автореферат диссертации по авиационной и ракетно-космической технике, 05.07.05, диссертация на тему:Диагностика нестационарных процессов распыливания топлива в тепловых энергоустановках методом импульсной голографии

РГ Б ОД

1 7 АПР 1955

На правах рукописи СКВОРЦОВ ЮВЕНАЛИЙ МИХАЙЛОВИЧ

ДИАГНОСТИКА НЕСТАЦИОНАРНЫХ ПРОЦЕССОВ РАСПЬШИВАНИЯ ТОПЛИВА В ТЕПЛОВЫХ ЭНЕРГОУСТАНОВКАХ МЕТОДОМ ШЛПУЛЬСНОЙ ГОЛОГРАФИИ

Специальность 05.07.05 - тепловые двигатели

летательных аппаратов 05.04.02 - тепловые двигатели ■

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Казань - 1995

Работа выполнена на кафедре специальных двигателей Казанского государственного технического университета им.А.Н.Туполева.

Научный руководитель - доктор технических наук, профессор

Официальные оппоненты - доктор технических наук, профессор

Коотерин В.А. - кандидат технических наук Еафин Н.Ш.

Ведущая организация - Казанское ОКБ "Союз"

Защита диссертации состоится "// " ^¿¿АА-'З- 1995 г. в /О час. ОРит.. на заседании диссертационного Совета К 063.43.01 в Казанском государственном техническом университете им. А.Н.Туполева (420111, Казань, ул. К.Маркса, 10).

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке КГТУ им. А.К.Туполева.

Автореферат разослан " Ь " ¿£/^¿>--¿¿/1995 г.

Ученый секретарь А.Г.Каримовг

Гафуров Р.А.

диссертационного Совета к.т.н. .

Общая характеристика работы

Актуальность. Возможность эффективного воздействия на характеристики сгорания и показатели энергетической установки, работающей на жидком топливе, во многом определяются достоверностью представлений о протекании процессов, составляющих смесеобразование, в том числе распиливания топлива, современный уровень математического моделирования которых характеризуется лишь ориентировочным описанием.

В процессе распиливания жидкого топлива различают две фазы - распад струи и додрабливание капель за счет аэродинамического взаимодействия с окружающей средой. В зависимости от удельной энергии, подводимой к распиливаемой жидкости, могут устанавливаться пленочные и бес-пленочные формы распада струи. В работе реальней форсунки имеются нестационарные режимы, связанные с колебательными явлениями в тошшвоподащих магистралях, особенно характерные для пусковых, переходных режимов работы, а также при отсечке топлива. При этом возможна смена одной форш распада другой с изменением дисперсности распыла, что может приводить к нежелательным режимам смесеобразования.

К настоящему времени процессы распиливания топлива изучены недостаточно, хотя проведено много экспериментальных работ по оценке дисперсности распиливания и сделаны попытки обобщения результатов этих работ в виде критериальных и полуэмпирических выражений, накоплен некоторый запас определения характеристик распределения капель по размерам и ее осредненных показателей. Имеющиеся в литературе данные экспериментальных работ зачастую противоречат друг другу и не все они укладываются в рамках существующих теорий и моделей. Это может быть объяснено, во-первых, множеством применяемых методов исследований, каждый иг которых тлеет сбои погрешности измерений и ограничения по применению; во-вторых, степенью приближения модельных режимов при проведении экспериментов к реальным условиям работы форсунск, особенно по условиям нестационарности подачи. Поэтому актуальность исследований процессов распиливания жидких тсплкгв с применением наиболее информативных методов в условиях, приближенных к реальным, не только сохраняется, но в связи с ужесточением экологических требований к тепловым двигателям еще более рг-^рзстрет.

