автореферат диссертации по энергетическому, металлургическому и химическому машиностроению, 05.04.02, диссертация на тему:Исследование локального теплообмена в камере сгорания дизеля, конвертированного на природный газ

Зеленцов Андрей Александрович

ИССЛЕДОВАНИЕ ЛОКАЛЬНОГО ТЕПЛООБМЕНА В КАМЕРЕ СГОРАНИЯ ДИЗЕЛЯ, КОНВЕРТИРОВАННОГО НА ПРИРОДНЫЙ

ГАЗ

Специальность 05.04.02 - Тепловые двигатели

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

о 3 СО 2011

Москва-2011

4853679

Работа выполнена в Московском государственном техническом университете им. Н.Э. Баумана

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор Кавтарадзе Реваз Зурабович

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Петриченко Михаил Романович

Ведущее предприятие: Московский автомобильно-дорожный государственный технический университет (МАДИ)

заседании диссертационного сов

венном техническом университете им. Н.Э. Баумана по адресу: 105005, Москва, Рубцовская наб., д.2/18, Учебно-лабораторный корпус, ауд. 947.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МГТУ им. Н. Э. Баумана

Ваши отзывы на автореферат в 2-х экземплярах, заверенные печатью учреждения, просим направить по адресу: 105005, Москва, 2-ая Бауманская ул., д.5, МГТУ им. Н.Э. Баумана, ученому секретарю диссертационного совета Д212.141.09.

кандидат технических наук, старший научный сотрудник Скрипник Алексей Александрович

Защита диссертации состоится

Автореферат разослан «/a? » ЛКсОЛД 201/

г.

Ученый секретарь диссертационного совета к. т. н. доцент

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. Природный газ является наиболее известным и исследованным газовым топливом, используемым в транспортных силовых установках. Его значительные запасы в сочетании с развитой сетью доставки от месторождений до потребителя, а также экологические преимущества в сравнении с традиционными видами топлива, позволяют рассматривать природный газ как реальную альтернативу жидким углеводородным топливам.

Одним из наиболее распространенных способов организации рабочего процесса с использованием природного газа в качестве моторного топлива является конвертирование серийных дизелей в двигатель с воспламенением от запальной дозы топлива (газожидкостный двигатель), что помимо изменения экологических параметров работы двигателя приводит к изменению условий протекания процессов теплообмена в камере сгорания. Однако данным процессам, не смотря на то, что именно они определяют работоспособность конструкции двигателя, часто не уделяется должного внимания.

Процессы локального теплообмена также являются важнейшим элементом математической модели внутрицилиндровых процессов. Широкое внедрение методов численного моделирования, сокращающих затраты времени и средств на экспериментальную доводку газожидкостного двигателя, приводит к необходимости точного определения граничных условий на поверхностях, подвергающихся тепловым нагрузкам.

Без детального изучения внутрицилиндровых процессов, подразумевающего определение локальных температур рабочего тела в объеме цилиндра, дальнейшее совершенствование двигателя становится весьма затруднительным. Все это делает исследование теплообмена в камере сгорания двигателя, конвертированного на газ, важнейшим компонентом процесса проектирования перспективных ДВС и одной из актуальных задач современного двигателестроения.

Цель работы: Расчетно-экспериментальное исследование локального нестационарного теплообмена при использовании различных моделей турбулентности, горения и теплообмена в пограничном слое и оценка тепловых нагрузок на детали камеры сгорания дизеля, конвертированного в газожидкостный двигатель.

Достижение поставленной цели требует решения следующих задач:

1. Разработка математической модели трехмерных нестационарных процессов переноса, турбулентного горения и теплообмена в цилиндре дизеля, конвертированного в газожидкостный двигатель.

2. Исследование влияния различных моделей турбулентности, моделей горения и пристеночных функций, а также моделей теплообмена в пристеночной области на величины тепловых потоков в стенки камеры сгорания поршневого двигателя.

3. Верификация расчетных данных по результатам измерения локаль-

ных температур на поверхностях огневых днищ поршней базового дизеля и газожидкостного двигателя.

4. Анализ влияния конструктивных (интенсивности вихревого движения заряда) и регулировочных (коэффициента избытка воздуха, угла опережения впрыскивания запальной дозы дизельного топлива, величины запальной дозы, давления впрыскивания) параметров на локальный теплообмен в камере сгорания газожидкостного двигателя. Научная новизна:

- Впервые для оценки термических граничных условий в камере сгорания дизеля, конвертированного в газожидкостный двигатель, использован широкий спектр современных моделей турбулентности, горения и локального теплообмена, после уточнения которых определено оптимальное их сочетание, приводящее к адекватным результатам.

- На базе 3D - CFD кода FIRE создан инструмент для исследования локального теплообмена в пристеночных слоях камеры сгорания дизеля, конвертированного в газожидкостный двигатель.

- Проведены экспериментальные исследования локальных температур поршней, а также сравнительный анализ локального теплообмена на огневых днищах поршней дизеля ЯМЗ-236 и его газожидкостной модификации с соблюдением идентичности мест установки датчиков, режимов работы двигателя ЩНdem, n=idem) и его конструкционных параметров (форма камеры сгорания и степень сжатия).

- Исследовано влияние конструктивных (интенсивности вихревого движения заряда) и регулировочных (коэффициента избытка воздуха, угла опережения впрыскивания и величины запальной дозы, давления впрыскивания) параметров на локальный теплообмен в цилиндре газожидкостного двигателя с учетом процессов нестационарного трехмерного движения и турбулентного сгорания топливовоздушной смеси.

Достоверность и обоснованность научных положений определяются:

- использованием фундаментальных законов и уравнений теплофизики, гидро- и газодинамики и физической химии с соответствующими граничными условиями, современных численных методов реализации математических моделей;

- применением достоверных опытных данных по исследованию теплового состояния поршней базового дизеля и его газожидкостной модификации, полученных во ВНИИГАЗ и в МГТУ им. Н.Э. Баумана при участии автора.

Практическая значимость работы состоит в том, что:

- создан инструмент, позволяющий с достаточной точностью прогнозировать термические граничные условия в камере сгорания, в частности тепловую нагрузку на поршень, при конвертировании дизеля в газожидкостный двигатель (т.е. газовый двигатель с воспламенением от запальной дозы дизельного топлива);

- определены значения конструктивных и регулировочных параметров,

обеспечивающих оптимальные эффективные и экологические показатели работы газожидкостной модификации дизеля ЯМЭ-236.

Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы были доложены на:

- XVI Школе-семинаре молодых ученых и специалистов под рук. академика РАН А.И. Леонтьева «Проблемы газодинамики и тепломассообмена в энергетических установках», 2007г., Санкт-Петербург, СПбГПУ.

- Научно-технической конференции «4-ые Луканинские чтения. Решение энергоэкологических проблем в автотранспортном комплексе», 2009г., Москва, МАДИ.

- XVII Школе-семинаре молодых ученых и специалистов под рук. академика РАН А.И. Леонтьева «Проблемы газодинамики и тепломассообмена в аэрокосмических установках», 2009г., Жуковский, ЦАГИ им. Н.Е. Жуковского, МФТИ (диплом за лучший доклад).

- Пятой Российской Национальной Конференции по Теплообмену, 2010г., Москва, МЭИ.

- Юбилейной научно-технической конференции «Двигатель-2010», посвященная 180-летию МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2010г., Москва, МГТУ.

Публикации: основные положения диссертации опубликованы в 13 работах.

Объем работы: диссертационная работа содержит 167 страниц основного текста, 65 рисунков, 24 таблицы, состоит из введения, 4-х глав, заключения, приложения и списка литературы, включающего 164 наименования.

Значительная часть проведенных исследований выполнялась в рамках грантов РФФИ: № 05-08-01311, №08-08-00348, №09-08-00279.

СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ

Во введении приведена целесообразность исследования процессов локального теплообмена в двигателях, конвертированных на газообразное топливо. Обоснована актуальность, научная новизна и практическая ценность работы, дана общая характеристика диссертации.

В первой главе проведен анализ работ, посвященных теоретическому и экспериментальному изучению рабочего процесса в газовых и газожидкостных двигателях, а также процессов теплообмена в пограничном слое камер сгорания поршневых двигателей, выполненных отечественными и иностранными исследователями, среди которых: Гайворонский А.И., Галышев Ю.В., Иващенко H.A., Кавтарадзе Р.З., Марков В.А., Петриченко М.Р., Петриченко P.M., Розенблит Г.Б., Руднев Б.И., Стефановский B.C., Хачиян A.C., Чесноков С.А., Annand W., Boulouchos К., Eberle М., Eichelberg G., Han Z., Heywood J., Reitz R.D., Pfalum W., Woschni G., Zeilinger К. и ряд других ученых. Осуществляется сравнение моделей теплообмена в поршневых двигателях, основанных на теории ламинарного и турбулентного пограничного слоя. При численном моделировании процессов локального теплообмена особое вни-

мание уделяется исследованию процессов в пограничных слоях камеры сгорания двигателя с использованием различных моделей турбулентности и пристеночных функций, рассматриваемых в фундаментальных работах Исаева С.А., Колмогорова А.Н., Кутателадзе С.С., Леонтьева А.И., Лойцянского Л.Г., Durbin P., Hanjalic К., Karman Т., Launder В., Nikuradse J., Prandtl L., Spalding D.B., Wilcox D.C., Yakhot V. и др.

На основе проведенного анализа работ по заданной тематике была поставлена цель диссертационной работы и определены задачи, решение которых необходимо для ее достижения (см. выше).

Вторая глава посвящена математическому моделированию рабочего процесса и теплообмена в цилиндре газожидкостного двигателя с учетом химической кинетики. Обобщенное уравнение переноса приводится в виде д_ дг'

где Ф — одна из зависимых переменных, W— вектор скорости газа, р — плотность газа, Гф- обобщенный коэффициент переноса (диффузии, вязкости, тепло- или температуропроводности), Бф — источниковый член (табл. 1).

При подстановке соответствующих членов в обобщенное уравнение (1) получается система уравнений трехмерного нестационарного переноса (уравнения Навье-Стокса, энергии, неразрывности и диффузии). В результате осреднения система принимает форму Рейнольдса, для замыкания которой используются четыре различные модели турбулентности, ориентированные на решение специфических для поршневых двигателей задач: 1. Уравнения к-е модель (в тензорной форме):

А(рф) + di»{PW,ф) = div{Tф^ас1Ф)+8Ф,

0)

дк , цГ дк _ 0

дг ' дх, дх.

v + -

дк

ôs -г де д

—+Ж-= —

дх дх, дх.

v+-

tJdxj de

dW.

дх.

е dW, е2 к 4 дх,. 52 к

(2)

где V, = с^-к2/е - турбулентная вязкость, а эмпирические константы имеют значения: с^ = 0,09; се} = 1,44; сл = 1,92; ак = 1; ае = 1,3.

Таблица 1.

Значения обобщенного коэффициента переноса и источникового члена в уравнениях

математической модели

Вид уравнения Ф Гф >$ф

1. Уравнение Навье-Стокса W, и _ dp 1 д(ашЛ pG. —- + --- дх, 3 дх, дх, , J j \ j /

2. Уравнение энергии H X СР

3. Уравнение диффузии с р Dcp m

4. Уравнение неразрывности 1 0 0

2. AVL HTM (Hybrid Turbulence Model) - модель, являющаяся одной из последних модификаций к-е модели. В данном случае константа си = 0,09 стандартной к-е модели заменяется выражением

= (3)

предложенным В. Basara и S. Jakirlic в целях учета влияния различных областей течения. При этом Sy - средняя величина деформации элементарного объема жидкости в единицу времени.

