CC BY
12
УДК 621.431.74.016 Борис Иванович Руднев
Дальневосточный государственный технический рыбохозяйственный университет, доктор технических наук, профессор кафедры холодильной техники, кондиционирования и теплотехники, SPIN-код: 2797-1790, AuthorlD: 423385, Россия, Владивосток
Ольга Владимировна Повалихина
Дальневосточный государственный технический рыбохозяйственный университет, доцент кафедры холодильной техники, кондиционирования и теплотехники, SPIN-код: 9956-1129, AuthorlD: 875839, Россия, Владивосток, e-mail:роvаliсhinа@mаil.ru
Расчетная оценка полей скоростей рабочего тела в камере сгорания дизельного двигателя
Аннотация. Современные тенденции развития судовых дизелей связаны прежде всего с улучшением их энергетических и экологических характеристик. Это обуславливает появление ряда проблем, важнейшая из которых - возрастание теплонапряженности деталей, образующих камеру сгорания. Высокие локальные тепловые потоки на поверхностях крышки цилиндра, поршня и втулки являются одной из главных причин, снижающих эксплуатационную надежность форсированных судовых дизелей. Достоверность расчетной оценки теплового и напряженно-деформированного состояния деталей, образующих камеру сгорания, определяется главным образом правильностью задания локальных граничных условий со стороны рабочего тела. Учитывая, что доля конвективного теплового потока в суммарном теплообмене достигает в среднем за рабочий цикл 6070 %, становится очевидной актуальность разработки надежных расчетно-теоретических методов определения полей скоростей рабочего тела в камере сгорания судовых дизелей. Целью данной статьи является дальнейшее совершенствование математической модели локального конвективного теплообмена в камере сгорания высокооборотного судового дизеля. Показано, что внешнее течение рабочего тела в камере сгорания может быть описано уравнениями Эйлера. Представлены поля скоростей рабочего тела в функции угла поворота коленчатого вала, полученные численным методом. Приведены изотермы и изобары рабочего тела, позволяющие более глубоко проанализировать физику процесса конвективного теплообмена в камере сгорания судового высокооборотного дизельного двигателя.
Ключевые слова: судовой дизель, спектральная оптическая толщина пламени, радиационный теплообмен.
Boris I. Rudnev
Far Eastern State Technical Fisheries University, doctor of technical sciences, professor of the department of refrigeration, air conditioning and heat engineering, SPIN-cod: 2797-1790, AuthorlD: 423385, Russia, Vladivostok
Olga V. Povalikhina
Far Eastern State Technical Fisheries University, associate professor of the department of refrigeration, air conditioning and heat engineering, SPIN-cod: 9956-1129, AuthorlD: 875839, Russia, Vladivostok, e-mail:роvаliсhinа@mаil.ru
Calculation estimation velocites fields of gases in marine diesel combustion chamber
Abstract. Modern trends of marine diesel development are connected with impairment its power and ecological data. It reveal some problems the most are increasing of heat condition details that formats combustion chamber. High local heat fluxes on the surfaces of head cover, piston and liner of cylinder are the most reasons that redact exploitative reability forced marine diesel. Reability of calculative estimation of heat and deformable condition of details that form combustion chamber. This estimation is tested by local boundary conditions to gases. Including that the part convective of heat flux in total heat transfer reaches in average 60 - 70% for working cycle is the obvious priority of relabel calculation-theatrical methods of definition fields velocities gases in marine diesel engines. Purpose of this article is impairment of mathematical model local convective heat transfer in high speed diesel combustion chamber. Outside flow of gases in combustion chamber may be shown by equations Euler. Velocity's fields of gases in function crank angle degree are given with numerical method. Isotherms and isobars of gases that make physic of process convective heat transfer possible in marine high speed diesel engine combustion chamber.
