автореферат диссертации по энергетическому, металлургическому и химическому машиностроению, 05.04.02, диссертация на тему:Комплексный анализ процесса смесеобразования в дизельных ДВС



На правах рукописи

ЧИРКОВ Сергей Николаевич

КОМПЛЕКСНЫЙ АНАЛИЗ ПРОЦЕССА СМЕСЕОБРАЗОВАНИЯ В ДИЗЕЛЬНЫХ две

Специальность: 05.04.02 - тепловые двигатели

А в тореферат

диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

Барнаул 1997

Работа выполнена в Новосибирской государственной академии водного транспорта.

Научный консультант: академик PAT, заслуженный деятель науки и техники, доктор технических .наук, профессор Лебедев О.Н.

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор доктор технических наук, профессор доктор технических наук, профессор Ведущая организация - ОАО "ЗВЕЗДА" (г.Санкт-Петербург). Защита состоится " г. в час на заседании диссерта-

ционого совета Д.064.29.01 при Алтайском государственном техническом университете в конференцзале по адресу: 656099, г.Барнаул, пр. Ленина, 46. С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке АлтГТУ.

Отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенные печатью Вашего учреждения, просим направлять по указанному адресу на имя ученого секретаря диссертационного совета.

Автореферат разослан " & 997 г

Ученый секретарь диссертационного совета Д 064.29.01

д.т.н.,профессор В.А. Синицын

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Показатели рабочего процесса и эффективность процесса сгорания в значительной степени определяются качеством смешения топливо-воздушной смеси в объеме камеры сгорания (КС). В связи с этим вопрос совершенствования смесеобразования относится к числу основных научно-технических проблем этой области техники.

В дизельных двигателях смесеобразование состоит из ряда последовательно протекающих процессов: распиливания топлива форсункой и пространственного распределения топливной фазы в определенной области объема КС, определяемого текущим положением поршня в данный момент времени; одновременно с этим, теплового и динамического взаимодействия капель топлива с воздушным зарядом, образования парогазовой взвеси при испарении топлива и подготовки паров топлива к воспламенению.

Существенный вклад в развитие физических представлений о данном процессе и составляющих его физических явлениях внесли многие отечественные ученые: Д. Н. Вырубов, И. В. Астахов, А. С. Льппевский, В. А. Кутовой, О. Н. Лебедев, Ю. Б. Свиридов, В. Н. Семенов, Р. М. Петриченко, В. К. Баев, и др.

При изучении смесеобразования следует учитывать нестационарность и взаимную корреляцию вышеуказанных физических явлений. Последнее дает основание считать процесс смесеобразования одним из наиболее сложных из числа реализуемых в технических устройствах широкого использования. Сейчас уже можно говорить о том, что исследование этой проблемы, гак важнейшего звена рабочего процесса ДВС, подходит к тому моменту, когда на основе полученной информации возможно построение замкнутой модели смесеобразования.

Основной целью настоящей работы является обобщение физических представлений и экспериментальных результатов и разработка адекватного комплексного представления о структуре физических явлений, составляющих процесс смесеобразования.

Объект исследования. Разработанные модельные положения и полученные результаты, в силу структурного подобия протекающих физических процессов, позволяют проводить анализ смесеобразования в камерах сгорания дизельных двигателей различной размерности и оборотности.

Методы исследования. В работе использованы современные методы математического и численного моделирования и графической обработки информации; методы подобия, методы асимптотического и структурного анализа; результаты, полученные посредством высокоточных оптических и бесконтактных экспериментальных технологий.

