborudovanie dlya sela. 2014, No. 8 (206), pp. 33-36.
Дата поступления статьи в редакцию 1.12.2016, принята к публикации 12.01.2017.
05.20.01 УДК 62-224.4
ОЦЕНКА ПАРАМЕТРОВ ГАЗООБМЕНА В ДВС МЕТОДОМ ЧИСЛЕННОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ
© 2017
Абросимова Мария Владимировна, аспирант Жолобов Лев Алексеевич, кандидат технических наук, профессор кафедры «Эксплуатация мобильных энергетических средств и сельскохозяйственных машин»
Шелякин Иван Николаевич, аспирант
Нижегородская Государственная Сельскохозяйственная Академия, Нижний Новгород (Россия)
Аннотация
Введение. Статья посвящена математическому моделированию процессов газообмена.
Показаны особенности моделирования процессов газообмена на основе уравнений газовой динамики. Параметры газового потока рассчитаны тремя законами сохранения, получаемые путем применения общих законов физики к элементарной массе, выделяемой в потоке, с последующим переходом к пределу при стремлении к нулю объема, занимаемого этой массой: импульса, массы и энергии.
Материалы и методы. Теоретическая значимость работы заключается в методике построения расчетной модели и отдельных результатах по моделированию процесса газообмена ДВС. Система уравнений, описывающих процессы в цилиндре, состоит из уравнений сохранения энергии, баланса массы, состояния и изменения отношений теплоемкостей.
Обсуждение. Математическая модель рабочего процесса в цилиндре двигателя создается необходимыми условиями для расчета всего газообмена. Использование ЭВМ позволяет осуществить более точное и полное описание всех основных особенностей. На первом плане выступает не сложность и объем вычислений, а точность аппроксимации процессов поступления свежего заряда в цилиндры двигателя, воздушного неустановившегося потока во впускном тракте, возможность всестороннего исследования влияния на процесс наполнения каждого из параметров конструкции впускного тракта и газораспределения, особенностей исследуемого
режима работы двигателя. Наполнение динамических явлений во впускной системе имеет основную цель оптимизации параметров конструкции двигателя.
Результат. Эффективность работы в ДВС определяется совершенством процессов, протекающих при впуске, смесеобразовании и сгорании свежего заряда, а так же совершенством организации выпуска отработавших газов.
Заключение. Достаточно точная аппроксимация качественных и количественных связей конструктивных параметров с термогазодинамическими явлениями в газовоздушном тракте и показателями газообмена позволяют принципиально решить вопрос о расчетном определении близких к оптимальным конструктивным параметрам впускной системы и газораспределения автотракторных двигателей, двигателей с впрыском и в определенной степени карбюраторных двигателей.
Ключевые слова: газообмен, закон сохранения массы, импульса и энергии, математическая модель, На-вье-Стокс, полная энтальпия, система уравнений, турбулентная вязкость, уравнение для кинетической энергии турбулентных пульсаций, уравнение массопереноса, уравнение неразрывности, уравнение состояния идеального газа, уравнение энергии.
Для цитирования: Абросимова М. В., Жолобов Л. А., Шелякин И. Н. Оценка параметров газообмена в ДВС методом численного моделирования // Вестник НГИЭИ. 2017. № 3 (70). С. 35-45.
ESTIMATION OF PARAMETERS OF GAS EXCHANGE IN INTERNAL COMBUSTION ENGINES BY THE METHOD OF NUMERICAL SIMULATION
© 2016
Abrosimova Mariya Vladimirovna, post-graduate student Zholobov Lev Alexeevich, candidate of Technical Sciences, Professor of the Department «Exploitation of mobile power vehicles and agricultural machinery» Shelyakin Шфт Nikolaexich, post-graduate student
Nizhny Novgorod State Agricultural Academy, Nizhny Novgorod (Russia)
Abstract
Introduction. The article is devoted to mathematical modelling of processes of gas exchange.
The features of the simulation of the gas exchange on the basis of equations of gas dynamics. The parameters of the gas flow is calculated by the three conservation laws derived by applying General laws of physics to elementary mass, allocated in the stream, with the subsequent transition to the limit tends to zero the volume occupied by this mass: momentum, mass and energy.
Materials and methods. The theoretical significance of the work lies in the method of constructing the analysis model and some results on the modeling of the gas exchange process of ice. The system of equations describing the processes in the cylinder, consists of equations of conservation of energy, mass balance, status and changes of the relations of heat capacities.
Discussion. Mathematical model of working process in the cylinder creates the necessary conditions for calculation of total gas exchange. The use of computers allows for a more accurate and complete description of all main features. In the foreground is not the complexity and volume of calculations and the accuracy of the approximation of the processes of admission of fresh charge into the engine cylinders, an air of unsteady flow in the intake tract, the possibility of a comprehensive study of the influence on the filling process of each of the design parameters of the intake tract and valve timing, the characteristics of the investigated mode of operation of the engine. Filling of dynamic phenomena in the intake system has a basic purpose of optimization of parameters of engine design.