Целью диссертационной работы является диагностика с помощью оптической импульсной голографии нестационарных процессов распиливания топлива струйными форсунками. В качестве объекта исследований приняты форсунки дизеля, которые по условиям нестационарности работы наиболее полно охватывают возможные изменения режимов работы в процессе впрыскивания также и других тепловых двигателей. Это предусматривает: 1) создание экспериментального комплекса и разработку методики голографичес-ких исследований нестационарной топливной струи при применении системы подачи, моделирующей без искажений работу реальной топливной системы конкретного двигателя; 2) получение и обработку экспериментальных данных о макро- и микроструктуре нестационарной топливной струи; 3) разработку физической и математической модели распада впрыскиваемой струи на основе анализа полученных автором, а также тлеющихся в литературе экспериментальных данных.

Научная новизна. Создан голографический комплекс для диагностики нестационарных процессов распиливания топлива и разработана методика голографической регистрации нестационарного топливного факела в любой момент его развития при циклическом впрыскивании.

Получены новые экспериментальные результаты по структуре и дисперсности топливного факела при нестационарном впрыскивании дизельного топлива нормальными закрытыми струйными форсунками в воздушную среду различной плотности, а также в жидкую среду - дистиллированную воду и д':.-.5лгное топг

Разработана вихревая казитационная модель струйной форсунки.

Практическая ценность. Созданный голографический комплекс может быть использован для диагностики нестационарных процессов распиливания топлива в энергетических установках различного назначения: двигателях внутреннего сгорания, жидкостных ракетных двигателях, газотурбинных двигателях и т.д.

Полученные результаты и предложенная вихревая кавитацион-ная модель могут быть применены и применяются при проектировании и совершенствовании распыливарщих устройств в машиностроении и авиационной технике.

Реализация в проу™»гешюсах Основные результаты проведенных исследований используются на Яооолавоком заводе таэелъ-

ной аппаратуры (ЯЗДА) и АО "КамАЗ" при совершенствовании топливной аппаратуры дизелей. На голографическом комплексе также' проводились исследования распиливания топлива одно- и двух-компонентными центробежными, струйноцентробежными жидкостными и газожидкостными форсунками, а также визуализация газовых потоков в газодинамических узлах энергетических установок методом голографической интерферометрии, результаты которых использованы на НПО "Энергия" и в НИИ Машиностроения.

На защиту выносятся:

1. Голографичвский комплекс для диагностики нестационарных процессов распиливания, включающий натурную топливную систему исследуемой энергетической установки и методика голографической регистрации нестационарного топливного факела в любой момент его развития при циклическом впрыскивании.

2. Новые результаты по структуре и дисперсности нестационарного топливного факела, раскрывающие физическую картину внутркканального распада струи в сопловом отверстии и аэродинамического додрабливания во внешней среде.

3. Вихревая кавитационная модель струйной форсунки, выделяющая дре характерные зоны течения в канале - ядра и пристеночного навигационного слоя.

Апробация работы. Основные результаты работы докладывались и обсуждались на "Научно-технической конференции по итогам работы за 1989 - 1991 гг. КАЙ - 60 лет" (Казань, 1992), на V межреспубликанских Туполевских чтениях "Актуальные проблемы авиастроения" (Казань, 1992), на XIX Молодежной научно-технической конференции "Гагаринские чтения" (Москва, 1993), на "Научно-технической конференции по итогам работы за 1992 -1993 гг. НИЧ - 50 лет" (Казань, 1994), на Международном конгрессе "Развитие мониторинга и оздоровление окружающей среды" (Казань, 1994).

Публикации. По результатам выполненных исследований опубликовано 5 печатных работ и 4 научно-технических отчета.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы и приложения. Изложена на 164 стр. с 46 рисунками. Список литературы включает 143 наименования.

Содержание работы

Во введении обосновывается актуальность теш исследований, сформулирована цель работы, приводится аннотация работы по главам.

Первая глава посвящена обзору работ по исследованию процесса распиливания топлива струйными форсунками. Рассмотрены основные требования.к распиливанию топлива, формируемые условиями объемного способа смесеобразования и горения в дизелях, а также особенности гидродинамических процессов в магистрали перед форсункой, характеризуемые интенсивными колебаниями давления. В этих условиоях впрыскивание топлива осуществляется под действием гидравлического удара.

