- No category
Рабочий процесс поршневого двигателя: математические модели
advertisement
Научно-образовательный центр «Поршневого двигателестроения и спецтехники» МГТУ им. Н.Э. Баумана Классификация математических моделей рабочего процесса Математические модели рабочего процесса Традиционные Нульмерные (термодинамиче ские) Одномерные Трёхмерные Однозонные Двухзонные Многозонные Феноменологи ческие НОЦ «Поршневого двигателестроения и спецтехники» 2 Традиционный термодинамический метод Расчет рабочего процесса методом Гриневецкого - Мазинга Тепловой расчёт рабочего цикла выполняется с целью определения основных параметров и показателей рабочего процесса двигателя. Расчётный цикл Г-М построен на основе термодинамического цикла, но с учётом ряда особенностей, присущих реальному циклу, а именно: • рабочим телом является смесь воздуха и продуктом горения топлива, состоящего из углерода, водорода, серы, остаточной воды; • процессы наполнения цилиндра свежим зарядом и выпуска из цилиндра отработавших газов непосредственно не рассчитываются, но влияние газообмена на рабочий процесс учитывается введением поправочных коэффициентов; • процессы сжатия и горения-расширения происходят при неизменном количестве рабочего тела (утечками газа из цилиндра через неплотности поршневых колец пренебрегают); • увеличение массы заряда в цилиндре двигателя в результате подачи цикловой порции топлива не учитывается; • линия горения на индикаторной диаграмме не рассчитывается, а заменяется двумя участками подвода теплоты при постоянном объёме и постоянном давлении, как в термодинамическом процессе; • теплообмен газов со стенками цилиндров, изменение химического и мольного состава рабочего тела, неполнота сгорания топлива, а также протекание процессов горения во времени учитывается коэффициентами использования теплоты при сгорании, долей сгоревшего топлива к данному моменту процесса, коэффициентами молекулярного изменения; НОЦ «Поршневого двигателестроения и спецтехники» 3 Традиционный термодинамический метод Расчет рабочего процесса методом Гриневецкого - Мазинга • процессы сжатия и расширения считаются политропными с различными по величине но с постоянными на своих участках показателями; • теплоёмкость рабочего тела считается зависящей от его химического состава и температуры, но определяется для отдельных участков рабочего цикла; • совершенство рабочего цикла оценивается величиной индикаторного коэффициента полезного действия и удельной работой. С целью повышения точности оценки адиабатного теплоперепада в турбинах турбокомпрессоров учитывают переменность