Научная новизна:

- предложены структурная интерпретация физических процессов, определяющих распад топлива в канале сопла;

- определен механизм формирования, необходимые и достаточные условия перехода процесса распада топлива в процесс распыливания;

- установлено, что основной физической особенностью предельного перехода является формирование стратифицированной области высокого давления непосредственно в сопловом канале;

- получены критериальные характеристики возникновения распада топлива в подигольном пространстве распылителя и критериальные соотношения, характеризующие процесс развития турбулентности в канале сопла;

- сформулированы основные положения физической концепции о природе возникновения явления распыливания;

-5- сформулированы основные физические представления о закономерностях

развития турбулентности в области канала сопла распылителя, развития турбулентности в объеме топливной струи;

- получены основные соотношения, определяющие закономерности волнового массопереноса в области внутриканального распада топливной струи;

- проведен структурный анализ физических процессов структурной релаксации (распада) топлива на выходе из сопла; получены основные соотношения, описывающие массоперенос в объеме топливной струи;

- построена модель динамических процессов для различных областей топливной струи; определены зависимости для расчета параметров турбулентности, построена модель теплообмена с нагретой воздушной средой;

- установлены причины возникновения и определен характер волновых процессов, возникающих в объеме топливной струи; проведен анализ генерации волновых процессов; установлен механизм формирования топливной струи;

- разработана модель и метод расчета вихревого движения воздушного заряда в КС дизельного двигателя;

- сформулированы основные положения и определены практические аспекты комплексной модели смесеобразования;

- разработана экспертная система технической ориентации и прогноза эффективности предлагаемых и используемых методов интенсификации смесеобразования; проведен анализ вопросов, связанных с проблемой реконструирования расчетных решений для различных аспектов процесса смесеобразования.

Практическая ценность Комплексная модель смесеобразования разработана в рамках единой структурной концепции и представляет возможность проследить структуру и взаимные связи физических процессов, составляющих смесеобразование с учетом всех основных экспериментально наблюдаемых физических эффектов. По-

строение комплексной модели проводилось в соответствии с принципами анализа сложного физического явления.

В результате проведенного исследования сформировано новое научное направление в изучении процессов смесеобразования, а именно - комплексный подход к анализу физических явлений, составляющих смесеобразование.

Использование данного подхода позволило обозначить структуру физических эффектов в самом явлении и сформировать объемное представление о сущности процесса в целом. Использование экспертной системы технической ориентации в сочетании с положениями метода реконструирования расчетных решений различных аспектов смесеобразования позволяет осуществлять анализ существующих и целенаправленный поиск новых приемов усовершенствования рабочего процесса дизельных

две.

Апробация работы. Основные результаты работы докладывались на научно-технических конференциях профессорско -преподавательского состава НИИВТ в 1981-84 гг., ЛКИ (1984 г.), МИВТа (1984 г.), ЛИВТа (1985 г.), рабочих совещаниях ЦНИДИ (1984-85 гг.), научных семинарах ИТФ СО АН СССР, ИАЭ СО АН СССР, ВЦ СО АН СССР, Всесоюзных конференциях ( ЛСХИ, 1985г., МВТУ им. Баумана, 1985 г., МАДИ, 1986 г.), техническом совещании НПО "АЗЛК", Международном совещании по проблемам токсичности ДВС (ЦНИДИ, 1985 г.), научно-техническом совещании кафедры корабельных дизельных и дизель-электрических энергетических установок Военно-морской Академии им.Кузнецова (1995 г.), технических совещаниях ОАО "ЗВЕЗДА" (1995,1996 гг.).

Реализация результатов работы. Материалы диссертации приняты к внедрению в ОАО "ЗВЕЗДА" при проектировании дизель-редукторного агрегата, предназначенного для использования в перспективных проектах скоростных судов с улучшенными экологическими характеристиками.

Публнкацин. Основное содержание диссертации отражено в 23 печатных работах, список которых приведен в конце автореферата.

Объем работы. Диссертация состоит из введения, десяти глав, заключения и приложения. Работа содержит 282 машинописных страницы основного текста, 6 таблиц, 31 рисунок, приложение на 47 страницах; список литературы включает 173 наименования.