Отмечается отсутствие единой точки зрения на распад струи впрыскиваемого топлива. Имеющиеся работы можно разбить на пять направлений. Фрикционная теория распыливания, наиболее типичной для которой можно считать работу Трибнинга, распад струи объясняет ударным воздействием внешних сил (сопротивления воздуха) на ее лобовую поверхность. Согласно теории капиллярных волн, основанной Релейем и развитой в работах Бородина, Дитя-кина, Ягодкина, Лышевского и др., распад происходит из-за наличия в струе нестационарных колебаний, амплитуда которых растет во времени. По турбулентной теории, к которой можно отнести работы Натанзона, Богдановича, закономерности дробления объясняются взаимодействием турбулентных пульсаций с поверхностны-! натяжением. Близки к этой теории работы Кутового, который придерживается мнения об определяющей роли вихреобразо-вания в сопловом отверстии на распад струи. Четвертое направление предложено Ульяновым и основано на кавитационном разрушении сплошности струи внутри соплового отверсти. Теория хрупкого разрушения, выдвинутая Хавкиным, основной причиной распада струи рассматривает явление "охрупчивания" жидкости при больших скоростях движения. В этой же главе проанализированы вопросы аэродинамического додрабливания капель, основной моделью которого является дробление единичной капли в газовом •потоке, рассмотренное в работах Волынского, РаушекОяха, Тишина, Гельфанда и многих других авторов.

Представления о структуре нестационарного топливного факела также не получили законченного развития и имеются раэлич-

ные подходы при его моделировании. Одно иэ направлений, достаточно подробно рассмотренное в работах Лышевского, трактует структуру топливного факела как свободную турбулентную струю. Объемная теория представляет его как совокупность отдельных единичных капель. При этом полагается, что процессы торможения и тепломассообмена каждой частицы со средой наступают сразу после их образования по всему объему. Зонная модель топливного факела, разработанная в работах Свиридова и других авторов, предполагает взаимодействие капель между собой. Развития всех физических процессов с частицами полагаются только в зоне фронта факела, куда они попадают в первоначальном виде.

Имеющиеся экспериментальные данные выявляют достаточно разноречивую картину влияния различных факторов - параметров тошшвоподачи (давления впрыскивания РМр , скорости плунжерной пары, конструкции и геометрических размеров проточной части распылителя и соплового отверстия), плотности среды, куда производится впрыскивание, а также физических свойств распиливаемого топлива (плотности, вязкости и поверхностного натяжения) на структуру, геометрию и дисперсность топливного факела. В целом отсутствует однозначная корреляция между ними. ' К тому, же не все результаты экспериментальных исследований, имеющихся в литературе, могут быть объяснены в рамках существующих моделей и теорий.

В связи с этим автором предлагается в качестве связующего 1 звена между конструктивными, режимными параметрами форсунки и характеристиками распиливания рассмотреть процессы в сопловом отверстии форсунки. Первая глава завершается постановкой задачи диссертационной работы.

Во второй главе дается анализ существующих методов исследования характеристик распиливания и обоснован применяемый метод диагностики - оптическая импульсная голография. Основными преимуществами этого метода являются: бесконтактность, возможность зафиксировать изображение топливного факела в любой момент его развития и наблюдать восстановленное изображение сколь угодно долго, детально изучая и измеряя характеристики факела распиливания во всем., зафиксированном объеме.

Здесь же даны описания созданного голографического комплекса и методики получения; обработки голографических изображений нестационарного топливного факела. Исследовательский

комплекс, функциональная схема которого показана на рис. 1, состоит из следующих основных систем:

- Собственно голографическая система для получения голограмм сфокусированного изображения, состоящая из оптической схемы с источниками излучения, приборов контроля и управления. Разрешающая способность системы 4,3 мкм. Длительность импульса лазера 0ГМ-20 2" = 30 не, мощность излучения 20 МВт, длина волны излучения Л - 6934 А. Для юстировки схемы используется гелий-неоновый лазер непрерывного действия типа ЛГ-33, мощность излучения которого составляет 50 мВт, Л - 6328 А.