теплоёмкости газа при расширении в турбинах, а также вводят расчётную оценку показателя адиабаты. Эти изменения в алгоритме целесообразны при расчёте современных двигателей с высоким давлением наддува и значительной мощностью турбин турбокомпрессоров. НОЦ «Поршневого двигателестроения и спецтехники» 4 Однозонная модель расчета рабочего процесса ДВС Составление однозонной математической модели проводится на основе следующих предпосылок: 1. Изменения давления p∞(τ) и температуры T∞(τ) в объеме КС не имеют локального характера, т.е. их мгновенные значения одинаковы для любой произвольной точки в пространстве КС. 2. Элементарная часть топливно-воздушной смеси образуется мгновенно и мгновенно сгорает, она так же мгновенно полностью перемешивается с общей массой заряда, в результате в цилиндре получается гомогенное рабочее тело с давлением p∞(τ) и температурой T∞(τ). 3. Продукты сгорания, имеющие температуру Т∞(τ) и полностью перемешанные с общим зарядом цилиндра, находятся в состоянии химического равновесия. Используя однозонную модель можно решить две различные задачи расчета рабочего процесса: 1. Определить изменение давления P∞(τ). Для этого необходимо задать закон тепловыделения Qx(τ), а также закон теплообмена Qw(τ) , чтобы найти количество теплоты, передаваемой к рабочему телу. Условно эту задачу можно назвать прямой задачей расчета рабочего процесса. 2. Определить закон тепловыделения Qx(τ), задавая при этом закон изменения давления Р∞(τ), полученный либо экспериментальным, либо расчетным путем. Для определения Qx(τ) следует также задать закон теплообмена Qw(τ), так как непосредственно из Р∞(τ) можно найти количество теплоты dQ, идущей на изменение внутренней энергии рабочего тела. Данную задачу можно назвать обратной задачей расчета рабочего процесса. НОЦ «Поршневого двигателестроения и спецтехники» 5 Однозонная модель расчета рабочего процесса ДВС Основной недостаток однозонной модели состоит в том, что температура рабочего тела для всего объема КС допускается одинаковой и ее изменение рассматривается только по времени. На самом деле локальные температуры рабочего тела в КС различаются. Это, прежде всего, относится к процессу сгорания, при котором разница между температурами продуктов сгорания и не сгоревшей смеси может превышать 1000...1500 К. Очевидно, что осредненная по объему КС температура рабочего тела, определенная с помощью однозонной модели, сильно отклоняется от ее локальных значений. Это делает однозонную модель непригодной для достоверной оценки токсичности выпускных газов или лучистого теплообмена в КС. НОЦ «Поршневого двигателестроения и спецтехники» 6 Двухзонная модель расчета рабочего процесса ДВС Соединение азота с кислородом и образование NО наблюдается при температуре выше 1800 К, при этом для их образования достаточно нескольких миллисекунд. Для некоторых двигателей, особенно с внутренним смесеобразованием, максимальное значение осредненной по объему КС температуры цикла находится именно в таких пределах, и, на первый взгляд, в выпускных газах таких двигателей не должны содержаться NОx. Однако практика показывает обратное, и это объясняется тем, что в КС существуют локальные температура рабочего тела, значительно превышающие их осредненное по объему значение, и именно эти высокие локальные температуры являются причиной образования NОx. Ясно, что для изучения различных химических реакций образования вредных веществ необходимо знать максимальные значения локальных температур рабочего тела, которые примерно вдвое могут превышать среднюю по объему температуру, рассчитанную с помощью однозонной модели. В качестве другого примера можно привести излучение в КС - физический процесс, играющий важную роль в теплообмене в КС, особенно для двигателей с внутренним смесеобразованием. Все это приводит к необходимости создания многозонных моделей расчета рабочего процесса, самой простой из которых является двухзонная модель. НОЦ «Поршневого двигателестроения и спецтехники» 7 Двухзонная модель расчета рабочего процесса ДВС В основе двухзонной модели лежат следующие допущения: 1. Полный объем, занимаемый рабочим телом, условно делится на две части (две зоны). В одной зоне, названной "несгоревшей зоной", находится еще не успевшая сгореть рабочая смесь, а в другой - "сгоревшей зоне" - уже сгоревший газ (продукты сгорания). Эти две зоны разделены бесконечно тонкой линией фронта пламени, и каждая из них имеет свою температуру. 2. Каждая из двух зон для произвольного момента времени рассматривается как гомогенная, и разницы между локальными температурами внутри каждой зоны нет, могут различаться только температуры отдельных зон. 3. Давление по всему объему КС и, следовательно, внутри обеих зон для произвольного момента времени одинаково, и разницу между его локальными значениями нет. 4. После каждого изменения температуры мгновенно устанавливается химическое равновесие. На основе этого допущения определяются количественные показатели двухзонной модели. 