3. k-£-f модель турбулентности. Она является развитием v2/ модели и предусматривает решения дополнительного уравнения для нормированного масштаба скорости с= W2/k:

г' К

, Зх*

pf-pf-p^i Dt к ах.

\

М,

(4)

где /- эллиптическая функция релаксации. Также была изменена одна из констант в выражении для с (2).

4. RSM- модель R. Manceau и К. Hanjalic. Эта модель, как и все другие RSM (Reynolds Stress Models), является альтернативой использованию моделей турбулентной вязкости, к которым относятся описанные выше три модели. Для RSM-моделей характерно непосредственное решение уравнений переноса для неизвестных тензоров второго порядка, возникающих при осреднении по Фавру или по Рейнольдсу.

Для описания течения рабочего тела вблизи твердых поверхностей используются пристеночные функции. Стандартный их вид предусматривает определение универсальной безразмерной скорости и+ как функции от универсальной координаты /. Применяются также гибридные пристеночные функции, предложенные М. Popovac и К. Hanjalic, в которых в отличие от стандартных функций вязкий и логарифмический слои связаны универсальным безразмерным соотношением для распределения температур в пристеночном пограничном слое (для определенного диапазона числа Прандтля).

Модели теплообмена в пристеночной области основаны на зависимостях, характеризующих распределение средней безразмерной температуры 1* по толщине пограничного слоя у*. Основной особенностью использованной модели Z. Han и R. Reitz, является учет нестационарности течения рабочего тела, его сжимаемости, а также наличия источниковых членов.

Численная реализация модели осуществляется на основе ЗО-СБО-кода FIRE, разработанного фирмой AVL List GmbH (License Agreement for Use of the Simulation Software AVL FIRE between Moscow State Technical Univ. n.a. N.E.Bauman and AVL List GmbH, 2010). Ядро FIRE основано на численном методе контрольных объемов с использованием усовершенствованного алгоритма SIMPLE.

Сначала расчетная область (цилиндр двигателя с впускными каналами) разбивается на конечное число контрольных объемов (КО), деформируемых в направлении оси цилиндра и по направлению движения впускного клапана.

5

В дальнейшем процессы сжатия и сгорания свежего заряда рассматриваются для закрытого цилиндра, что позволяет уменьшить количество КО в расчетной сетке (с ~ 346 ООО до 66 ООО). Параметры исследуемых двигателей представлены в табл. 2.

Верификация математической модели проводилась путем сравнения индикаторных диаграмм. Отклонения расчетных максимальных давлений цикла от экспериментальных значений, в частности, составили 0,48% и 1,04% на режимах номинальной мощности и максимального крутящего момента, соответственно.

Применение различных моделей турбулентности для исследования внутрицилиндровых процессов в дизеле ЯМЗ-236 показало существенную разницу по интенсивности турбулентного движения, особенно на кромках камеры сгорания, что, безусловно, отражается на тепловом состоянии поршня. Например, повышенные значения кинетической энергии турбулентности к, полученные при использовании k-£-f модели, приводят к большим, отличным от реальных значений, величинам тепловых потоков в этой области. Еще более существенный рост тепловых нагрузок (до 30%) дает применение модели теплообмена Han-Reitz. В связи с этим для оценки теплового состояния поршня применялись экспериментальные данные (глава 3).

Исследования сгорания топливо - воздушной смеси в цилиндре газожидкостного двигателя проводились на основе трех, наиболее распространенных в настоящее время моделей: 1) Модели турбулентного сгорания Magnussen и Hjertager, уточненной в процессе исследования путем ведения экспериментальных коэффициентов В=5, С= 0,5; 2) Модифицированной расширенной модели когерентного пламени ECFM-3Z (Extended Coherent Flame Model), предназначенной для расчетов рабочих процессов в дизелях; 3) Варианта модели когерентного пламени в сочетании с моделью зажигания смеси воздуха и природного газа за счет впрыскивания дизельного топлива (ECFM+DIGE). ECFM-модель основана на концепции распространения ламинарного пламени, при этом средняя скорость реакции горения топлива:

, (5)

где ртР - парциальная плотность топлива;^ - скорость ламинарного пламени,

Таблица 2.

Параметры исследуемых двигателей

Двигатель Параметры Режим работы двигателя

Ne=Ne„0M Me=Memax

п, мин'1 2060 1300

Дизель ЯМЭ-236 Ме, Нм 750 880

(S/D=l 40/13 Омм/мм, вдт, кг/ч 39,13 26,01

8=16,5) Рк, бар 1,89 1,48

п, мин"1 2060 1300

Газожидхостный Ме, Нм 750 880

вариант ЯМЭ-236 Одт, кг/ч 7,4 6,97

(S/D=140/130mm/MM, вг, кг/ч 25,5 18,26

е=16,5) Рк, бар 1,85 1,34

зависящая от локального давления р, температуры Т свежего заряда газа и локального коэффициента избытка воздуха aß\ Е - площадь фронта пламени на единицу объема.

Результаты моделирования процессов в газожидкостном двигателе при использовании указанных моделей также показали различные результаты. В частности, значительное различие было замечено в процессах сгорания, выраженное в более низких значениях максимального давления цикла (р.), полученного при расчетах с моделью ECFM-3Z и Magnussen-Hjertager по сравнению с ECFM+DIGE (р, = 11,7 МПа и 11,9 МПа в сравнении с 13,1 МПа). На основе анализа результатов моделирования (рис. 1) было установлено, что модель Magnussen — Hjertager приводит к двухстадийному протеканию процесса сгорания: сначала выгорает запальная доза дизельного топлива, затем начинается процесс сгорания газо-воздушной смеси, уже находящейся в камере сгорания. В то же время, при расчетах с использованием ECFM-3Z модели сгорания при <р = 353° УПКВ происходит самовоспламенение дизельного топлива, в то время как при использовании других моделей без впрыскивания запальной дозы сгорания не происходит. В результате дальнейшие исследования процессов в газожидкостном двигателе проводились с применением (ЕСРМ+ОЮЕ)-модели.

В третьей главе изложен метод экспериментального исследования локальных температур поршней дизеля ЯМЗ-236 и его газожидкостной модификации, дается сравнение и анализ процессов локального теплообмена в камерах сгорания путем исследования характера изменения граничных условий третьего рода на поверхностях огневых днищ поршней. В целях обеспечения достоверности сравнительного анализа, измерения локальных температур на поверхностях огневых днищ поршней проводились с соблюдением идентичности мест установки датчиков и режимов работы двигателей (рис. 2, табл. 1). Сравнивались также результаты моделирования теплонапряженного состояния поршней исследуемых двигателей на основании полученных граничных условий третьего рода и экспериментальных данных.

Измерения проводились с помощью датчиков типа ИМТК (измеритель максимальной температуры кристаллический), разработанных в ИАЭ им. И.В. Курчатова. К преимуществам этих датчиков, помимо отсутствия токосъемника и необходимости непосредственного соединения датчика с регист-

град. ШСВ м-* ECFM-3Z • ECFM+DIGE « ■ Magaus sen-Hjertager (В =5)

Рис. 1. Расчетная скорость тепловыделения (Дж/град) в газожидкостном двигателе на номинальном режиме

Рис. 2. Схема расположения датчиков ИМТК на тепловоспринимающих поверхностях поршней базового дизеля и его газожидкостной модификации

Рис. 3. Температурное поле поршня (К) (в скобках указаны экспериментальные значения температур) газожидкостного двигателя на базе ЯМЭ-236 на режиме номинальной мощности при расчетах с использованием модели AVL HTM

рирующими приборами, относятся также малые габариты (размеры капсулы: диаметр 1 мм, длина 5 мм в стандартной модификации; диаметр 0,5 мм, длина 3 мм - в малогабаритной), широта диапазона измерения и высокая достоверность получаемых данных.

Проведенные исследования показали, что все используемые математические модели теплообмена в пристеночной области и турбулентных течений в камере сгорания приводят к завышенным по сравнению с экспериментальными данными значениям температур на поверхностях огневых днищ поршней дизеля и газожидкостного двигателя (рис. 3). Среди рассматриваемых моделей наиболее близкие к экспериментальных данным результаты дают модель гибридной турбулентности и модель Manceau-Hanjalic (погрешность на кромке КС составляет 3,2% для датчика XII и 15,7% для датчика VII). Для к-е и k-£-f моделей превышение значений температур составляет уже от 7,2% для датчика XII внутри камеры в поршне до 22,3% для датчика VII.

Полученные в результате моделирования и верифицированные с помощью экспериментальных данных локальные температуры поршня были в качестве граничных условий использованы для расчета тепловых деформаций поршней. Максимальные значения напряжений а на режиме номинальной мощности для газожидкостного двигателя составили 489 МПа, в то время как для базового дизеля эта величина достигала 538 МПа. Таким образом, при переходе на газожидкостный процесс наблюдается снижение уровня термической нагрузки на детали цилиндро-поршневой группы, что тоже можно отнести к преимуществам конвертированного дизеля.

Четвертая глава посвящена анализу конструктивных и регулировочных параметров на локальный теплообмен в камере сгорания газожидкостного двигателя.

Интенсивность вихревого движения заряда в момент впрыскивания запальной дозы дизельного топлива оказывает значительное влияние на смесеобразование и развитие процесса сгорания в цилиндре газожидкостного двигателя. Численное исследование проводилось для пяти значений вихревого числа Д: 0; 0,5; 1; 1,5 и 2 на исследуемых режимах работы (табл. 2).

На режиме номинальной мощности установлена обратная зависимость между величиной к и интенсивностью вихря Д в цилиндре двигателя. При этом максимальные значения кинетической энергии турбулентности изменяются от ¿=37,18 м2/с2 при <р = 35 ГУПКВ (Д = 0), до к = 33,19 м2/с2 при том же значении угла ПКВ ий„ = 2. Интенсивность вихревого движения заряда в цилиндре влияет на скорость распространения турбулентного пламени.

В зависимости от величины вихревого числа в цилиндре двигателя максимальное давление меняется в пределах от р, = 12,49МПа при Д = 0 до р2 = 13 ,ЗЗМПа при Д = 2 (и = 2060 мин"1) и отр2 = 11,7МПа при Д = 0 до р2 = 12,7МПа при Д = 2 (п = 1300 мин"1), что оказывает влияние на мощность двигателя.

Для обеспечения эффективной работы дизеля, конвертированного на природный газ необходимо регулирование ряда параметров, прежде всего, количества цикловой дозы газового топлива и коэффициента избытка воздуха. В газожидкостных двигателях также целесообразно регулирование величины запальной дозы топлива и момента ее подачи - угла опережения впрыскивания (фовТ)■

Численные эксперименты были проведены для значений (ровт- -23°, -20°, -14°, -10°, -8° и -5° УПКВ на исследуемых режимах работы двигателя. В результате было установлено, что величина максимального давления цикла р2 на режиме номинальной мощности изменяется на 30% (от 14,1 МПа при сровт = -23° УПКВ до 9,9 МПа при <ровт = -5°), при этом угол максимального давления изменяется от 362° УПКВ до 377° УПКВ соответственно (рис. 4). Очевидно, что с точки зрения эффективности рабочего цикла предпочтительным является процесс, при котором пик тепловыделения расположен вблизи ВМТ

« ' * -23 град ПКВ »• • -20 град ПКВ Jk-« -14 град ПКВ -10 град ПКВ *** -8 град ПКВ л—1—t- -5 град ШСВ

250 270 290 310 330 350 370 390

град ПКВ град. ПКВ

а) б)

Рис. 4. Индикаторные диаграммы дизеля ЯМЗ-236, конвертированного в газожидкостный двигатель, при различных значениях угла опережения впрыскивания дизельного топлива ч>овт на режимах: а) и = 2060 мин"1, б) и = 1300 мин"1

(сровт=-14° УПКВ при п = 2060 мин1 и -10° УПКВ при п = 1300 мин1).