Key words: numerical method, velocities fields of gases, convective heat transfer, marine diesel. Введение
Современные тенденции развития судовых дизелей связаны прежде всего с улучшением их энергетических и экологических характеристик. Это обуславливает появление ряда проблем, важнейшая из которых - возрастание теплонапряженности деталей, образующих камеру сгорания (КС). Взаимодействие рабочего тела со стенками КС приводит к крайне неравномерному тепловому нагружению ее деталей. Высокие локальные тепловые потоки на поверхностях крышки цилиндра, поршня и втулки являются одной из главных причин, снижающих эксплуатационную надежность форсированных дизельных двигателей, в том числе и судовых. Достоверная расчетная оценка теплового и напряженно-деформированного состояния деталей цилиндропоршневой группы судовых дизелей как на стадии проектирования, так и при доводке конструкций вызывает серьезные трудности. Они обусловлены главным образом правильностью задания локальных граничных условий со стороны рабочего тела. Известно, что доля конвективного теплового потока в суммарном достигает в среднем за рабочий цикл от 60 до 70 %. В связи с этим разработка и создание надежных, экспериментально обоснованных расчетно-теоретических методов определения полей скоростей рабочего тела в КС судовых дизелей является весьма актуальной проблемой.
Исходная система дифференциальных уравнений конвективного теплообмена и основные положения ее численного решения
Математическая модель (ММ) конвективного теплообмена в КС дизеля, предложенная одним из авторов настоящей статьи [1], предусматривает расчетное определение локальных потоков этого вида переноса теплоты для поверхностей крышки цилиндра, поршня и втулки в функции угла поворота коленчатого вала (ПКВ). При этом рабочее тело в КС дизеля рассматривается условно состоящим из ядра потока и турбулентного пограничного слоя. Выполненными расчетными оценками установлено, что для высокооборотных дизелей типа 8 ЧН 13/14, 12 ЧН 18/20 и аналогичных им скорость звука в КС лежит в пределах 520-880 м/с [1, 2]. В то же время величина скорости рабочего тела в дизелях с КС типа Гессельман, Дейц и им подобных укладывается в диапазон 10-60 м/с. Сопоставление последних со скоростью звука показывает, что условие (1) выполняется во всем диапазоне угла ПКВ, при котором передается основная часть теплоты от рабочего тела к стенкам деталей, образующих КС (процессы сгорания и расширения рабочего тела):
w < 0.25а,
(1)
где и, а - скорость рабочего тела и звука в КС соответственно.
В механике жидкости и газа [3] показано, что выполнение условия (1) позволяет считать течение рабочего тела во внешнем потоке (вне пограничного слоя) невязким и для его описания использовать уравнение Эйлера. Кроме того, в дизелях с упомянутыми выше типами КС движение в ядре потока можно считать осесимметричным и перейти от трехмерной к двухмерной постановке задачи. Область решения двухмерной осесимметричной задачи течения рабочего тела в КС с фигурным днищем поршня представлена на рис. 1.
Рис. 1. Область решения двухмерной осесимметричной задачи течения рабочего тела
в КС с фигурным днищем поршня Fig. 1. The area of solution two-dimension axes-symmetry of task flow of gases in combustion chamber with figurical bottom of piston
При этом система дифференциальных уравнений в частных производных, описывающая фундаментальные законы сохранения энергии, импульса и массы применительно к течению рабочего тела в ядре потока (вне пограничного слоя) в КС дизеля, запишется в цилиндрической системе координат следующим образом:
(2)
где р - плотность рабочего тела в КС; Е - внутренняя энергия рабочего тела; u, V - вертикальная (осевая) и радиальная проекция вектора скорости рабочего тела в КС; Z, г - вертикальная (осевая) и радиальная координаты цилиндрической системы.