Result. The efficiency of the internal combustion engine is determined by the perfection of the processes occurring at the inlet, mixing and combustion of the fresh charge, and the perfection of the organization of the exhaust.
Conclusion. A sufficiently accurate approximation of the qualitative and quantitative relations of structural parameters with thermal gas-dynamic phenomena in the air-gas tract and indicators of gas exchange allow to fundamentally solve the issue of the current definition of close-to-optimum design parameters of the intake system and variable valve timing automotive engines, engines with injection and to some extent gasoline engines.
Key words: mathematical model, gas exchange, the law of conservation of mass, momentum and energy equations, Navier-Stokes, continuity equation, energy equation, ideal gas equation of state, equation of mass transfer, the equation for kinetic energy of turbulent fluctuations, total enthalpy, turbulent viscosity.
Введение
Рост выпуска, ускорение смены моделей, необходимость непрерывного улучшения показателей предъявляют все большие требования к качеству, а так же затратам времени и средств на кон-структорско-экспериментальные и исследовательские работы по разработке новых и совершенствованию существующих двигателей внутреннего сгорания. Все это стало возможным на основе расчетных исследований рабочих процессов методами математического моделирования с использованием программных комплексов.
Бурный прогресс вычислительной техники численных методов расчета сделал доступным для использования в исследовании газодинамических характеристик элементов двигателя внутреннего сгорания программ численного моделирования, среди которых достойное место занимает российский программный комплекс - Flow Vision.
Программный комплекс Flow Vision имеет развитые механизмы автоматического построения и изменения расчетной сетки, связанные с адаптацией, которые можно применять прямо в процессе расчета, в отличие от обычной практики, когда после перестроения расчетной сетки требуется проведение расчета заново.
Функциональные возможности Flow Vision позволяют успешно решать широкий круг задач газовой динамики, в том числе, и определение характеристик элементов двигателя внутреннего сгорания на основе моделирования всего цикла работы цилиндра.
Материалы и методы
Метод экспериментально-технического уровня (моделирование), метод теоретического уровня. Теоретическая значимость работы заключается в методике построения расчетной модели и отдельных результатах по моделированию процесса газообмена ДВС.
Экспериментальный материал по численному моделированию процессов газообмена конечно-объемным методом.
Работа выполнена программным комплексом FlowVision.
Обсуждение
Из теории рабочих процессов известно, что эффективность работы ДВС в значительной мере определяется совершенством процессов, протекающих при впуске, смесеобразовании и сгорании свежего заряда, а так же совершенством организации выпуска отработавших газов.
Параметры газового потока, которые необходимо рассчитать определяются тремя законами со-
хранения, получаемые путем применения общих законов физики к элементарной массе, выделенной в потоке, с последующим переходом к пределу при стремлении к нулю объема, занимаемого этой массой: импульса, массы и энергии.
Закон сохранения импульса - это уравнение, (или в проекциях на оси координат - три уравнения), которые получаются в результате применения к элементу жидкости закона о количестве движения, согласно которому изменение количества движения элемента должно совпадать по величине и направлению с импульсом силы, приложенной к нему [1,5]. Это уравнение называется уравнением Навье-Стокса и является основным при расчете движения вязкой сжимаемой жидкости.
К уравнению Навье-Стокса тесно примыкает уравнение неразрывности, получаемое путем применения к элементу, выделенному в жидкости, закона сохранения массы.
Для вывода этих уравнений положим следующие общие допущения:
- газ совершенен, то есть давление p, плотность р и адиабатическая температура Т удовлетворяют закону Клайперона
Р = Я х Т р , (1) который при частном предположении о неизменности коэффициента теплоемкости при постоянном давлении ср можно еще написать в виде:
p R
— =-Х|С X
р c„
(cpХ T )=R Х h
(2)
где h - энтальпия (тепловая функция), в общем случае ср зависящая от температуры, выражаемая интегралом
T
h = jcp |T)dT
(3)
- газ представляет «ньютоновскую» среду, подчиненную известному обобщенному закону Ньютона о линейной связи между тензором напряжений и тензором скоростей деформаций. В отличии от несжимаемой жидкости, в случае газа, которой будем считать средой изотропной, скалярный коэффициент Ь, входящий в основной линейный закон:
Р = а х Б+Ь х Е (4)
уже может зависеть не только от линейного инвари-
„Б = р„ + + анта тензора напряжений ^22 , но и от
линейного инварианта тензора скоростей деформаций
д¥г д¥2 д¥3 —1 + —2 + —3 = divV
dxj дх2 дх3
(5)
который в случае движения газа с большими скоростями не будет равен нулю [12].