Для исследуемых режимов работы двигателя были определены оптимальные значения коэффициента избытка воздуха (моделирование проводилось для следующих значений ав\ 1; 1,5; 2; 2,5). Расчеты показали значительный рост рг при обогащении смеси: так, если при ав = 2,5 на режиме номинальной мощности рг = 10,89 МПа, то при ав = 1 р, уже составляет 20,86 МПа, что находит свое отражение в росте Л^. Однако скорости тепловыделения при таком режиме работы двигателя оказываются слишком велики (максимальные значения достигают 2920 Дж/град при п = 2060 мин"1 и 2090Дж/град при и = 1300 мин"1), что свидетельствует о высокой тепловой нагрузке на детали камеры сгорания (рис. 5) и высокой шумности работы двигателя. С этой точки зрения более эффективной является работа двигателя при ав = 1,5 и 2.

В заключение был проведен анализ влияния величины запальной дозы дизельного топлива и давления впрыскивания на рабочий процесс в цилиндре газожидкостного двигателя. Зависимости параметров рабочего процесса дизеля, конвертированного в газожидкостный двигатель, от величины запальной дозы дизельного топлива тц представлены на рис. 6. Видно, что увеличение тц сопровождается нелинейным ростом максимального давления в цилиндре двигателя (на режиме п = 2060 мин"' р2 = 10,64 МПа при 5% от

а) б)

Рис. 5. Локальные тепловые потки на поверхности камеры сгорания дизеля ЯМЗ-236, конвертированного в газожидкостный двигатель, на режиме номинальной мощности (р = 367°УПКВ) при: а) ав = 1; б) о.,: = 2,5

аксимальное давление цикла, Рг Суммарные выбросы ЫОх

Цикловая доза, % Цикловая доза. %

Рис. 6. Влияние запальной дозы дизельного топлива на показатели работы дизеля ЯМЗ-236, конвертированного в газожидкостный двигатель (режим номинальной мощности)

цикловой подачи дизеля, при переходе на 10% наблюдается быстрый рост р, до 13,11 МПа, который затем несколько замедляется - при 20% запальной доле максимальное давление составляет 14,22 МПа). Увеличение максимального давления цикла приводит к повышению эффективной мощности (если при 5% Ne = 170,73 кВт, то при 30% - уже 201,06 кВт), но одновременно свидетельствует и об увеличении выбросов вредных веществ в атмосферу. Так на режиме п = 2060 мин'1 при увеличении запальной дозы от 5% до 30% уровень выбросов оксидов азота увеличивается в 6,53 раза (от 0,0011168 г/цикл при 5% до 0,007291 г/цикл при 30%).

Важным аспектом увеличения pz является повышение тепловых нагрузок на детали камеры сгорания. Так, если при 5% запальной дозе осреднен-ные по тепловоспринимающим поверхностям значения тепловых потоков достигают 91400 Вт, то при 30% - уже 132120 Вт (режим номинальной мощности); на режиме максимального крутящего момента - соответственно 60450 Вт для 10% доли и 97447 Вт для 25%.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ

1. На основе фундаментальных трехмерных уравнений нестационарного переноса количества движения (Навье-Стокса), энергии, концентрации и массы была сформулирована математическая модель рабочего процесса и теплообмена в поршневом двигателе с учетом химической кинетики. Основная система уравнений, записанная в форме Рейнольдса и замыкается с помощью моделей турбулентности, наиболее подходящих для решения специфических задач локального теплообмена в камере сгорания поршневого двигателя (&-£-/, k-s, AVL HTM и модели Manceau&Hanjalic). Численные эксперименты проводились с применением программного комплекса FIRE, ориентированного на решение задач поршневых двигателей.

2. На основе экспериментальных индикаторных диаграмм были уточнены значения эмпирических коэффициентов в модели сгорания Magnussen -Hjertager, применение которой для моделирования внутрицилиндровых процессов в дизеле, работающем на традиционном дизельном топливе, обеспечивает хорошее согласование с результатами эксперимента.

3. По результатам моделирования процессов дизеле, конвертированном в газожидкостный двигатель, была выявлена неадекватность модели сгорания Magnussen - Hjertager в случае одновременного горения нескольких видов топлива (запальной дозы дизельного топлива и смеси природного газа с воздухом, подающейся в цилиндр двигателя в качестве основного топлива). В качестве альтернативы модели Magnussen -Hjertager предлагается использовать модель когерентного пламени в сочетании с моделью зажигания горючей смеси в цилиндре газожидкостного двигателя за счет впрыскивания дизельного топлива - (ECFM+ DIGE) модель.

4. Численные эксперименты показали существенную зависимость скоростных и температурных полей в цилиндре от используемых моделей турбулентности. С другой стороны установлено, что использование рассматриваемых моделей турбулентности не приводят к существенным различиям в величинах осредненных по объему цилиндра параметров (погрешность по pz в сравнении с 0-мерной модели составила 0,48% при п=2060 мин'1 и 1,04% при «=2300 мин'1). Расчеты с использованием k-C-f модели приводят к наиболее высокой интенсивности турбулентности в области кромки камеры сгорания.

5. Исследована возможность внедрения в общую математическую модель различных видов пристеночных функций и моделей теплообмена в пристеночной области. Показана целесообразность использования для дальнейших расчетов процессов теплообмена в камере сгорания как стандартных, так и гибридных пристеночных функций, а также модели теплообмена Han-Reitz. Установлено, что расчетное значение толщины пограничного слоя существенно зависит от выбора пристеночных функций, что может привести к изменению значений тепловых потоков в стенку камеры сгорания. При этом в случае использования гибридных пристеночных функций существенное перераспределение тепловых потоков в пристеночной области не происходит, но их мгновенные локальные значения в областях, в которых фронт пламени приближается к стенкам камеры в поршне, увеличиваются с 10 МВт/м2 до 17 МВт/м2. Значения нестационарных тепловых потоков существенно зависят от выбранной модели теплообмена в пристеночной области. Применение модели теплообмена Han-Reitz приводит к увеличению максимальных значений теплового потока примерно на 30% по сравнению со стандартной моделью.

6. Сравнение результатов моделирования с экспериментальными данными показало, что все используемые модели теплообмена в пристеночной области и турбулентных течений приводят к несколько завышенным значениям температур на поверхностях огневых днищ поршней как дизеля, так и газожидкостного двигателя. Среди рассматриваемых моделей наиболее близкие к экспериментальных данным результаты дают модель гибридной турбулентности и модель Manceau&Hanjalic (от 1% до 10,5% для дизеля и 8-13% для газожидкостного двигателя в зависимости от сектора камеры сгорания, в то время как к-е и к-Q-f модели для дизеля дают погрешность 10,4-15% и от 13,2% до 22,3% - для газожидкостного двигателя). Вместе с тем расчет с использованием модели рейнольдсовых напряжений требует больших затрат машинного времени (расчет на компьютере с процессором Intel Pentium Е8800 3,0 ГТц и 8Гб оперативной памяти с применением моделей рейнольдсовых напряжений идет в 1,5 раза дольше), поэтому для дальнейших исследований в качестве основной целесообразен выбор модели гиб-

ридной турбулентности в сочетании со стандартными пристеночными функциями и моделью теплообмена.

7. Сравнение величин тепловых нагрузок на огневые днища поршней дизеля и его газожидкостной модификации (режим номинальной мощности), полученных с использованием ранее верифицированной математической модели, позволяет сделать вывод, что работе двигателя на смеси газового и дизельного топлива соответствуют меньшие значения « {о-г тш = 609 Вт/м2К, ад_тш = 714 Вт/м2К) при более высоких результирующих температурах (Тг_рез = 1251 К для газожидкостного двигателя и Тд_рез = 1026 К для базового дизеля). Общей тенденцией является повышение значений коэффициента теплоотдачи на кромке камеры в поршне, однако в случае газожидкостного двигателя это повышение не столь выражено и объясняется иным, чем в дизеле, протеканием процесса сгорания топливо-воздушной смеси.

8. Расчет теплонапряженных состояний поршней исследуемых двигателей на режиме номинальной мощности показал снижение максимальных значений термических напряжений поршня газожидкостного двигателя (489 МПа) по сравнению с базовым дизелем (538 МПа), что указывает на его преимущество с точки зрения надежности и долговечности.

9. По результатам исследования влияния интенсивности вихревого движения заряда на параметры работы двигателя установлено, что при увеличении вихревого числа от 0 до 1 происходит рост р2 на 4,8%, от 1 до 2 - всего на 1,76% (режим номинальной мощности). На режиме п = 1300 мин"1 наблюдается обратная картина, и рост р, составляет от Д, = 0 до 1 - 1,71%, от 1 до 2 - 6,7%. Таким образом, с точки зрения эффективных показателей двигателя предпочтительной выглядит использование системы, максимально закручивающей поток (В„=2). С другой стороны, повышение 0„ приводит к росту выбросов оксидов азота (на 29% и 17% для двух режимов). В качестве оптимального варианта в этой связи выглядит впускная система, обеспечивающая умеренную закрутку заряда в цилиндре (Д, = 1 и 1,5).

10. Удовлетворительными эффективными показателями газожидкостный двигатель обладает при углах опережения впрыска запальной дозы дизельного топлива, равных <ровт= -14°, -10° УПКВ на режиме номинальной мощности и (ровт ~ -8° УПКВ на режиме максимального крутящего момента. Ранний впрыск (уопт = -23°, -20° УПКВ на данных режимах) приводит к росту тепловых нагрузок и выбросов вредных веществ вследствие быстрого выгорания топлива (угол максимального давления смещен к ВМТ). В то же время поздний впрыск (-8° и -5° УПКВ) на режиме номинальной мощности дает снижение величины выбросов 1ЧОх на 69% за счет снижения максимальной температуры цикла, однако потери мощности вследствие позднего сгорания топливо-воздушной смеси составляют более 6%.

11. С точки зрения сгорания, уровня выбросов N0* и шумности работы двигателя оптимальными являются значения коэффициента избытка воздуха: ац = 2 для режима номинальной мощности и аи = 2,5 для режима максимального крутящего момента. Так, р2 для ав = 1 и 1,5 составляют 20,9 МПа и 16,ЗМПа, 19 МПа и 16,2 МПа для режимов номинальной мощности и максимального крутящего момента соответственно, однако углы, при которых они достигаются, близки к ВМТ, что приводит к снижению полезной работы цикла. В то же время выбросы оксидов азота на режиме номинальной мощности при ав = 2,5 составляют всего 6,7% от соответствующих значений при ав - 1, а значения скоростей тепловыделения, определяющих скорость нарастания давления и, как результат, уровень шума, для богатой смеси в зависимости от режима достигают значений 2090 и 2920 Дж/град. Высокие значения скоростей тепловыделения недопустимы также и с точки зрения тепловых нагрузок на детали цилиндро-поршневой группы.

12. С точки зрения экономических и экологических показателей при выборе оптимального значения запальной дозы дизельного топлива целесообразно минимизировать величину тц, при этом необходимо обеспечить требуемый уровень интенсивности впрыскивания, при котором осуществляется лучшее распыливание и увеличение числа капель рас-пыливаемого топлива. Однако чрезмерное уменьшение тц может привести к неустойчивому воспламенению и снижению максимального давления цикла (так на режиме номинальной мощности р, = 10,64 МПа при 5% от цикловой подачи дизеля, при переходе на 20% максимальное давление составляет уже 14,22 МПа, аналогичная картина наблюдается и для режима максимального крутящего момента). Для рассматриваемых диапазонов давления впрыскивания установлены оптимальные запальные дозы дизельного топлива: тц = 10% от цикловой подачи дизеля на режиме номинальной мощности и 15% на режиме максимального крутящего момента.

УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ

С - концентрация кг/м3

СР - удельная теплоемкость газа при постоянном давлении Дж/(кг-К)

в - диаметр цилиндра мм

А, - вихревое число -

я - энтальпия Дж

к - кинетическая энергия турбулентности м2/с2

т - масса кг

мк - крутящий момент двигателя Н-м

п - частота вращения коленчатого вала мин"1

Ме - эффективная мощность двигателя кВт

Р - давление МПа

р2 — максимальное давление в цилиндре двигателя МПа

ртр — давление впрыскивания топлива МПа

q - плотность теплового потока Вт/м2

¡2 - количество теплоты Дж

Б — ход поршня мм

Т - температура К

IV - скорость м/с

а - коэффициент теплоотдачи Вт/(м К)

е - степень сжатия двигателя -

- скорость диссипации кинетической энергии турбулентности м2/с3

(р — угол поворота коленчатого вала ° УПКВ

X - коэффициент теплопроводности Вт/(м К)

г - время с

Индексы

i, j, k - текущие индексы; w - значение параметра на поверхности стенки; со -значение параметра за похраничным слоем.

Список принятых сокращений

ВМТ - верхняя мёртвая точка;

КС - камера сгорания;

УПКВ — угол поворота коленчатого вала.

Основные положения диссертации опубликованы в 13 работах:

1. Кавтарадзе Р.З., Гайворонский А.И., Зеленцов A.A. Расчетно-экспериментальное исследование локального теплообмена на огневом днище поршня дизеля, конвертированного в газовый двигатель // Вестник МГТУ им. Н.Э. Баумана. Машиностроение. - 2009. - №2. - С. 45-57.

2. Кавтарадзе Р.З., Гайворонский А.И., Зеленцов A.A. Сравнительное рас-четно-экспериментальное исследование термических граничных условий на поверхности огневого днища поршня дизеля и газодизеля // Фундаментальные и прикладные проблемы совершенствования поршневых двигателей: Материалы XI Международной научно-практической конференции. - Владимир, 2008. - С. 47-51.

3. Леонтьев А.И., Кавтарадзе Р.З., Зеленцов A.A. Влияние формы камеры на нестационарные процессы переноса и турбулентного сгорания в дизеле, конвертированном в газовый двигатель // Известия РАН. Энергетика. - 2009. - №2. - С. 49-63.

4. Kavtaradze R.Z., Onishchenko D.O., Zelentsov A.A. The influence of rotational charge motion intensity on nitric oxide formation in gas-engine cylinder // Int. J. Heat and Mass Transfer. - 2009. - Vol. 52. - P. 4308-4316.

5. Кавтарадзе P.3., Зеленцов A.A., Кавтарадзе З.Р. Моделирование локального нестационарного теплообмена в камере сгорания авиационного

поршневого двигателя // Вестник МГТУ им. Н.Э. Баумана. Машиностроение. - 2010. - №1. - С. 20-36.

6. Кавгарадзе Р.З., Зеленцов A.A., Кавтарадзе З.Р. Моделирование локального нестационарного теплообмена в камере сгорания и теплонапряжен-ного состояния поршня авиационного двигателя // Известия РАН. Энергетика. -2010.-№2.- С. 133-151.

7. Кавтарадзе Р.З., Зеленцов A.A. Влияние модели турбулентности на расчетные параметры локального теплообмена в камере сгорания дизеля // Решение энерго-экологических проблем в автотранспортном комплексе: Тезисы докладов научно-технической конференции 4-ые Луканин-ские чтения. - М., 2009. - С. 36-38.

8. Зеленцов A.A. Расчетно-экспериментальное исследование локального теплообмена в камере сгорания быстроходного дизеля с применением различных моделей турбулентности и теплообмена // Проблемы газодинамики и тепломассообмена в аэрокосмических установках: Труды XVII Школы-семинара молодых ученых и специалистов под рук. акад. РАН А.И. Леонтьева. - М., 2009. - С. 336-339.

9. Kavtaradze R.Z., Zelentsov A.A., Glonti M.G. Solutions of Some Problems of Improvement of Ecological Characteristics of the Diesel Engine Converted in the Gas Engine//Problems ofMechanics. -2010. -No. 1(38). -P.13-28.

10. Зеленцов A.A. Моделирование трехмерных процессов переноса и турбулентного сгорания в цилиндрах дизеля и газожидкостного двигателя II Двигатель-2010: Сборник научных трудов международной конференции, посвященной 180-летию МГТУ им. Н.Э.Баумана. - М., 2010. -С.208-212.

11. Кавтарадзе Р.З., Зеленцов A.A., Сергеев С.С. Моделирование сгорания и образования вредных веществ в цилиндре быстроходного дизеля // Проблемы газодинамики и тепломассообмена в энергетических установках: Труды XVI Школы-семинара молодых ученых и специалистов под рук. акад. РАН А.И. Леонтьева. - СПб., 2007. - С. 152-155.

12. Кавтарадзе Р.З., Зеленцов A.A., Сергеев С.С. Численное исследование трехмерного турбулентного течения газа в системе «ресивер-цилиндр» // Решение энерго-экологических проблем в автотранспортном комплексе: Тезисы докладов научно-технической конференции 3-й Луканинские чтения. - М., 2007. - С. 61-63.

13. Зеленцов A.A., Сергеев С.С. Моделирование трехмерного турбулентного движения газов во впускной системе поршневого двигателя // Проблемы газодинамики и тепломассообмена в энергетических установках: Труды XVI Школы-семинара молодых ученых и специалистов под рук. акад. РАН А.И. Леонтьева. - СПб., 2007. - С. 145-147.

Подписано к печати 27.12.10. Заказ №796 Объем 1,0 печ.л. Тираж 100 экз. Типография МГТУ им. Н.Э. Баумана 105005, Москва, 2-я Бауманская ул., д.5 (499) 263-62-01

ПЕРЕЧЕНЬ ОСНОВНЫХ УСЛОВНЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ И ИНДЕКСОВ

ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА 1. АНАЛИЗ МЕТОДОВ РАСЧЕТНОГО И ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОГО ИССЛЕДОВАНИЯ ЛОКАЛЬНОГО ТЕПЛООБМЕНА В КАМЕРЕ СГОРАНИЯ ПОРШНЕВОГО ДВИГАТЕЛЯ ^

1.1. Актуальность проблемы исследования теплообмена в камере сгорания-поршневого двигателя, работающего на газообразном топливе

1.2. Классификация методов исследования локального нестационарного теплообмена в камере сгорания двигателя, работающего на природном газе

1.3. Модели локального теплообмена в поршневых двигателях, основанные на теории пограничного слоя

1.3.1. Модели, использующие теорию ламинарного пограничного слоя

1.3.2. Модели конвективного теплообмена на основе теории турбулентного пограничного слоя

1.3.3. Модели сложного теплообмена на основе теории турбулентного пограничного слоя

1.4. Расчет локального теплообмена в поршневых двигателях с использованием различных моделей турбулентности

1.4.1. Классификация и краткая характеристика основных моделей турбулентности

1.4.2. Особенности пристеночных течений. Метод пристеночных функций

1.4.3. Низкорейнольдсовые модели турбулентности

1.4.4. Модели рейнольдсовых напряжений

1.5. Экспериментальные методы исследования пограничного слоя в камере сгорания двигателя, работающего на природном газе

Выводы по главе

ГЛАВА 2. МОДЕЛИРОВАНИЕ РАБОЧЕГО ПРОЦЕССА И ЛОКАЛЬНОГО

ТЕПЛООБМЕНА В ЦИЛИНДРАХ БАЗОВОГО И КОНВЕРТИРОВАННОГО НА ПРИРОДНЫЙ ГАЗ ДИЗЕЛЕЙ*

2.1. Краткая характеристика базового дизеля и его газожидкостной модификации. Условия идентичности для сравнительного анализа

2.2. Обобщенная система уравнений переноса в цилиндре двигателя

2.3. Современные модели турбулентности, используемые для расчета процессов переноса в цилиндре поршневого ДВС

2.3.1. к-8 модель турбулентности '

2.3.2. Гибридная модель турбулентности-(AVL HTM)

2.3.3. &-£/модель турбулентности

2.3.4. Модель рейнольдсовых напряжений с уравнениями эллиптической релаксации (Manceau & Hanjalic)

2.4. Пристеночные функции, используемые для расчета процессов переноса в цилиндре поршневого ДВС 62 2.4.1. Стандартные пристеночные .функции 62 .2.4.2. Гибридные пристеночные функции '

2.5.> Современные модели теплообмена в. пограничном слое, используемые для расчета-процессов переноса в цилиндре поршневого ДВС

2.5.1. Стандартная модель теплообмена

2.5.2. Модель Han-Reitz

2.6. Моделирование турбулентного движения с учетом процессов сгорания ' топливо-воздушной смеси в цилиндре ДВС

2.6.1. Математическая модель сгорания Magnussen - Hjertager

2.6.2. Модель когерентного пламени (CFM) и ее модификации

2.6.3. Расчет процесса сгорания топливо-воздушной смеси в цилиндре газожидкостного двигателя при использовании различных моделей

2.7. Моделирование трехмерных процессов смесеобразования и сгорания при использовании различных моделей турбулентности, пристеночных функций и моделей теплообмена в пристеночной области

2.7Л . Расчет процессов тепло- и массообмена в цилиндре исследуемого двигателя

2.7.2. Верификация математической модели: по осредненным параметрам;

2.7.3. Анализ влияния: различных моделей турбулентностиI на * теплообмен в, пристеночной области

2.7.4. Анализ использования различных пристеночных функций при расчете теплообмена в пограничном слое

2.7.5. Анализ использования различных моделей теплообмена в пристеночнойобласти

Выводы.по главе

ГЛАВА 3. РАСЧЕТНО-ЭКСПЕРИМЕНТАЛЪНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ТЕРМИЧЕСКИХ ГРАНИЧНЫХ УСЛОВИЙ И ТЕПЛОВОГО СОСТОЯНИЯ ПОРШНЕЙ СЕРИЙНОГО ДИЗЕЛЯ ЯМЗ-236 И ЕГО ГАЗОЖИДКОСТНОЙ МОДИФИКАЦИИ

3.1. Экспериментальное исследование локальных температур поршней базо- ' вого дизеля и его газожидкостной модификации.