- Система обеспечения впрыска топлива создана на основе безмоторного стенда N0108 и позволяет иммитировать без искажений режимы работы топливной системы реального двигателя, включающего топливный насос высокого давления (ТНВД), топливопровод и форсунку; впрыскивание осуществляется в барокамеру (6) с оптически прозрачными окнами, которая позволяет создавать противодавление до 2,0 МПа. Струи топлива из избыточных сопловых отверстий улавливаются отсекателем, установленным на форсунку. Подвижная ловушка с электропневмоприводом (3), управляемым электронным блоком (2), обеспечивает осуществление заданного количества впрысков в объем барокамеры в необходимый момент времени.

- Оптикоэлектронная система синхронизации срабатывания импульсного лазера позволяет независимо от частоты вращения вала топливного насоса автоматически зафиксировать изображение топливного факела в любой заданный момент времени от начала впрыскивания. Луч лазера непрерывного действия ЛГ-38 проходит у среза сопла распылителя и падает на фотоприемник. Когда струя топлива пересекает лазерный луч, освещенность фотоприемника уменьшается, сигналы с которого обрабатываются в электронном блоке синхронизации по нескольким, жестко заданным программам. По одной из них подсчитывается время между началами двух соседних впрысков и с учетом времени собственной задержки срабатывания лазера ОГМ-20 выдается опережающий сигнал на его поджиг, обеспечивающий томографическую регистрацию топливного факела при третьем впрыске в любой заданный момент времени его развития.

- Система восстановления голографического изображения в качестве источника излучения использует гелий-неоновый лазер

"■на

Электронный 5лок синхронизации^

Е

Блок управления огм-го

Телекамера

Печатающее Монитор компьютер устройство

Рис. 1. Функциональная схема голографического комплекса. 1 -топливопровод, 2-электронный блок управления ловупной, 3 -ловушка с электропневмоприводом, 4 -форсунка, 5 -луч лазера непрерывного действия ЛГ-38, 6 -барокамера, 7 -го-дографический регистратор, 8 -диафрагма, 9 -фокусирующий объектив, 10 -зеркала, 11 -кшигематор, 12 -подвижное вер-каво, 13 -светоделитель

4/

о,г-о.1

30 20 ю

К, Мм

Тип I

Тип и

2_1М

7 УI **

3

к

Рзс.2. Схемы распылителей (а); изменение давления в топливопроводе у итуцера форсунки Р<р я ход валорной иглы в зависимости от угла поворота <р вала насоса

.г:

непрерывного действия типа ЛГ-38;

- Автоматизированная система обработки голографических изображений с математическим обеспечением и пакетом прикладных программ имеет при работе о микроскопом разрешающую способность 0,23 мкм.

Третья глава посвящена экспериментальному исследованию нестационарной струи дизельного топлива при впрыскивании нормальными закрытыми форсунками дизеля КамАЗ (число сопловых от-верстий_£0= 4, диаметр и длина соплового отверстия <ЛС- 0,32 мм, ¿с = 1,0 мм) в воздушную среду при температуре 18...20°С и значениях противодавления Рпр =0,1.. .1,5 Ша. Кроме того были проведены эксперименты с впрыскиванием дизельного топлива в дистиллированную воду, а также в дизельное топливо. Были исследованы форсунки, оснащенные распылителями с различными конструкциями проточной части: распылители, тлеющие выход распиливающих отверстий в колодец под запорной иглой (тип I) и распылители с выходом распиливающих отверстий на запирающий конус иглы (тип II) (рис. 2а). Для подачи топлива применялся односекционный протезированный топливный насос высокого давления на базе модели 335 ( диаметр и ход плунжера об? - 9 мм, А? = =10 мм ). Процесс впрыскивания осуществлялся при частотах вращения вала ТНВД N = 500...1300 мин'при цикловых подачах топлива, соответствующих внешней скоростной характеристике и величине запальной дозы топлива газодизельного режима. Характер изменения давления в топливопроводе у штуцера форсунки и ход запорной иглы показаны на рис. 26.