Автор выражает глубокую признательность доктору технических наук, профессору О. Н. Лебедеву за помощь и поддержку при проведении данного исследования.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении дана краткая характеристика работы, обоснована ее актуальность, сформулированы цели работы, показано ее научное и практическое значение. Разработка адекватного комплексного представления о структуре процесса смесеобразования предполагало постановку и анализ следующих задач:

- анализ содержания процессов, приводящих к возникновению явления распиливания топлива;

- анализ физического содержания процессов, вызывающих структурную релаксацию (распад) топливной струи;

- разработка физических представлений о процессах массопереноса и теплообмена топливной струи с нагретой воздушной средой;

- выявление физического механизма и закономерностей формирования внутренней структуры топливной струи;

- анализ сценария и механизма формирования турбулентности и определение мест ее характерной локализации в объеме топливной струи;

- определение физического содержания процессов массопереноса в головном фронте топливной струи; оценка взаимной корреляции данных процессов;

-8- изучение некоторых физически важных аспектов аэродинамических процессов

в КС дизеля;

- разработка комплексного физического представления о сценарии развития смесеобразования в условиях КС;

- определение технически значимых мероприятий для совершенствования рабочего процесса дизельных двигателей.

Проведен анализ физических моделей, используемых в настоящее время для интерпретации основного физического объекта смесеобразования - струи распыленного топлива:

- модель свободной турбулентной струи;

-модель кумулятивной струи;

- модель тела с переменной массой;

- модель полифазной турбулентной струи.

Использование разнообразных физических моделей при описании одного и того же физического объекта является характерным признаком того, что данный объект может быть отнесен к категории сложного феноменологического явления.

. Изучение вышеуказанных аспектов предполагало выбор первичной концептуальной модели, заведомо объемлющей все аспекты изучаемого процесса. Показано, что в качестве такой модели может быть принята модель нестационарной турбулентной полифазной среды с взаимодействием фаз в постановке Франкля - Дюнина - Лебедева (ФДЛ).

В первой главе проведен анализ основных направлений совершенствования рабочего процесса двигателей, рассмотрены методологические аспекты исследования.

Показано, что практически все основные мероприятия, используемые для улучшения экономических показателей рабочего процесса и снижения токсичности,

напрямую связаны с совершенствованием того или иного аспекта процесса смесеобразования.

Определены основные практически значимые аспекты экспериментально-методического обеспечения, используемого для изучения смесеобразования; приведена их классификация. Проведено обобщение исходных физических представлений о процессе смесеобразования.

Показано, что в результате технической эволюции ДВС и элементов топливной аппаратуры физические условия и временные интервалы процесса распиливания топлива обладают ярко выраженными особенностями, присущими только этому классу устройств. Последнее дает возможность характеризовать смесеобразование, как комплекс специфических нестационарных физических явлений, не имеющих аналога среди задач классической гидродинамики.

Проведен анализ структурированности процесса смесеобразования, окончанием которого принят момент начала воспламенения парогазовой смеси. Показано, что в целом поставленная задача может быть отнесена к задачам механики полифазной нестационарной двухфазной среды с дисперсной инфраструктурой и температурным взаимодействием фаз.

Рассмотрены некоторые аспекты, связанные с постановкой структурных подзадач, а также проблемой идентификации их взаимного влияния. Определена общая структура, а также метод и последовательность построения комплексной модели смесеобразования в дизельных ДВС.

Во второй главе проведен анализ физических процессов, приводящих к возникновению взрывообразного режима распада топлива (распиливания) в сопловом канале. Проведено обоснование и сформулирована первичная концепция физики этих процессов. Обзор расчетно-экспериментальных работ позволил вьщелить комплекс базовых результатов, содержащихся в исследованиях В. А. Кутового, А. С. Льппев-

ского, О. Н. Лебедева, В. К. Баева, Ю. Б. Свиридова. Они и были приняты в качестве исходного информационного базиса для проведения феноменологической интерпретации процессов распиливания.

Проведение анализа осуществлялось в соответствии с принципом исключения, согласно которому то или иное утверждение принималось, если объясняло все имеющиеся эффекты, и элиминировалось, если не объясняло хотя бы один экспериментально наблюдаемый эффект. В качестве исходных гипотез были приняты следующие.

Гипотеза А. Распыливание при впрыске топлива происходит в результате взаимодействия топлива с воздушной средой.

Гипотеза Б. Основной причиной распада являются интенсивные турбулентные возмущения, формирующиеся при перемещении топлива в канале сопла.

Гипотеза В. Распыливание является результатом кавитационного разрушения потока, возникающего при достижении объемной скорости топлива определенного критического значения.

Первый этап анализа включал в себя проведение физической интерпретации на основе визуальной картины распада топлива в сопловом канале. На основе экспериментальных данных, полученных посредством просвечивания соплового канала мягким рентгеновским излучением, было сформировано общее представление о структуре распада топлива при впрыске. Были выделены следующие этапы:

- период, предшествующий впрыску топлива;

- начальная фаза впрыска топлива;

- фаза распыливания;

- период окончания впрыска топлива.

Указанные этапы характеризуются собственным типом сопутствующих физических процессов. Проведенный анализ позволил установить следующее.

1. Распад топливной струи в переходные (начальный и конечный) периоды определяется в основном взаимодействием топлива с воздушной средой на выходе из сопла. При переходе процесса в фазу распиливания механизм внешнего взаимодействия топлива с воздушной средой уже не является определяющим фактором. Интенсивный распад топлива осуществляется непосредственно в канале сопла.

2. Локальные перепады давления в процессе течения топлива локализованы в двух основных областях - области пространственного перехода в подигольное пространство распылителя и области входа в сопловой канал.

3. При течении топлива в указанных областях имеет место комплекс физических факторов, определяющих необходимые и достаточные условия возникновения кавитационных каверн.

4. При течении топлива в сопловом канале имеет место развитие турбулентных пульсаций, являющихся суперпозицией мелкомасштабной изотропной турбулентности, формирующейся в пристеночной области канала сопла за счет взаимодействия потока с микронеровностями боковой поверхности и крупно- и мелкомасштабных пульсаций, формирующихся в области входа в сопловой канал.

5. Вместе с тем, установлено, что экспериментальные попытки принудительной интенсификации турбулентности в диапазоне давлений впрыска, характерных для режимов работы топливной аппаратуры ДВС, не оказывают заметного влияния на улучшение качества распиливания. Это свидетельствует о том, что указанная суперпозиция турбулентности, оказывая существенное воздействие на структуру топлива в канале сопла, не является, однако, единственным физическим фактором, вызывающим распиливание топлива.

Проведенное теоретическое обобщение физических эффектов позволило сформулировать первичную гипотезу о причинном механизме возникновения распиливания топлива в следующем виде:

-12- интенсивный распад топлива в сопловом канале (распиливание) возникает в . результате одновременного комплексного развития при объемном перемещении топлива двух физических процессов, а именно: генерации крупно- и мелкомасштабных турбулентных пульсаций; кавитационных процессов в местах локализации перепадов давления.

Формулировка "одновременное комплексное развитие" означает наличие взаимосвязи и корреляцию данных процессов, а также вероятных побочных явлений, например, волновых процессов, возникающих вследствие перехода однородного потока в двухфазное состояние (топливо + пары топлива).

Таким образом, оценка обоснованности гипотез А,Б,В приводит в плоскость поиска ответов на вопрюсы, определенные содержанием первичной гипотезы:

1. Какова пространственная и физическая корреляция взаимодействия причинных (кавитационного и турбулентного) факторов распада?

2. Какова структура механизма распиливания топлива, формирующаяся под воздействием этих факторов?

3. Какие побочные явления сопутствуют этим процессам?

В третьей главе определены физические условия предельного перехода топлива в режим распыливания и проведена физическая интерпретация данного механизма. Установлено, что наличие в исходном составе топлива разнородных примесей, способных вызывать зарождение каверн, ослабляет величину прочности жидкости на разрыв и в рассматриваемых условиях приводит к зарождению и росту кавитационных образований.

Проведен анализ физических процессов возникновения кавитации в потоке топлива в привязке к пространственной структуре подигольного пространства распылителя. Результаты физической экстраполяции, полученные с учетом размеров области

и условий истечения топлива, позволили выявить наиболее вероятный механизм зарождения и роста каверн.

Установлено, что интенсивность развития кавитации при течении топлива определяется:

- геометрическими параметрами (в частности, углом отрыва потока), локализацией и интенсивностью перепадов давления;

- температурой исходного топлива и спектром размеров ядер кавитации, определяющим амплитуду спектра критических параметров давления.