3.1.1. Принципиальная схемами краткое описание экспериментальной ус- • тановки,

3.1.2. Описание датчиков; для измерения локальных-температур;и схема их расположения на поверхностях огневых; днищ поршней исследуемых двигателей'

3.2*. Определение термических граничных условий^ на огневых днищах поршней исследуемых, двигателей на основании трехмерных расчетов; процессов локального теплообмена

3.3. Верификация моделей турбулентности и теплообмена на основе экспериментальных данных 102 3.3.1. Исследование локального теплообмена на огневых днищах поршней дизеля и газожидкостного двигателя на режиме номинальной мощности

3.3.2. Сравнительный анализтеплонапряженного состояния поршней дизеля и газожидкостного двигателя {п = 2060 мин"1) 110"

Выводы по главе

ГЛАВА 4. АНАЛИЗ ВЛИЯНИЯ КОНСТРУКТИВНЫХ И РЕГУЛИРОВОЧНЫХ ФАКТОРОВ НА ЛОКАЛЬНЫЙ ТЕПЛООБМЕН В КАМЕРЕ СГОРАНИЯ ДИЗЕЛЯ, КОНВЕРТИРОВАННОГО В ГАЗОЖИДКОСТНЫЙ ДВИГАТЕЛЬ

4.1. Влияние конструктивных факторов" на процессы локального теплообмена в камере сгорания исследуемого двигателя 113 4.Г.1. Влияние формы впускного канала на процессы смесеобразования в камере сгорания газожидкостного двигателя*

4.1.2. Анализ влияния интенсивности вихревого движения заряда на процессы смесеобразования, сгорания и локального теплообмена в камере сгорания газожидкостного двигателя

4.2. Влияние регулировочных факторов на процессы локального теплообмена в камере сгорания исследуемого двигателя

4.2.1. Влияние угла опережения впрыскивания запальной дозы дизельного топлива на процессы смесеобразования, сгорания и теплоотдачи в стенки камеры сгорания газожидкостного двигателя

4.2.2. Влияние коэффициента избытка воздуха* на процессы локального теплообмена в камере сгорания газожидкостного двигателя

4.2.3. Влияние величины запальной дозы дизельного топлива и давления впрыскивания на процессы локального теплообмена в камере сгорания газожидкостного двигателя

Выводы по главе

Природный газ является наиболее известным и исследованным газовым топливом, используемым в транспортных силовых установках. Его значительные запасы в сочетании с развитой сетью доставки газа от месторождений до конечного потребителя, а также экологические преимущества в сравнении с традиционными видами топлива позволяют рассматривать природный газ как реальную альтернативу жидким углеводородным топливам.

Одним из наиболее распространенных способов организации рабочего процесса с использованием природного газа в качестве моторного топлива является конвертирование серийных дизелей в двигатель с воспламенением от запальной дозы топлива (газожидкостный двигатель), что помимо изменения экологических параметров работы двигателя приводит к изменению условий протекания процессов теплообмена в камере сгорания. Однако данным процессам, не смотря на то, что именно они определяют работоспособность конструкции двигателя, часто не уделяется должного внимания.

Понимание процессов локального теплообмена также является важнейшим элементом математического моделирования внутрицилиндровых процессов. Широкое внедрение методов численного моделирования приводит к необходимости точного определения граничных условий на поверхностях, подвергающихся тепловым нагрузкам.

Без детального изучения внутрицилиндровых процессов, подразумевающего определение температур рабочего тела во всех точках рабочего объема цилиндра, дальнейшее совершенствование двигателя становится весьма затруднительным. Все это позволяет назвать исследование теплообмена в камере сгорания двигателя, конвертированного на газ, важнейшим компонентом процесса проектирования перспективных ДВС и одной из актуальных задач современного двигателестроения.

Цель работы: Расчетно-экспериментальное исследование локального нестационарного теплообмена при использовании различных моделей турбулентности, горения и теплообмена в пограничном слое и оценка тепловых нагрузок на детали камеры сгорания дизеля, конвертированного в газожидкостный двигатель.

Достижение поставленной цели требует решения следующих задач:

1. Разработка математической модели трехмерных нестационарных процессов переноса, турбулентного горения и теплообмена в цилиндре дизеля, конвертированного в газожидкостный двигатель.

2. Исследование влияния различных моделей турбулентности, пристеночных функций и моделей теплообмена в пристеночной области на величины тепловых потоков в стенки камеры сгорания поршневого двигателя.

3. Верификация расчетных данных по результатам измерения локальных температур на поверхностях огневых днищ поршней базового дизеля и газожидкостного двигателя.

4. Анализ влияния конструктивных (интенсивности вихревого движения заряда) и регулировочных (коэффициента избытка воздуха, угла опережения впрыскивания запальной дозы дизельного топлива, величины запальной дозы, давления впрыскивания) параметров на локальный теплообмен в камере сгорания газожидкостного двигателя.

Научная новизна работы:

- Впервые для оценки термических граничных условий в камере сгорания дизеля, конвертированного в газожидкостный двигатель, использован широкий спектр современных моделей турбулентности, горения и локального теплообмена, после уточнения которых определено оптимальное их сочетание, приводящее к адекватным результатам.

- На базе ЗБ - СББ кода БШЕ создан инструмент для исследования локального теплообмена в пристеночных слоях камеры сгорания дизеля, конвертированного в газожидкостный двигатель.

- Проведены экспериментальные исследования локальных температур поршней, а также сравнительный анализ локального теплообмена на огневых днищах поршней дизеля ЯМЭ-236 и его газожидкостной модификации с соблюдением идентичности мест установки датчиков, режимов работы двигателя (Ме=[Ает, п=[с1ет) и его конструкционных параметров'(форма камеры сгорания и степень сжатия).

- Исследовано влияние конструктивных (интенсивности вихревого движения заряда) и регулировочных (коэффициента избытка воздуха, угла опережения впрыскивания и величины запальной дозы, давления впрыскивания) параметров на локальный теплообмен в цилиндре газожидкостногодвигателя с учетом процессов нестационарного трехмерного движения и турбулентного сгорания топливовоздушной смеси.

Достоверность и обоснованность научных положений определяются:

- использованием фундаментальных законов и уравнений теплофизики, гидро- и газодинамики и физической химии с соответствующими граничными условиями, современных численных методов реализации математических моделей;

- применением достоверных опытных данных по исследованию теплового состояния поршней базового дизеля и его газожидкостной модификации, полученных во ВНИИГАЗ и в МГТУ им. Н.Э. Баумана при участии автора.

Практическая значимость работы состоит в том, что:

- создан инструмент, позволяющий с достаточной точностью прогнозировать термические граничные условия в камере сгорания, в частности тепловую нагрузку на поршень, при конвертировании дизеля в газожидкостный двигатель (т.е. газовый двигатель с воспламенением* от запальной дозы дизельного топлива);

- определены значения конструктивных и регулировочных параметров, обеспечивающих оптимальные эффективные и экологические показатели работы газожидкостной модификации дизеля ЯМЗ-236.

Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы были доложены на:

- XVI Школе-семинаре молодых ученых и специалистов под рук. Акаде мика РАН5 А.И. Леонтьева «Проблемы газодинамики и тепломассообмена в энергетических установках», 2007г., Санкт-Петербург, СПбГПУ.

- Научно-технической конференции- «4-ые-Луканинские чтения: Решение энергоэкологических проблем, в автотранспортном комплексе», 2009г., Москва; МАДИ.

- XVII-Школе-семинаре молодых ученых и специалистов под рук. академика РАН-А.И; Леонтьева «Проблемы газодинамики и тепломассообмена в аэрокосмических установках», 2009г., Жуковский, ЦАГИ им. Н.Е. Жуковского, МФТИ (диплом за лучший доклад).

- Пятой Российской Национальной Конференции по Теплообмену, 2010г., Москва, МЭИ:

- Юбилейной научно-технической конференции «Двигатель-2010», посвященная 180-летию МГТУ им. Н;Э. Баумана; 2010г., Москва; МГТУ.

Публикации: основные положения диссертации, опубликованы, в 13 работах [3, 4, 16, 17," 18, 141, 142, 144, 145, 147, 148, 163, 164].

Объем .работы: диссертационная работа содержит 167 страниц основного текста, 65 рисунков, 24 таблицы, состоит из введения, 4-х глав, заключения, приложения и списка литературы, включающего 164 наименования.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И ПРАКТИЧЕСКИЕ РЕКОМЕНДАЦИИ ПО ДИССЕ РТАЦИ01Ш0Й РАБОТЕ

После каждой- главы на основании полученных результатов - были; сделаны конкретные выводы. В связи с этим ниже приведены только основные из них, а также практические .рекомендации, соблюдение которых необходимо для. обеспечениям требуемых эффективных и экологических показателей дизеля, конвертированного: в газожидкостныюдвигатель:

1. Наиболее совершенными» и перспективными для численного моделирования процессов теплообмена в цилиндре ДВС являются трехмерные математические: модели; описывающие нестационарное движение • рабочего тела с учетом: химической кинетики. Подобные модели подразумевают использование моделей турбулентности; для определения параметров течения, оказывающих значительное.влияние Hai величины локальных температур и толщины пограничного слоя в камере сгорания двигателя. С целью повышения» точности расчета течения жидкости или газа вблизи твердой поверхности большинство моделей турбулентности используется; в совокупности с пристеночными функциями, позволяющими связать, решение в первой расчетной ячейке (контрольном объеме, граничащим со стенкой)¡с параметрами течения^устенки.

2: На основе фундаментальных трехмерных уравнений нестационарного переноса количества; движения* (Навье-Сгокса), энергии, концентрации и массы была сформулирована математическая модель рабочего процесса и теплообмена в поршневом двигателе с учетом химической кинетики. Основная система уравнений записывалась, в форме Рейнольдса и замыкается с помощью моделей турбулентности, наиболее подходящих для решения специфических: задач в области расчета локального теплообмена в камере сгорания поршневого двигателя к-е, AYL HTM и модели Manceau&Hanjalie).

Численные эксперименты проводились с применением программного комплекса FIRE, ориентированного на решение задач поршневых двигателей.

3. На основе экспериментальных индикаторных диаграмм были уточнены значения эмпирических коэффициентов в модели сгорания Magnussen - Hjertager, применение которой для моделирования внутрицилиндровых процессов в дизеле, работающем на традиционном дизельном топливе, привело к вполне удовлетворительным результатам.

4. По результатам моделирования процессов в газожидкостном двигателе'была выявлена неадекватность модели сгорания Magnussen -Hjertager в случае одновременного горения нескольких видов топлива (запальной дозы дизельного топлива и смеси природного газа с воздухом, подающейся в цилиндр двигателя в качестве основного топлива). В качестве альтернативы модели Magnussen — Hjertager предлагается использовать модель когерентного пламени в сочетании с моделью зажигания TBC в цилиндре газожидкостного двигателя за счет впрыска дизельного топлива (ECFM + DIGE).

5. Расчет с использованием различных моделей турбулентности показал существенное влияние используемой модели турбулентности на результирующие скоростные и температурные поля. При этом расчеты с использованием рассматриваемых моделей турбулентности не приводят к существенным различиям в величинах осредненных параметров (погрешность по р: в сравнении с 0-мерным расчетом составила 0,48% при п=2060 мин"1 и 1,04% при «=1300 мин"1). Необходимо отметить, что при расчетах с использованием k-C-f модели в областях на кромке камеры сгорания происходит более интенсивная турбулизация потока газа.

6. Помимо моделей турбулентности была проанализирована возможность внедрения в математическую модель различных видов пристеночных функций-и моделей теплообмена в пристеночной области. Показана целесообразность использования для дальнейших расчетов процессов теплообмена в камере сгорания»1 как стандартных, так и гибридных пристеночных функций, а также модели теплооб-мена.Нап-11екг.

7. Установлено, что расчетное значение толщины, пограничного слоя существенно зависит от выбора пристеночных функций, что приводит к изменению значений тепловых потоков в стенку камеры сгорания. При этом при расчетах с использованием гибридных пристеночных функций перераспределения1 тепловых потоков в пристеночной области не происходит, но их мгновенные локальные значения в областях, в,которых фронт пламени приближается-к стенкам камеры в поршне, увеличиваются с 10 МВт/м2 до 17 МВт/м2.

8. Применение различных моделей^ теплообмена в пристеночной области выявило количественный характер изменения расчетных величин теплового потока, при этом при переходе на модель - теплообмена» Нап-Ыеиг максимальные значения теплового потока повышаются на величину порядка 30%.