Эксперименты показали: при открытой игле форсунки истекающая из соплового отверстия струя разделена на центральную и периферийную области с резкой границей между ними, которые имеют различный характер развития и различную роль в формировании топливного факела (рис. За). Центральная часть струи при своем развитии образует ядро топливного факела, корневой угол раскрытия которого практически постоянный и не превышает 10 (рис. 36). Угол раскрытия всего топливного факела, формируемый поведением периферийной области струи, меняется в широких пре-.. делах. На многих снимках поперечные размеры привыкающего к сопловому отверстию участка струи больше, чем диаметр соплово-* го отверстия (рис. Зв). По мнению автора, такой характер исте-

Рис.3. Схеыа топливного факела (а); восстановленное йзоб-ражепие ядра факела (б); внешний вид всего факела (в); факел распила после отсечки топлива (г)

-70,4)

50

25 го f$ ю\ 6

а)

Z0 !5 <0 5

15-<о-5

п

ф

~| d, AffAf

Тмтг

тм

ю ¿o so 4о so бо 1>о so ¿oo Seo

Рис. 4. Гистограммы распределения количества капель по размерам в топливном факеле: а) в оболочке; С) в ядре до отсечки топлива; в) а ядре после отсечки топлива

У; К

V

íí.%

Ñ

20 50 d,nm

20 5О d,nKK

Рис.5. Клади топлива в эмульсии при набподенки под микрос-скопом (а); гистограммы распределения количества капель по счзмергм с омульоии (0):без учета капедх-менее -1 мкм (г.)

чения возможен в двух случаях: а) благодаря наличию пристеночного пограничного слоя на выходе соплового отверстия и его пришипанию к стенкам•(эффект Коанда); б) если периферийный поток в сопловом отверстии имеет свойства сверхзвукового потока и расширяется аналогично течению Прандля-Майера.

Распад струи.ка^кашш происходит непосредственно на срезе соплового отверстия. Причем размеры капель в оболочке и ядре топливного-факела резко отличаются. Примерно до расстояний 37-53 калибров от среза соплового отверстия оболочка в основном формируется за счет распада периферийной области струи, а далее происходит резкая интенсификация разрушения ядра и дод-рабливания содержащихся в нем более крупных капель топлива и их вынос в оболочку.

Ядро топливного факела разорвано на отдельные крупные порции. Периодичность разрывов примерно соответствует колебаниям давления в топливопроводе перед форсункой, частота которых находится в пределах 7...12 кГц.

Автоматизированная обработка голографических изображений топливных факелов, полученных в разные моменты времени от начала впрыскивания, показала, что спектры распределения количества капель по размерам в топливном факеле могут иметь несколько пиков из-за различия в дисперсности различных участков струи: ядра, оболочки, хвостовой части. Это зависит от того, в какой момент впрыскивания (при открытой игле или после отсечки топлива) получена голограмма и какая область топливного факела (периферийная, центральная, хвостовая) преимущественно охватывается обрабатываемым пространством. Распад периферийной части струи дает капли, спектр распределения размеров которых охватывает область примерно 4-45 мкм (средний диаметр по Заутеру с1}г - 32.,.42 мкм, приведенный по количествус110 - 10... 17 мкм). Эти результаты хорошо согласуются с данными японских исследователей Кинеёси и др. Центральная часть топливного факела состоит из капель, спектр распределения которых имеет два пика, приходящиеся примерно на области 90...100 мкм и 175...200 мкм (рис. 4а, 46). После отсечки топлива происходит выброс остатков топлива из подигольного объема ..з виде сплошной струи (рис. Зг), который более характерен для форсунки с распылителем типа I. При распаде этой порции образуется капли, размеры которых близки к размерам соплового отверстия 250...300 мкм и более.

Характер истекающей струи в этот период позволяет связать образование этого спектра размеров с механизмом капиллярного распада. Пр«г применен от распылителя типа II в конце впрыскивания резко *ся объем выбрасываемого в виде сплошной струи топлива. Соответственно снижается и количество капель, имеющих наиболее крупные размеры.