Рабочие процессы в цилиндре рассматриваются в квазистатическом приближении. Рабочая среда, однородная по всему объему, представляет собой калорически совершенный газ. С термодинамической точки зрения рабочий объем представляет открытую систему, обменивающуюся как энергией, так и массой с внешней средой.
Система уравнений, описывающих процессы в цилиндре, состоит из уравнений сохранения энергии, баланса массы, состояния и изменения отноше-
ний теплоемкостей и имеет вид:
к-\( + . йОвьп йоут р
йф V V йф еп йф еып йф ут йф шп йф
к^^й^ Л х " (к ~1 V йф йф
(6)
йО йО, йО
_ Ьп вь
йОут йО
ут ш
йф йф йф йф йф .
(7)
PV = ЫТ. (8)
Анализ течения воздуха и газов через клапанную щель производится при предположении однородности газа и справедливости интеграла Бернулли и определяется следующими соотношениями: - для докритического режима течения:
йОьп _ (мР) Ьп.к ¡2кь йф
6п
кьп -1
РкРк
( р 2/кь„ \
Рк
( \кьп +1
Рк
(9)
при
V кЬп+1 )
<Р < 1
' Рк
- для надкритического режима течения:
йОЬп йф
(мР)Ьп.к ,- С
-4кьпРкРк
при
Рк
6 п
\ кЬп кЬп-1
\ кЬп+1 -1
К к
V Ьп
(10)
V кЬп + 1
Эффективные проходные сечения клапанной щели (^)Ьп. к задаются таблицей в зависимости от подъема клапана. При отсутствии экспериментальных данных эффективные проходные сечения определяются как произведения коэффициента расхода на геометрическую площадь клапанной щели [2; 3].
Приведенная система уравнений решается разностным методом Эйлера. В качестве основных параметров выбирается давление р и расход О. Температура определяется из уравнения состояния: Т_Р х V
Ох Я , (11)
где V - объем цилиндра - функция конструктивных параметров:
V (ф)-£ 1
1 + — | - [ СОЭ ф +1 лД - у1 $,т2ф
у) V у
, (12)
где за начальную точку счета принимается момент Ун.вьт открытия выпускного клапана, то есть когда
закончился процесс сгорания и закрыты все клапаны данного цилиндра. Момент начала выпуска - точка «в» на индикаторной диаграмме. Для нее необходимо задавать давление рь газов и коэффициент избытка воздуха а. Коэффициенты наполнения пу и остаточных газов уг задаются в начале расчета произвольно, остальные параметры определяются расчетом.
В точке «в» определяется теплоемкость су и
Я = ^
отношение теплоемкостей с . При этом газы в цилиндре рассматриваются как гомогенная смесь продуктов сгорания. Состав газов находится из соотношения воздух-топливо, характеризующегося коэффициентом избытка воздуха а > 1 . Газовая постоянная определяется расчетом из соотношения для су и к [15].
Начало впуска характеризуется выбросом ча-
' йО 1 —^ < 0 |
сти остаточных газов во впускной системе К йф ) , количество которых рассчитывается по уравнению:
ф йО
О = \ —™ х йф
фн.вп йф (13)
После ВМТ при увеличении надпоршневого объема давление в цилиндре резко уменьшается и попавшие во впускную систему продукты сгорания
'йО*. > 01
возвращается в цилиндр К йф ) . Свежий заряд
*
начинает поступать в цилиндр с момента у = ц> , определяющегося условием:
ф йО
| —^ х йф = 0
фн.вп йф (14)
Поступление в цилиндр свежего заряда находится из выражения
ф йО
Осв в = \ О х йф
* йф .... ф . (15)
Если в период перекрытия фаз ^^ >0 и в
цилиндр поступает свежий заряд, то происходит продувка цилиндра: часть свежего заряда вместе с продуктами сгорания уходит из цилиндра через выпускной клапан. Количество свежего заряда, прошедшего в выпускную систему, рассчитывается по формуле:
ф О йО Осее = \ —^ х йф свв К О йф
ф ф (16)
**
где ^ - угол конца продувки.
Условием наличия продувки является следующее выражение:
* ** ф <ф <ф <ф
' н. вып ' ' ' к.вып
Оставшийся в цилиндре свежий заряд, характеризующий наполнение двигателя, определяется выражением:
С Г —»х<С
св. в I 1 Г Св. в
У У . (18)
Количество остаточных газов равно разности расчетных значений О и Ссв в в момент фк в„.
При интегрировании исходной системы уравнений в зависимости от угла поворота коленчатого вала, входящих в эти уравнения, становятся равным нулю [8; 9; 10].
Получаемая математическая модель рабочего процесса в цилиндре двигателя создает необходимые условия для расчета всего газообмена.
В процессах газообмена, выпуск из цилиндров отработавших газов и поступление в них свежего заряда происходит под действием возвратно-поступательного движения поршня при периодическом открытии клапанов.