9. Сравнение результатов моделирования распределений коэффициента теплоотдачи на тепловоспринимающих поверхностях поршней с экспериментальными данными показало, что все используемые математические модели теплообмена в пристеночной области и турбулентных течений в камере сгорания приводят к несколько завышенным значениям температур на поверхностях огневых днищ поршней дизеля и газожидкостного двигателя. Среди рассматриваемых моделей наиболее близкие к экспериментальных данным результаты дают модель гибридной турбулентности и модель Мапceau&Hanjalic (от 1% до 10,5% для дизеля и 8-13% для газожидкостного двигателя в зависимости от сектора камеры сгорания, в то время как к-е и k-Q-f модели для дизеля дают погрешность 10,4-15% и от 13,2% до 22,3% - для газожидкостного двигателя). Вместе с тем расчет с использованием модели рейнольдсовых напряжений треI бует больших затрат машинного времени (расчет на компьютере с процессором Intel Pentium Е8800 3,0 ГГц и 8Гб оперативной памяти с применением моделей рейнольдсовых напряжений идет в 1,5 раза дольше), поэтому для дальнейших исследований в качестве основной целесообразен выбор модели гибридной турбулентности в сочетании со стандартными пристеночными функциями и моделью теплообмена.

10. Сравнение величин тепловых нагрузок на огневые днища поршней дизеля и его газожидкостной модификации (режим номинальной мощности), полученных с использованием ранее верифицированной математической модели, позволяет сделать вывод, что работе двигателя на смеси газового и дизельного топлива соответствуют

Л гу меньшие значения а (ссгтах = 609 Вт/м К, ад тах = 714 Вт/м~К) при более высоких результирующих температурах (Trj)e3 = 1251 К для газожидкостного двигателя и Тдрез = 1026 К для базового дизеля). Общей тенденцией является повышение значений коэффициента теплоотдачи на кромке камеры в поршне, однако в случае газожидкостного двигателя это повышение не столь выражено и объясняется иным, чем в дизеле, протеканием процесса сгорания топливо-воздушной смеси.

11. Расчет теплонапряженных состояний поршней исследуемых двигателей на режиме номинальной мощности показал снижение максимальных значений термических напряжений поршня газожидкостного двигателя (489 МПа) по сравнению с базовым дизелем (538

МПа), что указывает на его преимущество с точки,зрения надежности и долговечности.

12. Анализ влияния интенсивности< вихревого движения заряда на* параметры'работы двигателя,показал, что при увеличении-вихревого числа от 0 до Г происходит рост р: на 4,8%, от 1* до 2 - всего на 1,76% (режим номинальной мощности). На режиме п = 1300 мин"1 наблюдается обратная картина, и-рост р: составляет от Dn = 0 до 1 -1,71%, от 1 до 2 - 6,7%. Таким образом, с точки-зрения эффективных показателей-двигателя предпочтительной выглядит использование системы, максимально-закручивающей поток. С другой стороны, повышение-Dn приводит к росту выбросов оксидов азота (на 29% и. 17% для двух режимов). В качестве оптимального варианта в этой связи выглядит впускная система, обеспечивающая умеренную закрутку заряда, в цилиндре (Dn = 1 и 1,5).

13. Удовлетворительными^ эффективными показателями газожидкостный двигатель обладает при углах опережения- впрыска запальной дозы дизельного топлива, равных (ровт = -14°, -10° ПКВ на режиме номинальной мощности и (ровт ~ -Ю°, -8° ПКВ на режиме максимального крутящего-момента. Ранний впрыск (<ровт = -23°, -20° ПКВ наганных режимах)'приводит к росту тепловых нагрузок и выбросов вредных веществ вследствие быстрого выгорания топлива (угол максимального давления смещен к ВМТ). В то же время поздний впрыск. (-8° и -5° ПКВ) на режиме номинальной мощности дает снижение величины выбросов .NOx на 69% за счет снижения максимальной температуры цикла, однако потери мощности вследствие позднего сгорания TBC составляют более 6%.

14. По критериям протекания процесса сгорания TBC в цилиндре, уровня выбросов NOx и шумности работы двигателя являются оптимальными следующие значения коэффициента избытка воздуха: ав = 2 для режима номинальной мощности и ав = 2,5 для режима максимального крутящего момента. Так, р: для ав — \ м 1,5 составляют 20,9 МПа и 16,ЗМПа, 19 МПа и 16,2 МПа для режимов номинальной мощности и максимального крутящего момента соответственно, однако углы, при которых они достигаются, близки к ВМТ, что приводит к снижению полезной работы цикла. В то же время выбросы оксидов азота на режиме номинальной мощности при ав = 2,5 составляют всего 6,7% от соответствующих значений при ав — 1, а значения скоростей тепловыделения, определяющих уровень шума, для богатой смеси в зависимости от режима достигают значений 2090 и 2920 Дж/град. Стоит отметить, что столь большие значения скоростей тепловыделения недопустимы также и с точки зрения тепловых нагрузок на детали цилиндро-поршневой группы.

15. С точки зрения экономических и экологических показателей при выборе оптимального значения запальной дозы дизельного топлива целесообразно минимизировать величину тц, при этом необходимо обеспечить требуемый уровень интенсивности впрыскивания, при котором осуществляется лучшее распыливание и увеличение числа капель распыливаемого топлива. Однако чрезмерное уменьшение тц может привести к неустойчивому воспламенению и снижению максимального давления цикла (так на режиме номинальной мощности р: = 10,64 МПа при 5%, при переходе на 20% максимальное давление составляет уже 14,22 МПа, аналогичная картина наблюдается и для режима максимального крутящего момента). Таким образом, для рассматриваемых диапазонов давления впрыскивания оптимальные запальные дозы составили: тц = 10% на режиме номинальной мощности и 15% на режиме максимального крутящего момента.

В результате проведенной работы осуществлено расчетно-экспериментальное исследование локального теплообмена в камере сгорания газожидкостного двигателя» при использовании различных моделей турбулентности, горения и теплообмена в пограничном слое; дана оценка тепловых нагрузок на детали камеры сгорания. Проведенные расчеты подтверждают практическую выгоду от конвертирования серийного дизеля ЯМЭ-236 в газожидкостный двигатель, как с точки зрения надежности и долговечности, так и в целях улучшения экологических-характеристик.

В качестве практических рекомендаций при конвертировании серийного дизеля ЯМЭ-236 в газожидкостный двигатель, когда в качестве основного топлива используется природный газ, предлагаются обеспечение следующих регулируемых параметров на режимах номинальной мощности {п = 2060 мин"1) и максимального крутящего момента (п= 1300 мин"1) соответственно:

1. Угол опережения в впрыскивания запальной дозы дизельного топлива (ровт =-14° ПКВ и сровт =-10° ПКВ;

2. Величина коэффициента избытка воздуха ав = 2 и 2,5;

3. Запальная доза дизельного топлива и давление впрыскивания пгц = 10% (рвпр ~ 50 МПа) и 15% (репр ~ 40 МПа).

4. Величина закрутки потока Дг = 1 или 1,5 для обоих случаев.

Ряд полученных в диссертации результатов используется при конвертировании, доводке и проектировании поршневых двигателей в ВНИИГАЗ, ЦИАМ им. П.И. Баранова, а также в учебном процессе МГТУ им. Н.Э. Баумана (лекционные курсы «Специальные главы теории поршневых двигателей», «Теплообмен в поршневых двигателях», «Силовые установки-с двигателями наземного транспорта»).

1. The Influence of*Rotational Charge Motion-Intensity on Nitric Oxide Formation in Gas-Engine Cylinder / R.Z. Kavtaradze et al. // Int. J. Heat and Mass Transfer. 2009. - Vol. 52. - P. 4308-4316.

2. Влияние формы камеры на нестационарные процессы переноса и турбулентного сгорания в дизеле, конвертированном в газовый двигатель / А.И! Леонтьев и др. // Известия РАН. Энергетика. 2009. - №2. - С. 49-63.

3. Леонтьев А.И. Теория тепломассообмена. М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 1997. - 683 с.

4. Беляев Н.М., Рядно A.A. Методы теории теплопроводности: в 2-х частях. -М.: Высшая школа, 1982. Т.1. - 326 е.; Т.2.-304 с.

5. Кавтарадзе Р.З. Локальный теплообмен в поршневых двигателях. — 2-е изд., испр. и доп. М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2007. — 472 с.

6. Алифанов О.М. Обратные задачи теплообмена. М:: Машиностроение, 1988.-279 с.

7. Федоров В.А. Разработка и экспериментальная проверка метода расчета локальных периодических тепловых нагрузок в поршневых двигателях: Дис. .канд. техн. наук. — М., 2004. 161 с.

8. Лобанов И.Е. Локальный радиационно-конвективный теплообмен в турбулентном пограничном слое в камерах сгорания быстроходных дизелей: Дис. .канд. техн. наук.,-М., 1998. 173 с.

9. П.Онищенко Д.О. Исследование теплового состояния деталей, дизеля в трехмерной постановке с применением экспериментальных граничных условий: Дис. .канд. техн. наук. М., 2002. - 137 с.

10. Блаховский Х.П. Новый метод» разработки двигателя — концепция виртуального двигателя,// Фундаментальные и прикладные проблемы совершенствования поршневых двигателей: Материалы V международной конференции во Владимире. — Владимир, 1998. С. 156-158.

11. Скрипник, A.A. Влияние интенсивности» вихревого движения заряда на локальные параметры рабочего тела в двигателях с непосредственным впрыскиванием топлива: Дис. . .канд. техн. наук. — М., 2004. — 175 с.

12. Wieser К., Ennemoser A. 3D-CFD Diesel Combustion» and Accurate Heat Transfer Modeling for Diesel Engines // THffiSEL Conference. Valencia (Spain) - Graz (Austria), 2002. - P. 1-11.

13. Шибанов A.B. Влияние конструктивных и- регулировочных факторов на образование вредных веществ в быстроходном дизеле, конвертированном на природный газ: Дис. . .канд. техн. наук. М., 2007. - 136 с.

14. Eichelberg G; Some * New Investigation on Old Combustion Engine Problems //Engineering; 1939) - No;I0r-P; 463-4711

15. Pfalum W., Molenhauer K. Warmeubergang in der Verbennungs-kraftmaschinen. Wien: Springer-Verlag, 1977. — 347 s.23: Annand W J;D: Heat Transfer imthe Cylinders of Reciprocating Internals. Combustion Engines//PIME;- 1963.-Vol.177.-P. 973-990.

16. Woschni G; A Universally Applicable Equation for the Instantaneous Heat Transfer Coefficient in the Internal Combustion Engine // SAE Trans. 1967. -No.670931.-P: 174-180;

17. Розенблит F.B. Теплопередача.в:дизелях. — M;: Машиностроение, 1977. — 216 с.

18. Петриченко P.M. Физические основы внутрицилиндровых процессов в двигателях внутреннего сгорания. — Л.: Изд-во ЛГУ, 1983; — 244 с.

19. Петриченко P.M., Петриченко М.Р. Конвективный теплообмен в поршневых машинах. — Л.: Машиностроение, 1979. — 232 с.

20. Акатнов Н.И. Распространение плоской ламинарной струи несжимаемой жидкости вдоль твердой стенки // Труды ЛПИ. — 1953. №5: - С. 25-31.

21. Руднев Б.И. Процессы локального теплообмена в камере сгорания-дизелей. — Владивосток: Дальнаука, 2000. — 221 с.

22. Руднев БЖ Теплообмен в камерах сгорания судовых дизелей. — Владивосток: Дальнаука, 2001. 35 с.

23. Тепломассообмен и трение в турбулентном пограничном слое / С.С.Кутателадзе и др. Новосибирск: Изд-во АН СССР, 1964. — 206 с.

24. Кутателадзе С.С., Леонтьев А.И. Теплообмен и трение в турбулентном пограничном слое. — М.: Наука, 1985. — 319 с.

25. Стефановский Б.С. Теплонапряженность деталей быстроходных поршневых двигателей. -М.: Машиностроение, 1978. 128 с.