Получены новые данные по структуре топливной струи при впрыскивании в жидкую среду. Епрыск дизельного топлива в дистиллированную веду, моделирующую плотную среду, приводило к образованию устойчивой эмульсии, позволяющей непосредственно под микроскопом замерять размеры капель (рис. 5). Спектр распределения количества капель дизельного топлива по размерам в эмульсии практически совпадает со спектром распределения капель в оболочке струи при впрыскивании в воздух атмосферной плотности. Капли более крупного размеры всплывают на поверхность под действием архимедовой силы. При впрыскивании дизельного топлива в дизельное топливо происходила кратковременная визуализация струи. В истекающей струе обнаружено наличие некоторого количества газообразного компонента. Эти данные показывают, что истечение топливной струи из соплового канала сопровождается парообразованием или выделением растворенного воздуха и дисперсность оболочки факела не зависит от плотности окружающей среды, что указывает на возможность' ее формирования за счет неаэродинамического (внутриканального) распада.

В четвертой главе на основе анализа работ Зысина, Дейча, Скрипова, Мухачева, Тонконога и других авторов в области термодинамики вскипающих потоков сделан вывод, что явления парообразования и выделения растворенных газов при истечении топлива из соплового отверстия форсунки прежде всего следует связывать с кавитационными явлениями при обтекании входной кромки. В качестве наиболее вероятной структуры потока в канале принято двухслойное течение по типу пристеночного парообразования: периферийная область, охваченная кавитацией, и центральная струя, разорванная на крупные капли. Разработана вихревая кавитационная модель струйной форсунки. Схема течения'и характер распределения статического давления в сопловом отверстии показаны на рис. 5. •

Основные идеи и допущения:

У входной кромки соплового отверстия образуется нестацио-

/с

£ Ч' --— //////////////////////////// 1 1

^ар и...'.• и

с —>

Рис.6. Вихревая кавитационная модель струйной форсунки

. V Л ядре аюке/'а (согласно -эс&ио-нХ

| _ ^ [ЗаннмУ ¿а)

рлс-лаО

с&гзатемною дробпешя

Результант ' доЭрс1б/1и£ания

Примерная граница^ лихе ¿о/порой капли не ВроЗлтсз

// -

^ слир/па

--- для £оды

'ДО дашн/ч болын-

е

с ко го

-)

Г60

А1/,«/с

Рис.7. Схема аэродинамического дробления капель в ядре топливного факела при впрыскивании в воздух атмосферной плотности

нарный кольцевой отрывной пузырь или вихрь. При скорости движения жидкости I/, ж 240 м/с в центре вихря теоретически возможны напряжения растяжения до -50 МПа. Центр вихря является наиболее вероятны}/ местом выделения растворенных в топливе газов и паров, т.е. зарождения и развития кавитации.

Шнимальное давление достигается в сечении 1-1 и соответствует давлению насыщенных паров жидкости при данной температуре. Максимальное давление в канале достигается вблизи среза сопла и оно может быть больше давления окружающей среды Рпр .

Поперечный размер нестационарного вихря зависит от

геометрии канала и главным образом от входной кромки. Он может быть определен с хорошей точностью через коэффициент расхода соплового отверстия - = (/- )

Для расчета параметров течения внутри соплового отверстия форсунки, включая пристеночную рециркуляционную область, был применен квззиодномерный метод. Вблизи среза сопла в области повышенного давления размеры кавитационных пузырьков значительно уменьшаются, но из-за больших скоростей течения и короткой длины канала не успевают полностью схлопнуться. При расчете течения их массовой и объемной долей можно пренебречь. Роль этих пузырьков сводится к разделению кольцевой вязкой части струи на отдельные микрообъемы. Система уравнений включает уравнения сохранения количества движения, расхода и др., а также эмпирическую информацию по профилям скорости и развития пристенного слоя смешения.