В результате течения через клапанные щели, во впускной и выпускной системах имеют четко выраженный неустановившийся характер. При этом конструктивная схема и параметры систем выпуска и впуска и обусловленные ими особенностями газовоздушных потоков в свою очередь значительно влияют на протекание газообмена и наполнения и, как следствие, на рабочий цикл в целом и выходные показатели двигателя.
Область моделирования являлась трехмерным объектом, так как характер течения газов в области расчетов имеет ярко выраженную трехмерную структуру. В соответствии с этим поиск решения данной задачи при моделировании процессов газообмена ведется на основании наиболее полно описывающей такой вид течения физической модели полностью сжимаемой жидкости.
Процесс газообмена опишем математической моделью, в которую входит семь уравнений.
Три уравнения Навье-Стокса, которые, с учетом сил, действующих на заряд можно записать в следующем виде:
+ У(р¥ х V ) = _УР + + (ууг )) + 5
где: рг - турбулентная динамическая вязкость, зависящая от типа выбранной модели турбулентности;
„ й й й V =— + — + —
оператор набла (оператор Гамильтона).
Оператор 8 в уравнении (20) находится по следующей зависимости:
5 = (Р _ Рьуа )х § + Р х В + Я
где: р^уа - гидростатическая плотность; g _ вектор силы тяжести; В - силы вращения (Кориолиса и
центробежная); Я - силы изотропного сопротивления [14].
Во в р а щ ающейся системе координат силы вращения (Кориолиса и центробежная) имеют вид:
В = _2юхУ _юхюх г, (21)
где: ш - вектор угловой скорости вращения заряда; г - характерный размер, в данном случае - диаметр впускных и выпускных каналов, или диаметр цилиндра ДВС.
Силы изотропного сопротивления Яв уравнениях Навье - Стокса задаются следующим образом:
уу
, (22) где: (1; (2 - коэффициенты сопротивления (константы).
Уравнение неразрывности, запишем, в следующем виде:
Я = _С1 цУ _ С2р-
<р + V( рУ ) = 0 Ж У }
(23)
Уравнение энергии, которое для полной энтальпии имеет вид:
(( Л Л
< ( рН )
+ У( руН) = ^ ^
Л
1
+ ц
VH
(24)
У2
Н = к + — где: 2 - полная энтальпия.
Уравнение состояния идеального газа:
р = Я х Т
р . (25)
Уравнение массопереноса для концентрации газовой фазы в смеси. Для концентрации решается уравнение конвективно-диффузионного переноса:
< ( рС )
+ V( рУС ) = V
ц хVC
V 5с V с 5с, у У
(26)
где: 8с _ число Шмидта; 5С - турбулентное число Шмидта.
Уравнение для кинетической энергии турбулентных пульсаций ки скорости диссипации энергии турбулентности е [17; 18; 20].
В выбранной модели турбулентности (стандартная к - е модель) турбулентная вязкость ^ выражается через величины к и е следующим образом:
к2
Ц = Сц — /ц
е
(27)
где: Ср. _ константа модели турбулентности; ^ -
параметр модели турбулентности.
Таким образом, уравнение для турбулентной энергии кзаписывается в следующем виде:
Л
- + V(pУk
Ц +
Vk
+ цС _ ре
а уравнение для скорости диссипации энергии турбулентности e:
d ( pe)
dt
+ V(pVe) = V
ц + |Ve a.
\ g2
C1 7 - C2 /1 ^p Л Л
. (29)
Произведем расчет течения в цилиндре двигателя внутреннего сгорания.
Результаты
При решении уравнений использовались следующие методы и технологии:
- конечно-объемный метод расчета уравнений газодинамики, который на сегодняшний день является стандартом для программ СББ класса;
- модифицированный метод расщепления по физическим переменным для уравнений Навье-Стокса, описывающих течение полностью сжимаемого газа, что позволяет проводить расчеты при любых числах Маха;
- использование схемы повышенной точности для расчета уравнений конвективного переноса [4];
- технология автоматического построения динамически адаптивной локально измельчаемой сетки, которая позволяет, в том числе, проводить перестроение расчетной сетки прямо в процессе расчета;
- метод подсеточного разрешения геометрии, являющийся основной для реализации расчета течений, в том числе, при наличии в расчетной области подвижных тел.
При построении расчетной модели принимается исходная геометрия цилиндра ДВС с впускным и выпускным каналами и клапанами, а так же поршнем (рис. 1) в виде 3-мерной твердотельной модели разработана в CAD- системе SolidWorks.
Для моделирования течения в Flow Vision импортируется проточная часть цилиндра ДВС, включая впускной и выпускной каналы (рисунок 2).
На рисунке 3 приведен вид конечно-объемной локально адаптированной расчетной сетки. Адаптация (измельчение) начальной сетки выполнена как по объему проточной части, так и по стенкам каналов и цилиндров.