26. Стефановский Б.С. Локальные граничные условия теплового нагружения и охлаждения теплонапряженных деталей быстроходных поршневых двигателей: Автореферат дис: . .докт. техн. наук. — М., 1985. 32 с.

27. Han Z., Reitz R.D. А Temperature Wall Function Formulation for Variable-Density Turbulent Flows with Application to Engine Convective Heat Transfer Modeling // Int. J. Heat and Mass Transfer. 1997. - Vol.40, No.3. - P. 613625.

28. Boulouchos K., Hannoschoek N. Der Warmetransport zwischen Arbeitsmedium und Brennraumwand // MTZ. 1986. - Bd.47, No.9. - S. 405-409.

29. Kawtaradze R. Mathematisches Modell des komplexen Wärmeaustausches — Konvektion und Strahlung — im Brennraum des Dieselmotors // Technische Mechanik. 1989. - B.10, Heft 3. - S. 175-177.

30. Kawtaradze R., Strelkov W. Berechnung des ortlichen konvektiven Wärmeaustausches im Muldenbremiraum des Kolbens bei Fahrzeugdieselmotoren // Technische Mechanik. 1989. - B.10, Heft 4. - S. 270-272.

31. Волчков Э.П., Кутателадзе C.C., Леонтьев А.И. Взаимодействие затопленной турбулентной струи с твердой стенкой // Прикладная механика и техническая физика. 1965. — №2. — С. 50-53.

32. Сабуров Э.Н., Леухин Ю.Л. Аэродинамика и теплообмен закрученного потока в цилиндрической камере // ИФЖ. 1985. - №3. — С. 369-375.

33. Кортиков Н.Н. Расчет сопротивления и теплоотдачи полу ограниченных струй с помощью интегрального соотношения Кармана // АН СССР.' Теплофизика высоких температур. — 1980. Т.18, №4. - С. 788-793.

34. Сидоров Э.А. О взаимодействии конвекции и излучения в поглощающей среде // Изв. АН СССР. ОТН: Механика и машиностроение. 1958. — №5. -С. 134-136.

35. Патанкар С. Современные численные методы расчета теплообмена / Современное машиностроение. 1989. — № 6. - С. 1-12.

36. Кавтарадзе Р.ЗГ. Теория поршневых двигателей. Специальные главы. — М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2008. 719 с.

37. Патанкар С. Численные методы решения задач теплообмена и динамики, жидкости: Пер. с англ. — М.: Энергоатомиздат, 1984. 152 с.

38. FIRE. Users Manual Version 2009 / AVL List GmbH. Graz (Austria), 2009. - (License Agreement for Use of the Simulation Software AVL FIRE between Moscow State Technical Univ. n.a. N.E. Bauman and AVL List GmbH, 2010).

39. Волчков Э.П., Лебедев В.П. Тепломассообмен в пристенных течениях. — Новосибирск: изд-во НГТУ, 2003. 244 с.

40. Prihoda J. Turbulence Models for Industrial Applications of CFD // Industrial and Environmental Application of CFD'Methods: ERCOFTAC Winter School. -Prague, 2004.-P. 1-29.

41. Johansson A. Engineering Turbulence Models and Their Development, With Emphasis on Explicit Algebraic Reynolds Stress Models // KTN. Stockholm, 2002.-P. 1-47.

42. Численное моделирование вихревой интенсификации* теплообмена* в пакетах труб / Ю.А. Быстров и др. СПб.: Судостроение, 2005. — 392 с.

43. Blazek J. Computational Fluid Dynamics: Principles and Applications. — Oxford: Elsevier Science Ltd., 2001. 440 p.

44. Chung T.J. Computational Fluid Dynamics. Cambridge: Cambridge University Press, 2002.- 1012 p.

45. Large-Eddy Simulation of the Shock/Turbulence Interaction / F. Ducros et al. // J. Computational'Physics. 1999. -No.152. - P. 517-549.

46. Cook A.W., Riley J.J:, Kosaly G. A Laminar Flamelet Approach'to Subgrid-Scale Chemistry in Turbulent Flows // Combustion and Flame. 1997. -No.l09.'-P. 332-341.

47. Tannehill J.C., Anderson D.A., Pletcher R.H. Computational Fluid Mechanics and Heat Transfer, Second edition. — Washington: Taylor & Francis Ltd., 1997. 792 p.

48. Чесноков C.A. Химический турбулентный.тепломассообмен в двигателях внутреннего сгорания. — Тула: Изд-во ТулГУ, 2005. — 466 с.

49. Wilcox D.C. Turbulence Modeling for CFD. Palm Drive: DCW Industries, Inc., 1998.-460 p.

50. Лапин Ю.В. Статистическая теория турбулентности (прошлое и настоящее — краткий очерк идей) // Проблемы турбулентности и вычислительная гидродинамика (к 70-летию кафедры Гидроаэродинамики): Научно-технические ведомости. СПб., 2004. - №2. — С. 1-35.

51. Evaluation of Various Turbulence Models in Predicting Airflow and Turbulence in Enclosed Environments by CFD: Part-1: Summary of Prevent Turbulence Models/ Z. Zhai et al.//HVAC&RResearch.-2007.-No.l3(6).-P.l-21.

52. Методы расчета турбулентных течений: Пер. с англ. / Ламли Дж. и др.'— М.: Мир, 1984.-464 с.

53. Computational Fluid Dynamics for Engineers / Т. Cebeci et al. // Long Beach (Calif.) Heidelberg: Horizons Pub. - Springer, 2005. - 396 p.

54. Baldwin B.S., Lomax H. Thin Layer Approximation of Algebraic Model for Separated Turbulent Flows // AIAA Paper. 1978. - No.257. - 23 p.

55. Stock H.W., Haase W. Determination of Length Scales in Algebraic Turbulence Models for Navier-Stokes ^Methods //AI A A J .-1989- No. 1(27).- P.5-14.

56. Spalart P.R., Allmaras S.R. A One-Equation Turbulence Model for Aerodynamics Flows // AIAA Paper. 1992. - No.0439. - 29 p.

57. Rotta J. Statistische Theorie Nichthomogener Turbulenz // Z. Phys. 1951. -Vol.131, No. l.-S. 51-77.

58. Глушко Г.С. Некоторые особенности турбулентных; течений несжимаемой жидкости с поперечным; сдвигом // Известия АН СССР. Механика жидкости и газа. 1971. - № 4. - С. 128-136.

59. Харламов С.Н. Математические модели течения и теплообмена во внутренних задачах динамики вязкого газа. — Томск: Изд-во Том. ун-та, 1993 ; 178 с.

60. Дашкин М.Г. Гидродинамика и "теплообмен вязких сред в трубопроводах переменного поперечного, сечения// Проблемы геологии и освоения;недр: Тезисы докладов по материалам; научной конференции. Томск, 2007. -С. 500-501.

61. Ferziger J.H., Peric M. Computational Methods for Fluid Dynamics. Berlin: : Springer-Verlag, 2002. — 431 p.

62. Durbin P.A. Near-Wall Turbulence Closure Modeling Without; "Damping Functions'- // Theoretical and Computational Fluid; Dynamics. — 1991. — No.3(l). — P. 1-13.

63. Davidson L., Nielsen P.V, Sveningsson A. Modification of the v2f Model for Computing the Flow in a 3D Wall Jet // Turbulence, Meat and Mass Transfer. — 2003.-No.4.-P. 577-584.

64. Laurence D.R., Uribe J:C., Utyuzhnikov S.V. A Robust Formulation of the v2f Model // Flow, Turbulence and Combustion. 2004. -No.73. - P. 169-185.

65. The k-e-Rt Turbulence Closure / U. Goldberg et al. // Engineering Applications of Computational Fluid Mechanics. -2009-Vol. 3, No.2. -P. 175-183.

66. Hanjalic К., Popovac M., Hadziabdic M. A Robust Near-Wall Elliptic-Relaxation Eddy-Viscosity Turbulence Model' for CFD // Int. J. Heat Fluid Flow. 2004. - No.25. - P. 897-901.

67. Lienhard J.H. IV, Lienhard J.H. V. A Heat Transfer Textbook. Third Edition. -Cambridge (Massachusetts): Phlogiston Press, 2006. 749 p.

68. Управление обтеканием тел с вихревыми ячейками* в приложении к летательным аппаратам интегральной компоновки (численное и физическое моделирование) / Под ред. A.B. Ермишина, С.А.Исаева. СПб., 2001. -360 с.

69. Шлихтинг F. Теория пограничного слоя. М.: Наука, 1974. - 711с.

70. Ландау Л.Д., Лифшиц Е.М. Теоретическая Физика. Гидродинамика: — М.: Наука, 1986. Т.6. - 736 с.

71. Karman Th: Mechanische Ähnlichkeit und Turbulenz: Nachrichten der Gesellschaft der Wissenschaften zu Gottingen // Math. Phys. 1930. - P. 3-127.

72. Белов И.А., Исаев C.A., Коробков B.A. Задачи и методы расчета отрывных течений несжимаемой жидкости. — Л.: Судостроение,* 1989: — 256 с.

73. Cebeci T. Turbulence Models and Their Application. Long Beach (Calif.) -Heidelberg: Horizons Pub. - Springer, 2003. - 365 p.

74. Bradshaw P., Cebeci T., Whitelaw J.H. Engineering calculation methods for turbulent flow. N.Y.: Academic Press, 1981. - 311 p.

75. Numerical methods in heat transfer / Ed. R.W. Lewis, K. Morgan, O.C. Zien-kiewicz. -N.Y.: John Wiley and Sons Ltd., 1981. 536 p.

76. Jones W.P., Launder B.E. The Prediction-of Low-Reynolds-Number Phenomena with a Two-Equation Model'of Turbulence // Int. J. Heat and Mass Transfer. 1973.-No.16.-P. 1119-1130.

77. Lam C.K.G., Bremhorst К.A. Modified Form of k-e Model for Predicting Wall Turbulence // ASME J. of Fluid Engineering. 1981.-No. 103.-P. 456-460.

78. Hanjalic K., Launder B.E. Contribution Toward a Reynold-Stress Closure for Low-Reynolds-Number Turbulence // J. Fluid Mech. 1976. - Vol.74, Pt. 4. -P. 593-610.

79. Development of Turbulence Models for Shear Flows by a Double Expansion Technique / V. Yakhot et al. // Phys. Fluids A: 1992. - Vol.4. - No.7. - P. 1510-1520.

80. Yakhot V., Orszag S.A. Renormalization Group Analysis of Turbulence: 1. Basic Theory // J. Scientific Computing. 1986. - Vol.1. - No. 1. - P. 1-49.

81. Versteeg H.K., Malalasekera W. An Introduction to Computational Fluid Dynamics. The Finite Volume Method. — Harlow (England): Longman Group Ltd., 1995.-257 p. ~~

82. Chen Q. Comparison of Different k-s Models for Indoor Air Flow Computations 11 Numerical Heat Transfer. Part B. 1995. - No.28. - P. 353-369.

83. Nagano Y., Tagawa M. Улучшенная (к, s) — модель течения в пограничном слое // Современное машиностроение. 1990. — №7. — С. 9-16.

84. Nagano Y., Hishida М. Improved Form of the k-e Model for Wall Turbulent Shear Flows // ASME J. Fluid Engineering. 1987. - Vol. 109. - P. 156-160.

85. Nagano Y., Hishida M. Усовершенствованная (к, s) — модель для пристеночных турбулентных течений // Теоретические основы инженерных расчетов. 1988. - №1. - С. 252-259.

86. Колмогоров А.Н. Локальная структура турбулентности в несжимаемой жидкости при очень больших числах Рейнольдса // Докл. АН СССР. 1942. - Т.30. - №4. - С. 299-303.