Для оценки параметров течения непосредственно на срезе соплового отверстия в квазистационарном приближении может быть использована следующая система уравнений:

1. Поперечный размер кавитационного вихря

2. Граница слоя смешения

где к - 0,05 - эмпирический коэффициент для начальных участков течения в трубе, формируемых пристночной турбулентностью.

3. Уравнение Бернулли для сечения 1-1

Уравнение расхода

л к

где 5 V ^^^ ~ толш?1на вытеснения погранично-

го вязкого слоя. 5. Уравнение сохранения количества движения

РВпр-Р«* Р ^ ( 2 ь) 1 >

где 5 - толщина потери импульса.

а

зительный расход «иди

я* _ х /< л: V

Относительный расход жидкости через ядро

Для того, чтобы замкнуть эту систему уравнений, необходимо задаться профилем скорости в слое смешения. Если принять

х

V

степенной закон скорости ~ ) > 70 необходимо задать коэффициент п. °

Хотя при расчете течения массовой и объемной долей пузырьков в периферийном слое смешения пренебрегается, но для исследуемых форсунок уже при объемном содержании газовой фазы 0,4% вследствие резкого снижения скорости звука в пузырьковой среде возможно возникновение критического режима. Этим можно объяснить расширение периферийной части струи за срезом сопла в форме течения Прандля-Майера и возникновение резкой границы между ядром и оболочкой топливного факела. Периферийная кольцевая область струи, рассеченная пузырьками или их "следами" на отдельные микрообъемы, разлетается на капли, образуя оболочку топливного факела.

Центральная часть струи при истечении через сопловое отверстие также имеет тенденцию к разрушению под действием возмущений, связанных со срывом вихрей, и акустических продольных колебаний столба жидкости. Были проведены оценки с использованием известных экспериментальных данных «трывных течений по числу БЬя; 0.2, и на основе определения частот собственных

4

продольных колебаний внутри соплового отверстия, ¿тот анализ покззал, что в результате внутриканального распада центральной части струи могут образоваться капли, наиболее вероятный размер которых составляет 100...200 мкм, что блйзко к эксперименту.

В этой же главе для исследуемых форсунок проведены рас- • четные оценки возможности аэродинамического додрабливания капель для каждой зоны топливного факела с использованием экспериментальных данных Свиридова, Романова по скорости воздуха в топливном факеле дизельной струи (рис. 7). Показано, что капли, образовавшиеся в результате распада периферийной области топливной струи, практически не подвергаются аэродинамическому дроблению. Капли, образоване в результате распада центральной части струя, подвергаются процессам додрабливанию по так называемому деформационному типу. В результате этого распада происходит непрерывное уменьшение размеров капель в несколько этапов. При достижении размеров сСк. а: 90... 100 мкм этот процесс замедляется. Именно этим можно объяснить, что спектр распределения размеров для ядра топливного факела охватывает область 50...220мкм с резко выраженными пиками в области 200 и 100 мкм.

Предложенная вихревая модель позволяет рассчитать объемное соотношение топлива, протекающего через периферийную и центральную области, и оценить спектры размеров капель' при „ внутрикэнальном распаде центральной части струи. Спектр распределения размеров капель при распаде периферийной области струи связывается с концентрацией кавитационных пузырьков и в данной работе не рассматривается. Однако эксперименты показывают, что размеры капель в этой области не превышают 40 мкм и в среднем составляют с{/0 - 10-17 мкм.

Результаты численных расчетов дисперсности внутриканального распада центральной части струи, а также аэродинамического додрабливания образовавшихся при этом капель имеют хорошее совпадение о данными экспериментальных исследований.

В заключении сформулированы основные результаты, полученные в работе.

1. Создан голографический комплекс и разработана методика диагностики нестационарных (в том числе циклических) процессов распиливания топлива, где для наиболее точного моделирования

условий подачи используется натурная топливная система исследуемой энергетической установки.