Уравнения (2)-(5) решались численно на ЭВМ по специально разработанной программе с применением интегрального метода [1]. При этом использовались лагранжевы координаты и неявная полностью консервативная разностная схема [4-6]. В расчетах условий течения рабочего тела в КС дизеля типа 8 ЧН 13/14 использовались регулярные сетки размером 25 х 20 для плоской поверхности днища поршня и 30 х 20 - для днища со сложным профилем поверхности. Рассмотрение и численное решение задачи течения рабочего тела в КС с плоским днищем поршня были обусловлены необходимостью выяснения ряда как общих закономерностей, так и особенностей такого течения, а также отработкой алгоритма и программы численного решения уравнений на ЭВМ. В результате были получены поля скоростей, температуры, плотности и давления рабочего тела в объеме КС при различных углах ПКВ. Для КС со сложным профилем поверхности поршня типа ЦНИДИ, Дейц, ЯМЗ, Гес-сельман возможно, как показали выполненные на ЭВМ расчеты, использование рекомендаций С. Патанкара [7] о блокировке некоторых расчетных областей регулярной конечно-разностной сетки. Полученные расчетные поля скоростей, температуры, плотности и давления рабочего тела были затем использованы как входные параметры для расчета локального конвективного теплового потока [8].
Отметим, что расчетная зависимость для локальной плотности конвективного теплового потока построена на локальном соотношении энергии для турбулентного пограничного слоя. Путем преобразований с использованием закона теплообмена, справедливого для обтекания плоской пластины несжимаемым неизотермическим потоком рабочего тела при турбулентном пограничном слое с последующим интегрированием, указанное выше соотношение приводится к уравнению, включающему локальные значения критерия Стентона и других параметров. Полученное локальное значение критерия Стентона в совокупности с локальными значениями скорости, температуры, плотности и теплоемкости рабочего тела однозначно определяют локальную плотность конвективного теплового потока [1, 9].
(6)
где Cp<x) р<х) Wcю - изобарная теплоемкость, плотность и скорость рабочего тела во внешнем потоке (вне пограничного слоя) в КС; АТ - температурный напор; С - константа; ReL - число Рейнольдса, построенное по характерному размеру поверхности (в данном случае по радиусу цилиндра дизеля); ¥т - коэффициент, учитывающий влияние неизотермичности на теплоотдачу; х - относительный радиус крышки цилиндра или поршня.
Численное значение коэффициента ¥т, константы С и показателя степени m в уравнении (6) выбирались с учетом рекомендаций, содержащихся в [9, 10].
Результаты по полям скоростей и другим параметрам рабочего тела
в КС дизеля и их обсуждение
Поля скоростей (распределение вектора скорости) и других параметров рабочего тела в КС высокооборотного дизеля типа 8 ЧН 13/14 были получены в результате численного ре-
шения дифференциальных уравнений (2)-(5), описывающих основные законы сохранения. Визуализация поля скоростей и других параметров рабочего тела проводилась на ЭВМ с помощью специальных графических программ Surfer и Grapher фирмы Golden Soft ware inc., Golden, Colorado, USA.
Ранее было указано, что в качестве тестовой для определения поля скоростей рабочего тела в КС являлась задача с плоским днищем поршня. Следует отметить, что численное решение на ЭВМ задачи внешнего течения (вне пограничного слоя) для КС с плоским днищем поршня было выполнено с двумя целями. Первая цель - отработка на ЭВМ соответствующего алгоритма и программы, а также определение с ее помощью основных параметров внешнего течения. Вторая цель - оценка влияния начальных условий на параметры внешнего течения рабочего тела в КС. Отмеченные цели были достигнуты в процессе многовариантных расчетов на ЭВМ.
Анализ полей скоростей, представленных в [2], позволяет сделать вывод о том, что в случае плоского днища поршня движение рабочего тела около его поверхности имеет примерно радиальный характер. Вдоль огневой поверхности крышки цилиндра движение рабочего тела носит четко выраженный радиальный характер.
Поля скоростей рабочего тела в КС с фигурным днищем поршня, полученные численным методом, для различных углов ПКВ после верхней мертвой точки (ВМТ) показаны на рис. 2 и 3.