Рисунок 1 - 3-мерная твердотельная модель цилиндра ДВС
Рисунок 2 - Общий вид проточной части цилиндра ДВС
Рисунок 3 - Расчетная сетка
Перемещения поршня и клапанов, приведенные на рисунке 4, задавалось в виде динамической библиотеки:
- для поршня расчетом по формуле [6; 7] :
Y = d x Cos (p( + ф2 - d2 x Sin2 (p)
(p = fflx t. ^^
- для впускного и выпускного клапанов, в табличной форме с интерполяцией по времени.
В рамках построенной расчетной модели было проведено тестовое моделирование течения газов во впускном и выпускном каналах, а так же в самом цилиндре в условиях «холодной продувки».
На рисунке 5 приведено графическое представление векторного поля скоростей газа в впускном канале и цилиндре в плоскости симметрии цилиндра при открытии впускного клапана. Поле скоростей наглядно показывает характер течения, формирование вихрей.
На рисунке 6 приведено распределение давления в выпускном канале и цилиндре в плоскости симметрии цилиндра при открытии выпускного клапана. Данная картина показывает области выходного тракта, где происходит основное падение давления и дополняет анализ течения.
Рисунок 4 _ Зависимость перемещения клапанов и поршня об угол поворота вала
Рисунок 5 - Поле скоростей
Рисунок 6 - Распределение давления
Рисунок 7 - Область расчета газообмена двигателя ВСН-7
В ходе решения задачи о газообмене перед нами стоит необходимость определения термодинамических параметров и полей рабочего тела, находящегося в области расчета. Под областью расчета понимается объем, в котором определены уравнения математической модели, и граница объема, на которой определены граничные условия.
Проведем математическое моделирование процесса газообмена дизеля ВСН-7Д производства Кировского завода ОАО «ВМП Авитек».
Область расчета создается в системе САПР SolidWorks 2007 (рис. 7).
Для численного моделирования газообмена в ДВС воспользуемся пакетом FlowVision. Геометрия проточной части, созданная в САПРе импортируется в вариант расчета. Структура нового варианта появится в рабочем окне FlowVision, а изображение геометрии в графическом окне (рис. 7).
После импортирования геометрии проточной части в выбранный вариант расчета необходимо включить подвижные детали, включенные в математическую модель. К подвижным деталям относятся поршень и впускной и выпускной клапана.
Рисунок 8 - Локально-измельченная расчетная сетка рабочей области
Для впускного и выпускного клапанов закон движения задается в табличной форме с учетом результатов промеров профилей соответствующих кулачков.
После загрузки исходной геометрии и настройки фильтров подвижных тел выбирается модель течения и решаемые уравнения в каждой расчетной подобласти.
Целью моделирования движения жидкости и газа в расчетной области является получение распределений скорости, давления и других физических параметров газа. Что бы рассчитать эти параметры, необходимо задать физические законы их изменения, совокупность которых для данной задачи называется математической моделью [13; 16]. В соответствии с вышеизложенным принимаем модель - турбулентное течение полностью сжимаемой жидкости с использованием стандартной к-е модели турбулентности.
Следующий шаг создания расчетного варианта - это задание граничных условий на границах расчетной области.
Задание граничных условий для задачи о газообмене заключается в определении параметров состояния рабочего тела на физических границах расчетной области. Граничные условия задаются для каждой из расчетных переменных. Для облегчения выбора и исключения постановки несовместимых граничных условий, они объединены в тип границы. Каждый тип границы соответствует некоторому физическому процессу, происходящему на границе [19].
Граничные условия задаются для каждой из расчетных переменных (температура, давление, скорость и т. д.). Для облегчения выбора и исключения постановки несовместимых граничных условий, они объединены в «Тип границы». Каждый Тип границы соответствует некоторому физическому процессу, происходящему на границе.
После задания граничных условий генерируем расчетную сетку рабочей области. Используем адаптированную расчетную прямоугольную локально-измельченную сетку, причем адаптация (измельчение) сетки выполнена как по локальным объ-
емам, так и по стенкам проточных каналов. Выбираем три локальных объема, в которых производим измельчение расчетной сетки, это проточные части возле впускного и выпускного клапана и объем верхней части цилиндра в непосредственной близости от клапанов (рис. 8).
Перед началом постановки на расчет созданного варианта необходимо задать параметры метода численного моделирования. При этом задаем частоту вращения коленчатого вала, число итераций, частоту автосохранения данных расчета по итерациям, способ восстановления переменной внутри расчетной ячейки, задаем параметры, определяющие метод расчета и способ выбора шага по времени.
Заключение
Таким образом, рассмотрев вопросы математического моделирования процесса газообмена ДВС, можно сделать следующие основные выводы:
1. На процесс наполнения цилиндра двигателя свежим зарядом оказывают влияние, как конструктивные особенности впускной системы, так и параметры, определяющие характер движения заряда.