2. Получены новые результаты по структуре и дисперсности топливного факела при впрыскивании нормальными закрытыми форсунками дизеля. Нестационарная струя состоит из ядра и оболочки, которые формируются непосредственно за срезом соплового отверстия и резко отличаются по дисперсности. На срезе сопла размеры истекающей струи существенно превышают диаметр соплового отверстия, что можно объяснить двумя факторами: а) разворотом пристеночного пограничного слоя с "прилипанием" к стенке вследствие эффекта Коанда; б) возникновением сверхзвукового режима течения и расширением струи по схеме Прандтля-Майера. Ядро струи имеет разрывы, частота которых соответствует пульсациям давления в топливопроводе перед форсункой. После отсечки топлива, вследствие падения давления впрыскивания, происходит изменение формы распада - двухслойная структура переходит в сплошную струю, распадающуюся на крупные капли по механизму капиллярной неустойчивости.

Гистограммы распределения количества капель по размерам в топливном факеле имеют несколько пиков: средний диаметр капель в оболочке составляет cito - 10-17 мкм; спектр распределения размеров в ядре имеет-пики, приходящиеся примерно на области 200 и 100 мкм, первый из которых обусловлен внутриканальным распадом, а второй - процессами аэродинамического додрабливания.

3. Показана возможность кавитационного вскипания топлива в сопловом отверстии и формирования двухслойной структуры топливного факела внутри соплового канала, что подтверждено экспериментами с впрыскиванием дизельного топлива в жидкую среду (дистиллированную воду и дизельное топливо).

4. Предложена вихревая кавитационная модель струйной форсунки, выделяющая две характерные зоны течения в канале - ядра и пристеночного кавитационного кольцевого слоя, которая позволяет выявить зависимости между конструктивными, режимными параметрами форсунки и характеристиками распыливания. Численные расчеты по этой модели имеют хорошее совпадение с экспериментальными данными.

В приложению! приведены основные характеристики, применяемые для оценки дисперсности распиливания.

Основное содержание диссертации опубликовано в следующих работах: .

1. Гафуров P.A., Скворцов Ю.М., Шабалин И.Н. Применение голог-рафических методов при разработке экологически чистых сме-

лада. Международный конгресс "Развитие мониторинга и оздоровление окружающей среды", Казань, 24 - 26 июня 1994 г.

2. Гринкин В.Е., Вафин Р.Р., Скворцов Ю.М. Исследование процесса впрыскивания форсунками автомобильных дизелей методом оптической голографии. - Актуальные проблемы авиастроения. Казань, КАИ, Тезисы докладов 20 - 21 октября 1992 г., с. 19.

3. Скворцов Ю.М. Исследования распиливания топлива форсунками автомобильных дизелей методом импульсной голографии. - Научно-техническая конференция по итогам работы за 1992 -1993 гг. №14 - 50 лет. Тезисы докладов 4-15 апреля 1994 г., Казань, КГТУ им. А.Н.Туполева. С. 89.

4. Скворцов Ю.М., Гафуров P.A. Исследования процесса впрыскивания форсунками автомобильных дизелей методом оптической голографии. - Тезисы доклада. XIX Молодежная научно-техническая ^тнференция 'Тагаринские чтения". М., 1993 г. С. 19.

5. Шабалин И.Н., Скворцов Ю.М. Голографический комплекс для исследования факела распыливания форсунок автомобильных дизелей. - Тезисы докладов. Научно-техническая конференция по итогам работы за 1992 - 1993 гг. НИЧ - 50 лет, Казань. КГТУ-им. А.Н.Туполева, 4-15 апреля 1994 г. С. 88.

Формат 60x84 1/16. Бумага о<{JC Crsit^y Печать офсетная. Печ.л. 1.0. Усл.печ.л. 0,93. Усл.кр.-отт. 0,93. Уч.-изд.л. 1,0.

Тираж 100. Заказ rZ^iZ/p

Казанский государственный технический университет им.А.Н.Туполева Ротапринт Казанского государственного технического университета'im.А. Н. Туполева 420111, Казань, К.Маркса, 10

сительных элементов энергетических установок. - Тезисы док-

Соискатель

Ю.М.Скворцов