5. Остаточные газы рассматриваются (аналогично однозонной модели) как смесь сгоревшего топлива и необходимого для его сгорания воздуха. При этом остаточные газы сначала перемешиваются в несгоревшей зоне, а потом, после начала сгорания, пропорционально к уменьшению несгоревшей зоны переводятся в сгоревшую зону, так что для каждого момента времени устанавливаются доли остаточных газов в сгоревшей и несгоревшей зонах. С помощью однозонной модели рассчитывают осредненную по объему КС температуру, а по двухзонной - значения температур в несгоревшей и сгоревшей зоне. НОЦ «Поршневого двигателестроения и спецтехники» 8 Двухзонная модель расчета рабочего процесса ДВС Изменение температуры рабочего тела для одно- и двухзонной моделей НОЦ «Поршневого двигателестроения и спецтехники» 9 Двухзонная модель расчета рабочего процесса ДВС Двухзонная модель позволяет также решать две основные задачи рабочего процесса: 1. Определять измерение температуры в отдельных зонах и давления в цилиндре по заданному закону тепловыделения. 2. Определять тепловыделение при заданном изменении давления. Двухзонная модель не может дать реального изменения локальных температур, т.к. она не может учесть испарение, сгорание, турбулентное перемещение, процессы впрыска и т.д. Поэтому необходимо использовать многозонную модель, в которой каждая зона рассматривается как отдельный контрольный объём, где соблюдаются все законы сохранения. НОЦ «Поршневого двигателестроения и спецтехники» 10 Многозонная модель расчета рабочего процесса ДВС Решение многих важных задач теории ДВС осложнено недостатком информации об изменении локальных температур рабочего тела в объеме КС в течение рабочего цикла. К таким задачам относятся, например, задача об определении локальных тепловых нагрузок на основные детали, об оптимальном перераспределении впрыскиваемого топлива в объеме КС (т.е. задачи, которые нельзя решать с помощью одно- и двухзонных моделей), а также задача об образовании токсичных веществ. Впервые многозонная модель была разработана в МГТУ им. Н.Э. Баумана, где в качестве основной концепции используется метод контрольных объемов (МКО), согласно которому рабочий объем цилиндра представляется как конечное число отдельных контрольных объемов (КО), для каждого из которых соблюдаются интегральные законы сохранения. В данном случае каждый из КО следует рассматривать как отдельную объемную зону, в которой после попадания части топлива происходит его испарение и сгорание. Распределение впрыскиваемого топлива в камере сгорания дизеля Моделирование распределения топлива в камере сгорания дизеля является промежуточным звеном более широкой задачи определения локальных нестационарных температур в камере сгорания дизеля, прогнозирование которых позволяет получить информацию о