Рис. 2. Распределение вектора скорости рабочего тела в вертикальной плоскости симметрии в КС с фигурным днищем поршня, поршень движется к нижней мертвой точке (НМТ), его положение 150
ПКВ после ВМТ, Pme=0,61 МПа, n= 1700 мин-1, масштаб вектора скорости 5 мм - 20 м/с Fig. 2. The dispensation velocity vector of gases in plane vertical symmetry in combustion chamber with figurical bottom of piston, piston move to UDC, its position 15 crank angle degrees after TDC, Pme=0,61 MPa, n=1700 min-1, scale velocity of vector 5mm - 20 m/s
Рис. 3. Распределение вектора скорости рабочего тела в вертикальной плоскости симметрии в КС с фигурным днищем поршня, поршень движется к НМТ, его положение 200 ПКВ после ВМТ, Pme=0,61 МПа, n= 1700 мин-1, масштаб вектора скорости 5 мм - 20 м/с Fig. 3. The dispensation velocity vector of gases in plane vertical symmetry in combustion chamber with figurical bottom of piston, piston move to UDC, its position 20 crank angle degrees after TDC, Pme=0,61 MPa, n=1700 min-1, scale velocity of vector 5mm - 20 m/s
На рис. 2 и 3 ось цилиндра располагается справа, поршень - в нижней части рисунков и движется от ВМТ. Следует отметить, что в этом случае поля скоростей рабочего тела отличаются от таковых по сравнению с КС, имеющей плоское днище поршня.
Во-первых, принципиально меняется качественная картина течения рабочего тела в объеме КС. В углублении КС в поршне в районе кромки течение меняет свое направление. При этом в потоке рабочего тела образуются вихревые структуры. Последние, безусловно, должны интенсифицировать процесс теплообмена между рабочим телом и поверхностью днища поршня в районе кромки КС. Это положение полностью подтверждается результатами экспериментальных исследований, выполненных специалистами фирмы «Даймлер-Бенц» [11]. Анализ работы [11] приведен ранее в [1], а часть полученных в ней экспериментальных данных - в [8]. Течение рабочего тела около поверхности крышки цилиндра и в этом случае имеет в основном радиальный характер.
Во-вторых, с количественной точки зрения величина локальной скорости рабочего тела в случае с фигурным днищем поршня существенно отличается от таковой, полученной при численном решении на ЭВМ для плоского днища поршня. Причем максимальные скорости рабочего тела наблюдаются в районе кромки КС в поршне и составляют 16-28 м/с. Указанные расчетные значения локальных скоростей рабочего тела хорошо согласуются с результатами выполненных с применением других, отличных от наших, математических моделей [12, 13], а также с экспериментальными данными [14].
На рис. 4 и 5 представлены изобары и изотермы рабочего тела в КС высокооборотного судового дизеля 8 ЧН 13/14, полученные при численном решении уравнений (2)-(5). На указанных рисунках огневое днище крышки цилиндров совпадают с осью абсцисс, поршень движется вверх по оси Z, т.е. от ВМТ к НМТ. Их анализ показывает, что градиенты давления и температуры, возникающие в рабочем теле по объему КС, не столь значительны.
0.2 0.7 1.6 2.1 2.6 3.1 3.6 4.1 4.6 5.1 г102, м
Рис. 4. Изобары рабочего тела в вертикальной плоскости симметрии в КС с фигурным днищем поршня: цифрами на изобарах указаны значения давления рабочего тела в МПа, положение поршня 100
ПКВ после ВМТ, Pme=0,61 МПа, n=1700 мин-1 Fig. 4. Isobars of gases in plane vertical symmetry in combustion chamber with figurical bottom of piston: numerals on isobars values gases of pressure are showed on MPa, position of piston 10 crank angle degrees
after TDC, Pme=0,61 MPa, n=1700 min-1
Последние и определяют умеренные величины локальных скоростей рабочего тела в КС. Отметим также, что уравнениями (2)-(5) описывается процесс только конвективного теплообмена, так как уравнение энергии не содержит параметра, учитывающего перенос теплоты излучением.