2. При выборе системы уравнений математической модели процесса газообмена необходимо учитывать как конструктивные размеры и режимы работы исследуемого двигателя, так и динамическое явления в органах газообмена, учитывающие неустановившийся поток во впускном и выпускном тракте, а также в цилиндре. Кроме этого необходимо учитывать влияние турбулентности на движения заряда по органам газообмена, а так же на граничные условия математической модели.
3. Разработанная математическая модель позволяет производить расчет процесса газообмена с нахождением мгновенных значений давлений, скоростей движения потока, температур, плотностей и других термодинамических параметров среды в каждом узле расчетной сетки рабочей области.
4. Для учета влияний на движение заряда по органам газообмена работы кривошипно-шатунного и газораспределительного механизмов, в рабочую область кроме геометрии проточной части включены подвижные детали : поршень, впускной и выпускной клапана, причем для каждой из деталей заданы законы движения.
5. Для созданной рабочей области определены и установлены начальные и граничные условия для каждых границ проточной части и подвижных деталей с зарядом.
6. Анализ полученных данных дает следующие направления по совершенствованию газообмена в исследуемом ДВС:
- для увеличения наполнения свежим зарядом необходимо изменить профиль кулачков и диаметр клапанов;
- изменить геометрию и обработку впускного и выпускного каналов.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Агафонов А. Н., Слесаренко И. В., Гудзь В. Н., Горланов А. В., Пчельников Д. П., Разуваев А.
B. Экспериментальные исследования работы ДВС с усовершенствованной системой воздухоснабжения // Двигателестроение, 2007, № 2, С. 11-15.
2. Васильев А. В., Григорьев Е. А. Формирование характеристик газораспределения ДВС // Двигателестроение, №1, 2002, С. 23_25.
3. Голев Б. Ю. Численный расчет движения воздушного заряда во впускном винтовом канале и цилиндре дизеля // Фундаментальные и прикладные проблемы совершенствования поршневых двигателей : Материалы XII Международной научно-практической конференция, г. Владимир, 2010, С. 29_31.
4. Горнушкин Ю. Г., Михайлов Я. А. Требования к воздухопроводяшему тракту моторного испытательного стенда // Фундаментальные и прикладные проблемы совершенствования поршневых двигателей : Материалы X Международной научно-практической конференция. г. Владимир, 2005,
C. 29_31.
5. Гоц А. Н., Гаврилов А. А. Моделирование показателей цикла двигателя по внешней скоростной характеристике // Материалы IX Международной научно-практической конференции, г. Владимир, 2003, С. 52_56.
6. Грицюк А. В., Алехин С. А., Опалеев В. А., Солодов В. Г., Хандримайлов А. А. Исследование газодинамических характеристик впускных каналов дизеля при его разработке // Материалы X Международной научно-практической конференции, г. Владимир, 2005, С. 82_88.
7. Гусаков С. В., Макаревский А. С. Опыт применения метода планируемого эксперимента в исследованиях ДВС // Материалы X Международной научно-практической конференции, г. Владимир, 2005, С. 38_40.
8. Жлуктов С. В., Субботина П. Н. Моделирование течений с частицами и двухфазного горения программным комплексом FlowVision // Материалы X Международной научно-практической конференции, г. Владимир, 2005, С. 52_53.
9. Захаров Л. А., Хрунков С. Н. и др. Расчет действительного цикла поршневого бензинового двигателя с использованием индикаторной диаграммы // Межвуз. сб. научн. тр. г. Н. Новгород : НГТУ, 2000, С. 102_110.
10. Иващенко Н. Л. Двигатели внутреннего сгорания, перспективы силовых установок // Материалы IX Международной научно-практической конференции, г. Владимир, 2003, С. 15_17.
11. Ильгамов М. А., Гильманов А. Н. Неотражающие условия н границах расчетной области. М. : Физматлит, 2003, 285 с.
12. Калугин С. П., Балабин В. Н. Математическое моделирование процессов газообмена двигателя внутреннего сгорания // Прикладная наука, 2007, № 1, С. 20-27.
13. Куликовский А. Г., Погорелов Н. В., Семенов А. Ю. Математические вопросы численного решения гиперболических систем уравнений. М. : Физматлит, 2001, 318 с.
14. Лиханов В. А., Лопатин О. П. моделирование рабочего процесса газодизеля при работе с рециркуляцией ОГ // Материалы X Международной научно-практической конференции, г. Владимир, 2005,С. 31-33.
15. Лобов Н. В. Расчет по трехмерной модели процесса газообменя двухтактного одноцилиндро-ванного бензинового двигателя с кривошипно-камерной продувкой // Материалы IX Международной научно-практической конференции, г. Владимир, 2003, С.261-263.