Показано, что влияние вязкости проявляется в виде демпфирования и связано с . диссипацией механической энергии при росте и схлопывании пузырьков. Механизм влияния вязкости на образование кавитации в топливе может быть сведен к схеме: вязкость топлива - скорость деформации (роста и схлопывания) - диссипация энергии.

Проведен анализ взаимосвязи развития кавитационных процессов и генерации турбулентности и осуществлена оценка их вклада в процесс распада сплошности топлива в сопловом канале. Получено критериальное соотношение, описывающее возникновение разрывов сплошности потока при течении топлива в подигольном пространстве распылителя.

Проведен анализ вопроса о пространственной корреляции кавитационных процессов и турбулентности при движении топлива в сопловом канале. При этом область входа в сопловой канал рассматривалась, как геометрическая неоднородность, в которой поток топлива с развитой турбулентностью переходит в узкую ограниченную область. Это позволяло идентифицировать движение топлива в данной области как сдвиговое течение при больших числах Рейнольдса.

Теоретический анализ проводился на основе теории турбулентного переноса статистических характеристик поля скорости в приближении тонкого сдвигового слоя

(ТСС). Полученная модель позволила провести оценку интенсивности и локализации турбулентных напряжений, формирующихся в сопловом канале.

Установлено, что структура развития диссипативных возмущений позволяет характеризовать динамические процессы в сопловом канале распылителя, как модуляцию турбулентных пульсаций при течении интенсивно кавитирующей жидкости. При этом существенным моментом является фактор пространственного подобия областей развития навигационных процессов и генерации турбулентных пульсаций.

Последнее определяется тем, что в данных условиях эти процессы формируются под воздействием одного физического механизма - распределения локальных перепадов давления в сопловом канале. Рассмотрены физические особенности возникновения разрыва сплошности топлива в сопловом канале при воздействии турбулентности.

Показано, что интенсивность и распределение очагов разрыва сплошности потока, помимо установленной зависимости от величины и локализации перепадов давлений, обладает функциональной зависимостью от величины предельной прочности топлива на разрыв и исходного спектра ядер кавитации.

Проведен анализ физической взаимосвязи между механизмом формирования разрыва сплошности потока при воздействии микротурбулентности и механизмом разрыва сплошности при кавитации (формировании каверны). Показано, что в условиях, характерных для рассматриваемого случая, при достижении микротурбулентностью некоторого предела интенсивности, осуществляется разрыв сплошности потока, причем последний формируется по физическому механизму кавитационного разрыва. Получено соответствующее критериальное соотношение.

Проведен анализ экспериментальных результатов, свидетельствующих о наличии на ранней стадии процесса распада топлива в сопловом канале явления перемещающейся кавитации. Теоретическое обобщение вышеприведенных физических эф-

фектов позволило дать ответ на вопросы, поставленные в первичной гипотезе и существенно уточнить содержание анализируемого явления.

Положения о возникновении процесса распиливания топлива и причинно -временной корреляции вызывающих его факторов сформулированы в виде базовой концепции процесса распиливания (БКР)(рис.1). Показано, что переход распада интенсивно кавитирующего потока топлива в режим распиливания может быть физически интерпретирован, как проявление предельного режима механизма перемещающейся кавитации, возникающего вследствие достижения скорости топлива в сопловом канале некоторого критического значения. Необходимыми условиями перехода кави-тационного распада потока в режим распыпивания являются:

- наличие интенсивно деформированной сплошности потока топлива (за счет естественной и наведенной кавитации) при его движении в сопловом канале;

- наличие в сопловом канале зоны перепада давления определенной интенсивности;

- увеличение объемной скорости топлива до некоторого критического значения, интенсифицирующее рост естественных каверн (перемещающаяся кавитация) и увеличивающее энергию турбулентных пульсаций, порождающих наведенную (вихревую) кавитацию. В этом случае эффект первичного схлопывания каверн и образования га каждой исходной каверны нескольких более мелких, раннее происходивший при относительно небольших скоростях движения в течение конечного времени, в связи с тем, что объемная скорость топлива через зону перепада давления возрастает, а время схлопывания уменьшается, трансформируется в процесс взрывооб-разного распада (распыливания), переводящего топливо из режима интенсивно кавитирующего течения в двухфазную систему (мелкодисперсное топливо + пары топлива). уже в сопловом канале.