токсичности отработавших газов двигателя на стадии проектирования. НОЦ «Поршневого двигателестроения и спецтехники» 11 Многозонная модель расчета рабочего процесса ДВС Для расчета дальнобойности факела используется формула ЦНИДИ: dc lτ = τ ⋅ W0 ⋅ Θ tg 2 0.5 ρ ⋅ µ c ⋅ T ρB 0.25 где dc – диаметр соплового отверстия W0 = µ c ⋅ 2 ⋅ (Pвпр − Pв ) ρT - скорость истечения топлива; Pвпр, Рв – соответственно давление впрыска и воздуха в камере сгорания; µс – коэффициент расхода; ρт, ρв – плотность топлива и воздуха; l 2 ⋅ Re 0.46 ⋅ c ⋅ β dc Θ= ρT − 43.6 ⋅ ρ B 7.4 ⋅ 1 − e - угол раскрытия факела; lc – длина теплового отверстия ρ β = −0.0286 ⋅ T ρB 0.39 НОЦ «Поршневого двигателестроения и спецтехники» 12 Многозонная модель расчета рабочего процесса ДВС Топливный факел в вихревом потоке воздуха, вращающемся с угловой скоростью ωв Переход от реального сечения факела к эквивалентному НОЦ «Поршневого двигателестроения и спецтехники» 13 Многозонная модель расчета рабочего процесса ДВС Распределение топлива в цилиндре дизеля (скорость воздуха 20 м/с) НОЦ «Поршневого двигателестроения и спецтехники» 14 Многозонная модель расчета рабочего процесса ДВС Расчет локальных температур в камере сгорания Для расчета локальных температур используется многозонная модель, в основе которой лежит МКО. Где каждый из КО рассматривается как отдельная объемная зона. Первый закон термодинамики для i-того контрольного объема в интегральной форме: dU i = dQi + dLi + (h ⋅ dm )i В результате внешних воздействий (массообмен с примыкающими контрольными объемами), а также из-за наличия сложных процессов испарения и сгорания топлива внутри контрольного объема происходит изменение внутренней энергии dUi. Рабочее тело состоит из k компонентов: паров топлива, кислорода, водяного пара, двуокиси углерода, азота и др. С учетом этого изменение внутренней энергии по времени будет иметь вид: dmik dmиспi dmсг i dT dU i = ∑ uik ⋅ + ∑ mik ⋅ cVk ⋅ i + ∆uиспi ⋅ + ∆uсг i ⋅ dτ dτ dτ dτ k k dτ НОЦ «Поршневого двигателестроения и спецтехники» 15 Многозонная модель расчета рабочего процесса ДВС Суммарные приращения удельных внутренних энергий ∆uисп и ∆ucг определяются как разность между их значениями до и после испарения (сгорания) и зависят от теплофизических свойств топлива: χ k ⋅ µk ∆uисп = ∑ uk ⋅ χ исп ⋅ µТ k χ k ⋅ µk ∆uсг = ∑ uk ⋅ χ сг ⋅ µТ k где uk, mk- внутренняя энергия и масса k-того компонента; χисп, χсг – стехиометрические компоненты (число молекул исходных веществ в химической реакции); µт, µк – молекулярные массы топлива и k-того компонента. Для определения изменения внутренней