16. Малиованов М. В., Хмелев Р. Н. К вопросу разработки математического и программного обеспечения расчета газодинамических процессов в ДВС // Материалы IX Международной научно-практической конференции, г. Владимир, 2003, С. 213-216.
17. Миронычев М. А., Павельев В. Н., Низов-цев В. А., Орлов С. А., Хрунков С. Н. Рациональная организация рабочих процессов поршневых двигателей с целью повышения их технико-экономических показателей // Материалы X Международной научно-практической конференции, г. Владимир, 2005, С. 65-67.
18. Химич В. Л., Макаров А. Р., Захаров И. Л. Разработка трехзонной математической модели участков смесеобразования и сгорания рабочего процесса бензинового поршневого ДВС // Материалы X Международной научно-практической конференции, г. Владимир, 2005, С. 71-81.
19. Эфрос В. В., Голев Б. Ю. Численное моделирование впускных каналов // Двигателестроение, 2007, № 4, С. 24-27.
20. Янович Ю. В. Влияние закрутки потока во впускном канале на структуру движения заряда в цилиндре двигателя // Материалы VIII научно-практической конференции, г. Владимир, 2001, С. 268-271.
REFERENCES
1. Agafonov A. N., Slesarenko I. V., Gudz' V. N., Gorlanov A. V., Pchel'nikov D. P., Razuvaev A. V. Ek-sperimental'nie issledovaniya raboti DVS s usovershenstvovannoy sistemoy vozduhosnabzheniya
(EXPO-ICE works tal studies with improved air supply system), Dvigatelestroenie, 2007, No. 2, pp. 11-15.
2. Vasil'ev A. V., Grigor'ev E. A. Formirovanie harakteristik gazoraspredeleniya DVS (Formation ICE timing characteristics), Dvigatelestroenie, No.1, 2002, pp.23-25.
3. Golev B. YU. CHislenniy raschet dvizheniya vozdushnogo zaryada vo vpusknom vintovom kanale i tsilindre dizelya (The numerical calculation of the charge air in the intake channel and the screw cylinder diesel), Fundamental'nie i prikladnie problemi sovershenstvovaniya porshnevih dvigateley : Materiali XII Mezhdunarodnoy nauchno-prakticheskoy konfer-entsiya, g. Vladimir, 2010, pp. 29-31.
4. Gornushkin YU. G., Mihaylov YA. A. Trebo-vaniya k vozduhoprovodyashemu traktu motornogo ispitatel'nogo stenda (Requirements vozduhoprovod-yashemu path engine test bed), Fundamental'nie i pri-kladnie problemi sovershenstvovaniya porshnevih dvigateley : Materiali X Mezhdunarodnoy nauchno-prakticheskoy konferentsiya. g. Vladimir, 2005, pp.29-31.
5. Gots A. N., Gavrilov A. A. Modelirovanie pokazateley tsikla dvigatelya po vneshney skorostnoy harakteristike (Simulation engine cycle indicators for external speed characterized Stick), Materiali IX Mezhdunarodnoy nauchno-prakticheskoy konferentsii, g. Vladimir, 2003, pp. 52-56.
6. Gritsyuk A. V., Alehin S. A., Opaleev V. A., Solodov V. G., Handrimaylov A. A. Issledovanie gazo-dinamicheskih harakteristik vpusknih kanalov dizelya pri ego razrabotke (The study of gas dynamic characteristics of the intake channel of a diesel engine in its development), Materiali X Mezhdunarodnoy nauchno-prakticheskoy konferentsii, g. Vladimir, 2005, pp.82-88.
7. Gusakov S. V., Makarevskiy A. S. Opit prime-neniya metoda planiruemogo eksperimenta v issledo-vaniyah DVS (Experience of applying the method of the planned experiment in ICE research), Materiali X Mezhdunarodnoy nauchno-prakticheskoy konferentsii, g. Vladimir, 2005, pp. 38-40.
8. ZHluktov S. V., Subbotina P. N. Modeliro-vanie techeniy s chastitsami i dvuhfaznogo goreniya programmnim kompleksom FlowVision (Modelling of particle two-phase and burning software FlowVision complex), Materiali X Mezhdunarodnoy nauchno-prakticheskoy konferentsii, g. Vladimir, 2005, pp.52-53.
9. Zaharov L. A., Hrunkov S. N. i dr. Raschet deystvitel'nogo tsikla porshnevogo benzinovogo dvigatelya s ispol'zovaniem indikatornoy diagrammi (Calculation of the actual cycle reciprocating gasoline engine using of the indicator diagram), Mezhvuz. sb. nauchn. tr. g. N. Novgorod : NGTU, 2000, pp.
102-110.
10. Ivaschenko N. L. Dvigateli vnutrennego sgoraniya, perspektivi silovih ustanovok (Internal combustion engines, power plants perspectives), Materiali IX Mezhdunarodnoy nauchno-prakticheskoy konfer-entsii, g. Vladimir, 2003, pp. 15-17.