-16В четвертой главе рассмотрены вопросы, связанные с определением свойств

критического перехода и проведена физическая интерпретация процессов, определяющих формирование топливной струи. Показано, что при формировании динамического объекта "топливная струя" следует различать следующие основные области развития процесса (рис.2):

- область внутриканального распада и перехода топлива в двухфазное состояние (ОВР);

- область структурного перемещения двухфазной среды (ОСП);

- область свободного развития (ОСР).

Рис. I

Рис.2

Данное разделение представляется целесообразным, прежде всего, как отражение качественного различия происходящих в них физических процессов. Дальнейший анализ проводился последовательно, в соответствии с данной классификацией. При рассмотрении физических процессов, определяющих формирование топливной струи в области ОВР, на первом этапе были проанализированы структура и свойства перехода топлива в двухфазное состояние.

Показано, что переход механизма перемещающейся кавитации в режим распиливания сопровождается возникновением в сопловом канале стратифицированной области высокого давления. При этом скорость перемещения топлива в сопловом канале увеличивается до значения, сопоставимого со скоростью звука в двухфазной среде (топливо + пары топлива), а интенсификация кавитационных процессов приводит к возникновению в сопловом канале плотной сотовой структуры кавитационных образований.

Физическое содержание предельного перехода (рис.3,4) сводится к следующему:

а) при достижении некоторой ¡-той упаковки каверн плоскости критического перехода, в которой местное давление выше давления насыщенных паров, процесс схлопывания начинается во всем сечении I -той упаковки каверн одновременно; на

расстоянии r/R = {1.5 - 2} от местоположения ¡-той упаковки каверн формирующаяся волна давления, образующаяся от схпопывания упаковки каверн, имеет максимальную амплитуду;

б) при смещении i -той упаковки схлопывающихся каверн на некоторую величину длины канала ее место замещает следующая, (i + 1) упаковка каверн; процесс схлопывания начинается одновременно в сечении всей (i + 1) упаковки каверн; при этом, вновь на расстоянии r/R = {1.5 -2 } от местоположения (i +1) упаковки каверн, формируется максимальная амплитуда давления, являющаяся суперпозицией волн давления от схлопывания каждой из каверн.

Циклическое повторение этих процессов приводит к тому, что в сечении, отстоящем от плоскости перехода на указанном расстоянии, в течение всего времени процесса

/

/

I I

А

i—ый слой каверн

Т

7

Изобары течения

Б

f

Ударная волна схлапывания

i + 1 — ый слой каверн Рис.3

А Б В Г

/,

А

Рис.4

поддерживается область высокого давления за счет непрерывного схлопывания постоянно замещающих друт друга упаковок каверн.

Использование модельных положений Херинга-Флинна позволило провести оценку длины области критического перехода; в предположении несжимаемости топлива получены соотношения для скорости движения границы раздела предельного перехода, соотношение для величины максимального давления в области критического перехода, соотношение для характерного времени схлопывания единичной сотовой структуры.

Установлено, что при схлопывании каверн число вторичных образований, попадающих в плоскость распада, распределено по закону Пуассона; распределение осколков дробления по размерам в этом случае можно аппроксимировать логарифмически нормальным законом распределения.

Проведена оценка адекватности сформулированных физических представлений. На основе разработанных модельных положений представлен ряд физических прогнозов:

-20- сценария развития турбулентности в ОВР и в объеме топливной струи,

- влияния плотности воздушной среды на динамику процессов в ОСП;

- влияния величины внутренней энергии кавнтационных процессов на интенсивность структурной релаксации.

Установлено качественное соответствие прогнозируемых и экспериментально наблюдаемых эффектов. Рассмотрен прогноз БКР о возникновении волновых процессов в ОВР и ОСП. В соответствии с положениями БКР, физическая интерпретация процесса впрыска топлива может быть представлена, как комплексное явление волновой диссипации двухфазной среды (топливо + пары топлива) при ее истечении в свободное пространство (КС). Начальные условия, определяющие динамические и структурные характеристики объекта, задаются в начальном сечении ОВР.