энергии необходимо знание скорости испарения dmисп i/dτ и скорости сгорания dmсг i/dτ. НОЦ «Поршневого двигателестроения и спецтехники» 16 Многозонная модель расчета рабочего процесса ДВС Представление объема цилиндра дизеля в виде конечного числа контрольных объемов НОЦ «Поршневого двигателестроения и спецтехники» 17 Трехмерная модель расчета рабочего процесса ДВС Основанные на методах CFD трехмерные методы расчета рабочего процесса - наиболее точные, но ресурсоёмкие. Решается система уравнений количества движения (Навье-Стокса), энергии (Фурье-Кирхгофа), диффузии (Фика) и сохранения массы (неразрывности), как правило, в форме Рейнольдса. Трёхмерные модели позволяют получить пространственное распределение параметров рабочего тела, что увеличивает точность моделирования параметров токсичности и теплообмена. Для решения обобщённой системы уравнений используются следующие методы: Метод контрольных объёмов (МКО), Метод конечных разностей (МКР), Метод конечных элементов (МКЭ), Метод Крупных Частиц (МКЧ), Метод Распада Произвольного Разрыва (МРПР), Метод Характеристик (МХ). Решение системы уравнений Уравнение Фика Уравнение Навье-Стокса 𝜌𝜌 𝜌𝜌 𝐷𝐷𝐻𝐻𝑖𝑖 𝐷𝐷𝐷𝐷 𝐷𝐷𝑊𝑊𝑖𝑖 = 𝐷𝐷𝐷𝐷 𝜕𝜕 𝜕𝜕𝑥𝑥𝑗𝑗 = 𝐺𝐺𝑖𝑖 − 𝜕𝜕𝜕𝜕 𝜕𝜕𝑥𝑥𝑖𝑖 + 𝜕𝜕 𝜇𝜇 𝜕𝜕𝑥𝑥𝑗𝑗 𝜕𝜕𝑊𝑊𝑖𝑖 𝜕𝜕𝑥𝑥𝑗𝑗 + 𝜕𝜕𝑊𝑊𝑗𝑗 𝜕𝜕𝑥𝑥𝑖𝑖 2 − 𝛿𝛿𝑖𝑖𝑖𝑖 3 Уравнение Фурье-Кирхгофа 𝜆𝜆 𝜕𝜕𝜕𝜕 𝜕𝜕𝑥𝑥𝑗𝑗 + 𝜕𝜕𝜕 𝜕𝜕𝜕𝜕 + 𝜕𝜕 𝜕𝜕𝑥𝑥𝑗𝑗 𝜕𝜕𝑊𝑊𝑘𝑘 𝜕𝜕𝑥𝑥𝑘𝑘 𝜏𝜏𝑖𝑖𝑖𝑖 𝑊𝑊𝑗𝑗 + 𝐺𝐺𝑗𝑗 𝑊𝑊𝑗𝑗 + 𝑤𝑤𝑟𝑟 𝑄𝑄𝑟𝑟 + НОЦ «Поршневого двигателестроения и спецтехники» 𝜕𝜕𝜕𝜕 𝜕𝜕 + 𝜌𝜌 � 𝑊𝑊𝑗𝑗 = 0. 𝜕𝜕𝜕𝜕 𝜕𝜕𝑥𝑥𝑗𝑗 , Уравнение неразрывности 𝜕𝜕𝑞𝑞𝑅𝑅𝑅𝑅 𝜕𝜕𝑥𝑥𝑗𝑗 , 𝐷𝐷𝐶𝐶𝑙𝑙 𝜕𝜕 𝜕𝜕𝐶𝐶𝑙𝑙 = 𝐷𝐷𝑙𝑙 + 𝑚𝑚̇ 𝜕𝜕𝑥𝑥𝑗𝑗 𝐷𝐷𝐷𝐷 𝜕𝜕𝑥𝑥𝑗𝑗 18 Трехмерная модель расчета рабочего процесса ДВС Виды расчётных сеток Целый цилиндра Сектор цилиндра Целый цилиндра и впускные/выпускные каналы Влияние расчётной сетки на распространение струи топлива НОЦ «Поршневого двигателестроения и спецтехники» 19 Трехмерная модель расчета рабочего процесса ДВС Модели турбулентности Модели турбулентности Модели рейнольдсовских напряжений Модели турбулентной вязкости Алгебраические С одним уравнением С двумя уравнениями k-ε С n уравнениями k-ζ-f НОЦ «Поршневого двигателестроения и спецтехники» 20 Трехмерная модель расчета рабочего процесса ДВС Осреднение по Фавру Мгновенное значение параметра Φ представляется в виде суммы пульсационного и среднего � + Φ′ значений Φ = Φ 𝜏𝜏0 +𝑡𝑡 1 Φ = � Φ 𝜏𝜏 𝑑𝑑𝑑𝑑 𝑡𝑡 𝜏𝜏0 Уравнение Навье-Стокса 𝜌𝜌̅ 𝐷𝐷𝑊𝑊𝑖𝑖 𝜕𝜕𝑝𝑝̅ 𝜕𝜕 𝜕𝜕𝑊𝑊𝑖𝑖 𝜕𝜕𝑊𝑊𝑗𝑗 2 𝜕𝜕𝑊𝑊𝑘𝑘 = 𝐺𝐺�𝑖𝑖 − − 𝜇𝜇 + − 𝛿𝛿 − 𝜌𝜌𝑊𝑊 ̅ 𝑖𝑖′ 𝑊𝑊𝑗𝑗′ 𝜕𝜕𝑥𝑥𝑖𝑖 𝜕𝜕𝑥𝑥𝑗𝑗 𝐷𝐷𝐷𝐷 𝜕𝜕𝑥𝑥𝑗𝑗 𝜕𝜕𝑥𝑥𝑖𝑖 3 𝑖𝑖𝑖𝑖 𝜕𝜕𝑥𝑥𝑘𝑘 Уравнение Фурье-Кирхгофа 𝜕𝜕𝑞𝑞𝑅𝑅 𝐷𝐷𝐻𝐻 𝜕𝜕𝑝𝑝 𝜕𝜕 𝜕𝜕 𝜕𝜕𝑇𝑇 𝑗𝑗 ′ ′ = 𝐺𝐺𝑗𝑗 𝑊𝑊𝑗𝑗 + + 𝜌𝜌 𝜏𝜏𝑖𝑖𝑖𝑖 𝑊𝑊𝑗𝑗 + 𝜆𝜆 − 𝑐𝑐𝑝𝑝 