87. Wilcox D.C. Reassessment of the Scale Determining Equation for Advanced Turbulence Models // AIAA Journal.- 1988.- Vol.26. No.l 1. - P. 1299-1310.

88. Saffman P.G. A Model for Inhomogeneous Turbulent Flow. London: Proc. Roy. Soc., 1970.-P. 417-433.

89. Wilcox D.C., Rubesin M.W. Progress in Turbulence Modeling for Complex Flow Fields Including Effects of Compressibility //NASATP.-1980.- No. 1517.24 p.

90. Coakley T.J. Turbulence Modeling Methods for the Compressible Navier-Stokes Equations // AIAA Paper. 1983. - No.l693 - 18 p.

91. Robinson D.R., Harris J.E., Hassan H.A. A Unified Turbulence Closure Model for Axisymmetric and Planar Free Shear Flows // AIAA Journal. — 1995. -Vol.33, No. 12. -P. 2325-2331.

92. Silke G. Symmetry Methods for Turbulence Modeling: Diss. Darmstadt, 2005.-172 p.

93. Николаенко B.A., Карпухин B.A. Измерение температуры с помощью облученных материалов. — М.: Энергоатомиздат, 1986. — 120 с.

94. Максимов Е.А., Кавтарадзе Р.З., Бенидзе Д.Ш. Методика экспериментального определения мгновенных значений температур поверхности камеры сгорания ДВС на рабочих режимах // Двигателестроение. — 1989. — №10.-С. 47-49.

95. Страдомский М.В., Максимов Е.А. Оптимизация температурного состояния дизельных двигателей. Киев: Наукова думка, 1987. - 168 с.

96. Lyford-Pike E.I., Hey wood J.B. Thermal' Boundary Layer Thickness in the Cylinder of a Spark-Ignition Engine // Int. J. Heat and Mass Transfer. 1984. — Vol.27.-P. 1873-1879.

97. Boulouchos K., Eberle M. Aufgabenstellungen der Motorthermodynamik heute Beispiele und'Losungsansatze // MTZ. - 1991. - No. 11. - S. 574-583.

98. Lucht R.P., Maris M.A. CARS Measurements of Temperature Profiles Near a Wall in an Internal Combustion Engine // SAE Paper.-1987.-No.870459-8 p.

99. Thermometry in Internal Combustion Engines via Dual-Broadband Rotational Coherent Anti-Stokes Raman Spectroscopy / C. Brackmann et al. //Meas. Sci. Technol. 2004.-No.15.-P. 13-25.

100. Kuehner J. P., Dutton L.C., Lucht R.P. High Resolution N2 CARS Measurements of Pressure, Temperature, and Density Using a Modeless Dye Laser //AIAA.-2002.-No.2915.-P. 1-27.

101. Eckbreth A. C. Laser Diagnostics for Combustion Temperature and Species 2nd ed. - London: Gordon and Breach, 1996. - 16 p.

102. Strieker W., Meier W. The Use of CARS for Temperature Measurements in Practical Flames // Trends in Applied Spectroscopy. — 1993. Vol.1. — P. 231259.

103. Патанкар С. Численное решение задач теплопроводности и конвективного теплообмена при течении в каналах: Пер. с англ. М.: Изд-во МЭИ, 2003.-311 с.

104. Byun D., Baek S.W. Numerical Investigation of Combustion With Non-Gray Thermal Radiation and Soot Formation Effect in a Liquid Rocket Engine // Int. J. Heat and Mass Transfer. 2007. - №50 - P. 412-422.

105. Фрик П.Г. Турбулентность: подходы и модели. М., 2003. - 292 с.

106. Соггеа С. Combustion Simulations in Diesel Engines Using Reduced Reaction Mechanisms: Diss. Heidelberg, 2000. — 105 p.

107. Favre A. Equations des Gaz Turbulents Compressibles: 1. Formes Generates // J. Mecanique. 1965. - Vol.4. - P. 361-390.

108. Srinivas K., Fletcher C.A.J. Computational Techniques for Fluid Dynamics. A Solutions Manual. New York: Springer-Verlag, 2006. - 256 p.

109. Hoffmann K.A., Chiang S.T. Computational Fluid Dynamics. Fourth Edition. Wichita (USA): Engineering Education System, 2000. - Vol.1. — 486 p.; Vol.2. - 469 p.; Vol. 3. - 175 p.

110. Petrila Т., Trif D. Basics of Fluid Mechanics and Introduction to Computational Fluid Dynamics. Boston: Springer, 2005. - 500 p.

111. Li B.Q. Discontinuous Finite Elements in Fluid Dynamics and Heat Transfer. Berlin: Springer, 2006. - 578 p.

112. Wesseling P. Principles of Computational Fluid Dynamics. Berlin: Springer, 2001. - 644 p.

113. Chou P.Y. On Velocity Correlations and the Solutions of the Equations of Turbulent Fluctuations // Quart, of Appl. Math. 1945. - No.3. - P. 38-54.

114. Jones W.P., Launder B.E. The Prediction of Laminarization with a Two-Equation Model of Turbulence // Int. J. Heat and Mass Transfer. — 1972. — No.15.-P. 301-314.

115. Launder B.E., Spalding D. The Numerical Computation of Turbulent Flows // Comput. Methods Appl. Mech. Eng. 1974. - No.3. - P. 269-289.

116. Launder B.E., Sharma B.I. Application of the Energy Dissipation Model of Turbulence to the Calculation of Flow near a Spinning-Disc // Letters in Heat and Mass Transfer. 1974. -No.l. - P.l 31-138.

117. Иевлев B.M. Турбулентное движение высокотемпературных сплошных сред. М.: Наука, 1975. - 278 с.

118. Renner Ch., Peinke J. Yakhot's Model of Strong Turbulence: A Generalization of Scaling Models of Turbulence//FachbereichPhysik.-2008.-No2.-P.l-8.

119. Basara В., Jakirlic S. A New Turbulence Modeling Strategy for Industrial CFD // Int. J. Numerical Methods in Fluids. 2003. - Vol.42. - P. 89-116.

120. Basara В., Jakirlic S., Przulj< V. Vortex-Shedding Flows Computed'Using a New, Hybrid Turbulence Model // Flow Modeling and Turbulence Measurements: The 8th Int. Symp. Tokyo, 2001. - P. 1-35.

121. Advanced Turbulent Heat Transfer Modeling for IC-Engine Applications Using AVL FIRE / R. Tatsehl et al. // International Multidimensional Engine Modeling User's Group Meeting. Detroit, 2006. - P. 1-10.

122. Forschritte in der 3D-CFD Berechnung des gas- und wasserseitigen Wärmeübergangs in Motoren / R. Tatsehl et al. //10 Tagung der Arbeitsprozess des, Verbrennungsmotors. Graz (Austria), 2005. — S. 1-18.

123. Tatsehl R. 3D-CFD Simulation of Flow, Mixture Formation and Combustion1with AVL FIRE // Developments in CFD: Reliable Use of CAD-based Software Including Dedicated Codes: NAFEMS Seminar. Wiesbaden (Germany), 2007.-P. 1-10.

124. Manceau R., Hanjalic K. Elliptic Blending Model: A New Near-Wall Reynolds-Stress Turbulence Closure // Phys. Fluids. 2002. - No. 14. - P.744-754.

125. Popovac M., Hanjalic K. Compound Wall Treatment for RANS Computation of Complex Turbulent Flow // Proc. 3 M.I.T. Conference. Boston (USA), 2005.-P. 1-28.

126. Круглов М.Г., Иващенко H.A., Кавтарадзе Р.З. Методика исследования, локального теплообмена в дизелях // Motor-Sympo'86: Сборник докладов V Международной конференции. Высокие Татры (ЧССР), 1986. - С. 529-539.

127. Magnussen B.F., Hjertager В.Н. On Mathematical Models of Turbulent Combustion with Special Emphasis on Soot Formation and Combustion // 16th International Symposium on Combustion. Cambrige, 1976. - P. 719-729.

128. Verbrennungsmotoren. Simulation- der Verbrennunbg und Schadstoffbildung. 3 Auflage / G. Merker et al. - Stuttgart: Teubner-Verlag. - 2004. -410 s.

129. Чернышев Г.Д., Хачиян A.C., Пикус В.И. Рабочий процесс и теплона-пряженность автомобильных дизелей. М.': Машиностроение, 1986. -216 с.

130. Eichelberg G. Temperaturverlauf und Warmespannungen in Verbrennungs-motoren// FDI-Forschungsheft. 1923. -No.263. - S.61-66.

131. Моделирование локального нестационарного теплообмена в камере сгорания авиационного поршневого двигателя / Р.З. Кавтарадзе и др. //Вестник МГТУ им.Н.Э-Баумана. Машиностроение.-2010.-№1- С.20-36.

132. Моделирование локального нестационарного теплообмена, в камере сгорания и теплонапряженного состояния поршня авиационного двигателя / Р.З. Кавтарадзе и др. // Известия РАН. Энергетика. — 2010. №2. — С. 133-151.

133. Работа дизелей на нетрадиционных топливах / В.А. Марков и др. — М.: Легион-Автодата, 2008.-464 с.

134. Галышев Ю.В., Магидович Е.М. Перспективы применения газовых топ-лив в ДВС //Двигателестроение. 2001. — №3. - С. 31-35.

135. Галышев Ю.В. Конвертирование рабочего процесса транспортных ДВС на природный газ и водород: Дис. .докт. техн. наук. СПб., 2010. - 365 с.

136. Льотко В., Луканин В.Н., Хачиян А.С. Применение альтернативных топ-лив в двигателях внутреннего сгорания. М.: Изд-во МАДИ (ТУ), 2000. -311 с.

137. Генкин К.И. Газовые двигатели. М.: Машиностроение. - 1977. — 196 с.

138. Synthesis Gas Combustion. Fundamentals and Applications / Ed. T. Lieuwen, V. Yang, R. Yetter. -N.Y.: CRC Press, 2009. 352 p.

139. Кавтарадзе P.3., Цайлингер К., Цитцлер Г. Задержка воспламенения в дизеле при использовании различных топлив // РАН. Теплофизика высоких температур. 2005. - Т.43, №6. - С. 947-965.

140. Proceedings of the VI International Scientific Conference GAS ENGINES / Ed. A. Duzynski. — Czestochowa, 2003. 751 p.

141. Boehman A.L., Le Corre O. Combustion on Syngas in Internal Combustion Engines // Combustion Science and Technology. — 2008. No.6(180). - P. 1193-1206.

142. Двигатели внутреннего сгорания: Теория рабочих процессов поршневых и комбинированных двигателей / А.С. Орлин и др.. — М.: Машиностроение, 1971. 400 с.

143. Исследование топливной экономичности и токсичности отработавших газов газодизеля / К.Е. Долганов и др. // Двигателестроение. 1991. -№8-9. -С. 6-9.

144. Двигатели внутреннего сгорания: Устройство и работа поршневых и комбинированных двигателей / В.П. Алексеев и др.. — М.: Машиностроение, 1990.-288 с.

145. Dual Fuel Engine Control Systems for Transportation Applications / L.E. Gettel et al. // Transactions of the ASME. Journal of Engineering for Gas Turbines and Power. 1987. - Vol. 109, №4. - P. 435-438.

146. Рыспанов Н.Б. Расчетно-экспериментальное исследование влияния запальной дозы топлива на рабочий процесс газожидкостного двигателя // Двигателестроение. 1991. - №6. - С. 7-8.

147. Solutions of Some Problems of Improvement of Ecological Characteristics of the Diesel Engine Converted in the Gas Engine / T. Natriashvili et al. //Problems of Mechanics. -2010. -No.l(38). P. 13-28.