Показано, что при переходе распада сплошности топлива в фазу распиливания наиболее существенно меняющимися характеристиками являются плотность, динамическая и турбулентная вязкость среды. Двухфазная система обладает свойством сжимаемости (скорость звука в такой среде мала); перемещение двухфазной среды сопровождается нелинейными эффектами, приводящими к ее сильной диссипации.

Для анализа волновых процессов в ОСП и ОВР использовались положения волновой динамики газо- и парожидкостных сред, разработанных академиком Нако-ряковым В.Е.. Основная система уравнений состояла из уравнений движения смеси и осцилляции каверн. Проведенный на основе данной модели анализ показал, что для условий процесса в области ОСП может быть использована характеристическая взаимосвязь между полями давления и концентрации топливной фазы в виде 8Р~ С^бр. Таким образом, физические представления БКР позволяют прогнозировать развитие в объеме топливной струи нелинейных волновых процессов.

Анализ результатов, приведенных в работах Ю. Б. Свиридова, В. И. Трусова, В. К. Баева, А. А. Бузукова показывает соответствие прогнозной оценки эксперимен-

тально наблюдаемым эффектам. В целом все сделанные на основе положений БКР прогнозные оценки экспериментально подтверждаются; последнее дает возможность считать положения физической интерпретации БКР адекватными.

В пятой главе проведен физический анализ процессов структурной релаксации (распада) топливной струи. Анализ физических особенностей свойств двухфазной среды показывает, что при построении математических моделей, описывающих динамику топливной струи представляется целесообразным совмещение представлений полифазных сред в постановке Франкля-Дюнина-Лебедева и волновой теории двухфазных систем Накорякова В. Е.

На основе модели ФДЛ получено уравнение взаимосвязи перепада давления в сопловом канале и параметров движения в ОВР. Данное соотношение позволило оценить

Л

'ZZZZZZ

А

ОКР СРЗ

О а) б) г

Рис.5

характер зависимости поля скоростей на выходе из канала сопла от величины и распределения давления, формирующегося при движении двухфазной среды в области ОВР.

Из исходной нестационарной модели получено модельное уравнение для описания волнового массопереноса в ОВР; сформулированы соответствующие начальные и граничные условия.

Проведен анализ развития волновых процессов в ОВР. Установлено, что полученное на основе волновой модели решение соответствует режиму распространения волновых возмущений солитонного типа (рис.5). Формируясь в ОВР, их развитие осуществляется и далее и оказывает непосредственное воздействие на процесс структурной релаксации (распада) топливной струи в области ОСП.

Показано, что к числу основных факторов, вызывающих структурную релаксацию, следует также относить:

-231. с внешней поверхности зоны структурного распада (СРЗ) топливной струи:

возмущения поверхности раздела (свободной границы); вследствие двухфазной структуры объема, поверхностный слон СРЗ имеет малую толщину и его возмущения физически могут быть отождествлены, как пленочные возмущения;

2. в объеме СРЗ: расширение вторичных паровых каверн вследствие релаксации градиента давления и перепада температур в сопловом канале и КС.-Для оценки характеристик данных процессов получены соответствующие критериальные соотношения.

В шестой главе рассмотрены особенности физических процессов массопереноса и теплообмена в области структурного перемещения топливной струи. В соответствии с интерпретированной картиной распада топливной струи, введено понятие концентрации примеси от мгновенного точечного источника, помещенного в зону структурной релаксации. На основе модельных представлений Мошша-Яглома и физических представлений о процессе структурной релаксации получены соотношения, описывающие процесс массопереноса в области ОСП, в частности, уравнение распределения капель топлива в объеме топливной струи, образующихся при структурной релаксации.

В соответствии с теоретическими положениями ФДЛ проведено построение модели динамических процессов в ОСП. Модель получена в предположении о том, что эволюция структурного перехода осуществляется за счет комплексного воздействия возмущений на поверхности раздела (свободной границе) и расширения вторичных паровых каверн.

Получена система уравнений, описывающая волновые возмущения в области ОСП. Показано, что массоперенос в радиальном направлении в основном формируется за счет механизма турбулентной диффузии.