𝜌𝜌𝑇𝑇 𝑊𝑊𝑗𝑗 + 𝑤𝑤𝑟𝑟 𝑄𝑄𝑟𝑟 + 𝐷𝐷𝐷𝐷 𝜕𝜕𝜏𝜏 𝜕𝜕𝑥𝑥𝑗𝑗 𝜕𝜕𝑥𝑥𝑗𝑗 𝜕𝜕𝑥𝑥𝑗𝑗 𝜕𝜕𝑥𝑥𝑗𝑗 Уравнение Фика 𝐷𝐷 𝐶𝐶�𝑙𝑙 𝜕𝜕 𝜕𝜕𝐶𝐶�𝑙𝑙 = 𝐷𝐷𝑙𝑙 − 𝐶𝐶𝑙𝑙 ′ 𝑊𝑊𝑗𝑗′ + 𝑚𝑚̇ 𝜕𝜕𝑥𝑥𝑗𝑗 𝐷𝐷𝐷𝐷 𝜕𝜕𝑥𝑥𝑗𝑗 Уравнение неразрывности НОЦ «Поршневого двигателестроения и спецтехники» 𝜕𝜕𝜌𝜌̅ 𝜕𝜕 + 𝜌𝜌̅ � 𝑊𝑊𝑗𝑗 = 0 𝜕𝜕𝜏𝜏 𝜕𝜕𝑥𝑥𝑗𝑗 21 Трехмерная модель расчета рабочего процесса ДВС Модель турбулентности k-ε Модель турбулентности с двумя дифференциальными уравнениями k-ε – одна из наиболее простых и апробированных моделей. 𝜕𝜕𝑘𝑘� 𝜕𝜕𝑘𝑘� 𝜕𝜕 + 𝜌𝜌𝑊𝑊𝑗𝑗 𝜌𝜌 = 𝑃𝑃 + 𝐺𝐺 − 𝜀𝜀 ̅ + 𝜕𝜕𝜏𝜏 𝜕𝜕𝑥𝑥𝑗𝑗 𝜕𝜕𝑥𝑥𝑗𝑗 𝜌𝜌 𝜇𝜇 𝑇𝑇 𝜕𝜕𝑘𝑘� 𝜇𝜇 + 𝑃𝑃𝑃𝑃𝑇𝑇𝑇𝑇𝑇𝑇 𝜕𝜕𝑥𝑥𝑗𝑗 𝐷𝐷 𝜀𝜀 ̅ 𝑑𝑑𝑊𝑊𝑘𝑘 𝜀𝜀 ̅ 𝜕𝜕 𝜇𝜇 𝑇𝑇 𝜕𝜕𝜀𝜀 ̅ = 𝐶𝐶𝜀𝜀1 𝑃𝑃 + 𝐶𝐶𝜀𝜀3 𝐺𝐺 + 𝐶𝐶𝜀𝜀4 𝑘𝑘� − 𝐶𝐶𝜀𝜀2 𝜀𝜀 ̅ + 𝐷𝐷𝐷𝐷 𝑑𝑑𝑥𝑥𝑘𝑘 𝑘𝑘� 𝜕𝜕𝑥𝑥𝑗𝑗 𝑃𝑃𝑃𝑃𝑇𝑇𝑇𝑇 𝜕𝜕𝑥𝑥𝑗𝑗 2 𝑘𝑘 𝜇𝜇𝑡𝑡 = 𝐶𝐶𝜇𝜇 𝜌𝜌 𝜀𝜀 НОЦ «Поршневого двигателестроения и спецтехники» 22 Трехмерная модель расчета рабочего процесса ДВС Модель турбулентности k-ζ-f Модель турбулентности с четырьмя дифференциальными уравнениями k-ζ-f, рекомендуется компанией AVL для моделирования рабочего процесса. 𝜌𝜌 2 2 − 𝜁𝜁 𝜕𝜕 𝑓𝑓 𝑃𝑃 𝑘𝑘 3 2 𝑓𝑓 − 𝑙𝑙 = 𝑐𝑐1 + 𝐶𝐶′2 𝜕𝜕𝑥𝑥𝑗𝑗 𝑥𝑥𝑖𝑖 𝜁𝜁 𝜏𝜏𝑡𝑡 𝐷𝐷𝐷𝐷 𝜕𝜕 = 𝜌𝜌 𝑃𝑃𝑘𝑘 − 𝜀𝜀 + 𝐷𝐷𝐷𝐷 𝜕𝜕𝑥𝑥𝑗𝑗 ∗ 𝐷𝐷𝐷𝐷 𝐶𝐶𝜀𝜀1 𝑃𝑃𝑘𝑘 − 𝐶𝐶𝜀𝜀2 𝜀𝜀 𝜕𝜕 = 𝜌𝜌 𝜌𝜌 + 𝐷𝐷𝐷𝐷 𝜏𝜏𝑡𝑡 𝜕𝜕𝑥𝑥𝑗𝑗 𝜌𝜌 𝐷𝐷𝐷𝐷 𝜁𝜁 𝜕𝜕 = 𝜌𝜌𝜌𝜌 − 𝜌𝜌 𝑃𝑃𝑘𝑘 + 𝐷𝐷𝐷𝐷 𝑘𝑘 𝜕𝜕𝑥𝑥𝑗𝑗 𝑘𝑘 2 𝜈𝜈𝑡𝑡 = 𝐶𝐶𝜇𝜇 𝜁𝜁 𝜀𝜀 НОЦ «Поршневого двигателестроения и спецтехники» 𝜇𝜇 + 𝜇𝜇𝑡𝑡 𝜕𝜕𝑘𝑘 𝜎𝜎𝑘𝑘 𝜕𝜕𝑥𝑥𝑗𝑗 𝜇𝜇 + 𝜇𝜇 + 𝜇𝜇𝑡𝑡 𝜕𝜕𝜀𝜀 𝜎𝜎𝜀𝜀 𝜕𝜕𝑥𝑥𝑗𝑗 𝜇𝜇𝑡𝑡 𝜕𝜕𝜁𝜁 𝜎𝜎𝜁𝜁 𝜕𝜕𝑥𝑥𝑗𝑗 23 Трехмерная модель расчета рабочего процесса ДВС Выбор модели турбулентности Сравнение с экспериментальными данными по впрыску в бомбу НОЦ «Поршневого двигателестроения и спецтехники» Сравнение с экспериментальными данными по дизелю ЧН26,5/31 24 Трехмерная модель расчета рабочего процесса ДВС Выбор модели турбулентности Уравнение движения капли топлива 𝑚𝑚𝑑𝑑 Модель распада капель топлива НОЦ «Поршневого двигателестроения и спецтехники» 𝑑𝑑𝑢𝑢𝑖𝑖𝑖𝑖 𝑑𝑑𝑑𝑑 = 𝐹𝐹𝑖𝑖𝑖𝑖𝑖𝑖 Модель нагрева и испарения капель топлива 25 Трехмерная модель расчета рабочего процесса ДВС Модель распада капель топлива WAVE Распад капель определяется длиной Λ и скоростью роста Ω наиболее быстро растущей или наиболее вероятной волны 1 + 0.45 � 𝑂𝑂𝑂0.5 1 + 0.4 � 𝑇𝑇 0.7 Λ = 9.02 � 𝑟𝑟 𝜌𝜌𝑑𝑑 𝑟𝑟 3 Ω= 𝜎𝜎 −0.5 1 + 0.87 � 𝑊𝑊𝑊𝑊𝑔𝑔1.67 0.6 0.34 + 0.38 � 𝑊𝑊𝑊𝑊𝑔𝑔1.5 1 + 𝑂𝑂𝑂 1 + 1.4 � 𝑇𝑇 0.6 Скорость уменьшения радиуса родительской капли 𝜏𝜏а = 𝑑𝑑𝑑𝑑 𝑟𝑟 − 𝑟𝑟stable =− 𝑑𝑑𝑑𝑑 𝜏𝜏а 3.276�𝐶𝐶2 �r Λ�Ω – время распада капли 𝑟𝑟stable = 𝐶𝐶1 Λ – радиус производной капли НОЦ «Поршневого двигателестроения и спецтехники» 26 Трехмерная модель расчета рабочего процесса ДВС Модель испарения капель топлива Духовица Изменение температуры капли: 𝑑𝑑𝑇𝑇 𝑑𝑑𝑚𝑚 𝑚𝑚𝑑𝑑 𝑐𝑐𝑝𝑝𝑝𝑝 𝑑𝑑𝑑𝑑𝑑𝑑 = 𝐿𝐿 𝑑𝑑𝑑𝑑𝑑𝑑 + 𝑄𝑄,̇ 𝑄𝑄̇ = 𝛼𝛼𝐴𝐴𝑆𝑆 