0.2 0.7 1.6 2.1 2.6 3.1 3.6 4.1 4.6 5.1 гЮ2, м
Рис. 5. Изотермы рабочего тела в вертикальной плоскости симметрии в КС с фигурным днищем поршня: цифрами на изотермах указаны значения температуры рабочего тела в тысячах градусах Кельвина, положение поршня 10° ПКВ после ВМТ, Рга=0,61 МПа, n=1700 мин-1 Fig. 5. Isobars of gases in plane vertical symmetry in combustion chamber with figurical bottom of piston: numerals on isoterms values gases of temperature on thousands Kelvin of degrees, position of piston 10 crank angle degrees after TDC, Рme=0,61 МР^ n=1700 min-1
Заключение
Представленный в статье подход, основанный на описании движения рабочего тела во внешнем потоке (вне пограничного слоя) с помощью фундаментальных законов сохранения, и обоснованное допущение возможности представить уравнения движения в форме Эйлера позволили получить ряд интересных и важных результатов. В частности, расчетные поля скоростей рабочего тела в качественном и количественном отношениях хорошо согласуются с известными экспериментальными данными, расхождения составляет 10-15 %. Полученные численным методом на ЭВМ изотермы и изобары рабочего тела в камере сгорания высокооборотного судового дизеля дают возможность более глубоко понять физику процесса конвективного теплообмена, оценить влияние формы камеры сгорания и наметить дальнейшие пути совершенствования математической модели этого вида теплопереноса.
Список литературы
1. Руднев Б.И. Процессы локального теплообмена в камере сгорания дизелей. Владивосток: Дальнаука, 2000. 221 с.
2. Руднев Б.И., Повалихина О.В. Поля скоростей рабочего тела в камере сгорания дизельного двигателя // Научные труды Дальрыбвтуза. 2013. Т. 30. С. 105-110.
3. Лойцянский Л.Г. Механика жидкости и газа. М.: Дрофа, 2003. 840 с.
4. Ши Д. Численные методы в задачах теплообмена. М.: Мир, 1988. 544 с.
5. Флетчер К. Вычислительные методы в динамике жидкостей. М.: Мир, 1991. Т. 1. 504 с.
6. Зарубин В.С., Кувыркин Г.Н. Математические модели механики и электродинамики сплошной среды. М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2008. 512 с.
7. Патанкар С. Численные методы решения задач теплообмена и динамики жидкости. М.: Энергоатомиздат, 1984. 152 с.
8. Руднев Б.И., Повалихина О.В. Процессы теплообмена в камере сгорания дизельных двигателей. Эксперимент и математическое моделирование. Saarbrucken, Germany: LAP LAMBERT Academic Publishing, 2013. 112 c.
9. Кутателадзе С.С. Основы теории теплообмена. М.: Атомиздат, 1979. 416 с.
10. Кутателадзе С.С. Теплопередача и гидродинамическое сопротивление: справ. пособие. М.: Энергоатомиздат, 1990. 367 с.
11. Bopp S., Vatidis C., Whitelaw J.H. In cylinder velocity measurements with a mobile fiber optic LDA system // SAE Techn. Pap. Ser. 1990. № 900055. P. 1-12.
12. Bozza F., Cameretti M.C., Tuccillo R. Numerical Simulation of in-cylinder processes and duct flow in a light duty diesel engine // Fourth International Symposium on Small Diesel Engines // Journal of Polish CIMAC. Vol. 2, №1. Warsaw, Poland, 1996. P. 51-56.
13. Crary B., Kikuta K., Chikahisa T. et al. Causes of calculation instabilities and their coun-term-casures for KIVA, a three-dimensional program for combustion and fluid flow in I.C. engines // Mech. Fac. Eng., Hokkaido Univ. 1992. Vol. 18, № 3. P. 1-13.
14. Ball W.F., Pettifev H.F., Waterhouse C.N.F. Laser Doppler velocimeter measurements of turbulence in a direct-injection diesel combustion chamber // Proc. Int. Conf. Combust. Eng., Oxford, London. 1983. Vol. 1. P. 163-174.
Руднев Б.И., Повалихина О.В., 2020
Для цитирования: Руднев Б.И., Повалихина О.В. Расчетная оценка полей скоростей рабочего тела в камере сгорания дизельного двигателя // Научные труды Дальрыбвтуза.
2020. Т. 54, № 4. С. 57-64.
Статья поступила в редакцию 26.10.2020, принята к публикации 3.11.2020.