11. Il'gamov M. A., Gil'manov A. N. Neotra-zhayuschie usloviya n granitsah raschetnoy oblasti (Nonreflecting conditions n boundaries of the region), M. : Fizmatlit, 2003, 285 p.
12. Kalugin S. P., Balabin V. N. Matematich-eskoe modelirovanie protsessov gazoobmena dvigatelya vnutrennego sgoraniya (Mathematical modeling of the gas exchange of the combustion engine), Prikladnaya nauka, 2007, No. 1, pp. 20-27.
13. Kulikovskiy A. G., Pogorelov N. V., Se-menov A. YU. Matematicheskie voprosi chislennogo resheniya giperbolicheskih sistem uravneniy (Mathematical problems in the numerical solution of hyper-parabolic uravneniy), M. : Fizmatlit, 2001, 318 p.
14. Lihanov V. A., Lopatin O. P. modelirovanie rabochego protsessa gazodizelya pri rabote s retsirkul-yatsiey OG (Modeling of gas diesel engine working process when working with EGR), Materiali X Mezhdunarodnoy nauchno-prakticheskoy konferentsii, g. Vladimir, 2005, pp. 31-33.
15. Lobov N. V. Raschet po trehmernoy modeli protsessa gazoobmenya dvuhtaktnogo odnotsilindro-vannogo benzinovogo dvigatelya s krivoshipno-kamernoy produvkoy (Calculation of the three-dimensional model of a two-stroke gas exchange process odnotsilindrovannogo ben Zinoviev engine crank-chamber scavenging), Materiali IX Mezhdunarodnoy nauchno-prakticheskoy konferentsii, g. Vladimir, 2003, pp.261-263.
16. Maliovanov M. V., Hmelev R. N. K voprosu razrabotki matematicheskogo i programmnogo obespecheniya rascheta gazodinamicheskih protsessov
v DVS (On the question of the development of mathematical and software calculation of dynamic processes in internal combustion engines), Materiali IX Mezhdunarodnoy nauchno-prakticheskoy konferentsii, g. Vladimir, 2003, pp. 213-216.
17. Mironichev M. A., Pavel'ev V. N., Nizov-tsev V. A., Orlov S. A., Hrunkov S. N. Ratsional'naya organizatsiya rabochih protsessov porshnevih dvigate-ley s tsel'yu povisheniya ih tehniko-ekonomicheskih pokazateley (The rational organization of working processes of piston engines in order to increase their technical and economic exponents-lei), Materiali X Mezhdunarodnoy nauchno-prakticheskoy konferentsii, g. Vladimir, 2005, pp. 65-67.
18. Himich V. L., Makarov A. R., Zaharov I. L. Razrabotka trehzonnoy matematicheskoy modeli uchastkov smeseobrazovaniya i sgoraniya rabochego protsessa benzinovogo porshnevogo DVS (Development of a three-zone mathematical model plots mixture formation and combustion-working process piston petrol DVS), Materiali X Mezhdunarodnoy nauchno-prakticheskoy konferentsii, g. Vladimir, 2005, pp.71-81.
19. Efros V. V., Golev B. YU. CHislennoe modelirovanie vpusknih kanalov (Numerical simulation of engine intake channels), Dvigatelestroenie, 2007, No. 4, pp.24-27.
20. YAnovich YU. V. Vliyanie zakrutki potoka vo vpusknom kanale na strukturu dvizheniya zaryada v tsilindre dvigatelya (Influence of spin flow in the inlet channel to the motion of the charge in the cylinder structure), Materiali VIII nauchno-prakticheskoy konferentsii, g. Vladimir, 2001, pp. 268-271.
Дата поступления статьи в редакцию, принята к публикации.
05.20.01
УДК 622.928; 631.363
СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ РАБОЧЕГО ПРОЦЕССА КОРМОПРИГОТОВИТЕЛЬНЫХ МАШИН ПУТЕМ ОБОСНОВАНИЯ ИХ КОНСТРУКЦИОННЫХ И РЕЖИМНЫХ ПАРАМЕТРОВ
© 2017
Булатов Сергей Юрьевич, кандидат технических наук, доцент кафедры «Технический сервис» Нижегородский государственный инженерно-экономический университет, Княгинино (Россия)
Аннотация
Введение. Состояние отрасли животноводства и растениеводства во многом определяют продовольственную безопасность страны. Развитие этих отраслей невозможно без внедрения современных технологий, высокоэффективных машин и комплексов. Нами разработан, испытан и внедрен в хозяйства и производство комплекс машин для приготовления как традиционных (полнорационных, сыпучих сухих, влажных рассыпных), так и современных синтезированных кормов.
Материалы и методы. При исследовании рабочих процессов отдельных элементов и кормопригото-вительного агрегата в целом применялись общепринятые методики, а также разработанные авторами. В статье