𝑇𝑇∞ − 𝑇𝑇𝑆𝑆 Теплоотдача: 𝑄𝑄̇ = 𝐷𝐷𝑑𝑑 𝜋𝜋𝜋𝜋𝜋𝜋𝜋𝜋(𝑇𝑇∞ − 𝑇𝑇𝑠𝑠 � Связь тепло- и массообмена: ̇ −𝐵𝐵𝑦𝑦 𝑓𝑓𝑉𝑉𝑉𝑉 = 𝑞𝑞̇ 𝑆𝑆 ℎ∞ − ℎ𝑠𝑠 − ℎ𝑣𝑣𝑣𝑣 − ℎ𝑔𝑔𝑔𝑔 𝑌𝑌𝑣𝑣∞ − 𝑌𝑌𝑣𝑣𝑣𝑣 НОЦ «Поршневого двигателестроения и спецтехники» 27 Трехмерная модель расчета рабочего процесса ДВС Модели сгорания Модель сгорания Магнуссена-Хартагера (Eddy Breakup Model) 𝑤𝑤𝑟𝑟 = Трёхзонная расширенная модель когерентного пламени (ECFM-3Z) 𝑚𝑚 � пр.сг. 𝑚𝑚 � 𝑂𝑂 𝐵𝐵 𝜌𝜌𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚 ̅ 𝑚𝑚 � Т , 2 , 𝐶𝐶 𝜏𝜏𝑡𝑡 𝐿𝐿0 1 + 𝐿𝐿0 НОЦ «Поршневого двигателестроения и спецтехники» 28 Трехмерная модель расчета рабочего процесса ДВС Модели сгорания НОЦ «Поршневого двигателестроения и спецтехники» 29 Трехмерная модель расчета рабочего процесса ДВС Модели сгорания В результате трехмерного расчёта рабочего процесса могут быть получены: • • • • • значения локальных температур, значения кинетической энергии турбулентности, значения массовой доли NO, CO, значения коэффициента теплоотдачи, индикаторные показатели. НОЦ «Поршневого двигателестроения и спецтехники» 30 Трехмерная модель расчета рабочего процесса ДВС Расчёт рабочего процесса с помощью программного комплекса «AVL FIRE» В качестве исходных данных для моделирования, будут использованы результаты расчета двигателя в программном комплексе «Дизель РК». Твердотельная модель расчетной области двигателя была создана при помощи программы SolidWorks. На этапе подготовки расчета проводится разбиение рассматриваемой области на элементы. НОЦ «Поршневого двигателестроения и спецтехники» 31 Трехмерная модель расчета рабочего процесса ДВС Расчёт рабочего процесса с помощью программного комплекса «AVL FIRE» Для процессов сжатия, сгорания и процесса наполнения были построены расчётные сетки. Основные параметры были получены из предварительного расчёта рабочего процесса в программном комплексе «Дизель-РК»: • скоростной режим работы двигателя, • начальные и граничные условия, • параметры топливоподачи, • параметры модели сгорания. НОЦ «Поршневого двигателестроения и спецтехники» 32 Трехмерная модель расчета рабочего процесса ДВС Расчёт рабочего процесса с помощью программного комплекса «AVL FIRE» НОЦ «Поршневого двигателестроения и спецтехники» 33 33 Научно-образовательный центр «Поршневого двигателестроения и спецтехники» МГТУ им. Н.Э. Баумана
0
advertisement
Download
advertisement
Add this document to collection(s)
You can add this document to your study collection(s)
Sign in Available only to authorized usersAdd this document to saved
You can add this document to your saved list
Sign in Available only to authorized users