Проведен анализ турбулентности в ОСП с использованием модельных представлений Абрамовича-Прандтля. Получены зависимости для расчета параметров турбулентности.

На основе уравнения баланса энергии полифазной среды построена модель теплообмена ОСП топливной струн с нагретой воздушной средой. Показано, что при расчете процесса испарения топлива целесообразно использование модели, разработанной Лебедевым О. Н., учитывающей влияние давления газовой среды и турбулентности воздушного потока.

Проведен анализ структуры волновых возмущений в объеме ОВР и ОСП топливной струи. Установлено, что в силу перехода волновых возмущений от распространения в среде с умеренной нелинейностью (область ОВР) в среду с высокой нелинейностью (область ОСП), начальные возмущения в форме волнового пакета с осциллирующей амплитудой трансформируются в волновую последовательность солито-нов. Приведенные положения по данному вопросу приняты в качестве дополнения к положениям БКР.

В седьмой главе проведен структурный анализ физических процессов в области свободного развития (ОСР) топливной струи. В качестве объекта физической интерпретации использовалась следующее экспериментально установленное представление о процессе формирования топливной струи:

1. головная часть топливной струи формируется в результате взаимодействия порций топлива с воздушной средой;

2. продвижение переднего фронта осуществляется последовательно в виде объемного взаимодействия натекающей (динамичной) порции топлива на фронтальную (статичную в данный момент времени) порцию топлива; при впрыскивании топлива в нагретую среду процесс сопровождается интенсивным испарением (рис.б).

Анализ уравнений движения и неразрывности ФДЛ, проведенный применительно к условиям топливной струи, позволил получить модельные соотношения мас-сопереноса для областей ОСР и ОВР.

Получено решение доя радиального поля скоростей в области ОСР и ОСП. Рассмотрена динамика волновых процессов в ОСР топливной струи. Показано, что, распространяясь в объеме ОСР, солитонная волна доходит до переднего фронта струи. Именно это обстоятельство приводит к тому, что передний фронт факела формируется в виде сфероидальной поверхности (рис.7).

Проведен анализ физического механизма отражения внутренней волны от пе- . реднего фронта (паротопливная среда - воздух); в качестве критерия выбрано соотношение для относительного потока отраженной и прошедшей энергии. Проведенный расчет показал, что основная часть энергии волнового движения отражается от переднего фронта внутрь области ОСР.

О

(в)

Рис.7

Установлено, что физический сценарий продвижения головной части топливной струи сводится к следующему:

- солитонная волна достигает переднего фронта (рис.7,а);

- в зависимости от ее интенсивности, осуществляется продвижение (сдвиг) переднего фронта топливной струи в направлении движения волны (рис.7,б) на тот или иной шаг;

- при отражении волны от переднего фронта формируется грибообразная структура в головной части топливной струи (рис.7,в).

Показано, что последнее происходит вследствие разности хода при отражении волны от различных точек переднего фронта О СР. Так, в области, прилегающей к центру симметрии топливной струи, осуществляется прямое внутреннее отражение волны от переднего фронта, при этом амплитуда падающей волны частично гасится за счет суперпозиции с отраженной волной.

Установлено, что волновые процессы в периферийной части топливной струи развиваются по более сложному сценарию. Основная часть акустической энергии со-литонной волны, в результате многократных внутренних переотражений, в фронтальной части ОСР преобразуется в сложное движение, в конечном итоге вырождающееся в крупномасштабную турбулентность. Проведен физический анализ данного процесса; получено критериальное уравнение для расчета интенсивности 'переотраженных волн.

В соответствии с принципом Ферма, суперпозиция переотраженных волн может быть охарактеризована как бифуркационное множество (каустика), что приводит к формированию своеобразной формы переднего фронта топливной струи. В целом результаты свидетельствуют о том, что топливная струя может быть охарактеризована, как динамический объект с анизотропными свойствами, структура которого в осевом и радиальном направлениях формируется по различным физическим сценариям, а именно:

в радиальном направлении - по механизму турбулентной диффузии;

в осевом направлении - по механизму турбулентной диффузии и волнового массопереноса солитонного типа. Радиальное диффузионное расширение постепенно преобразуется в развитую турбулентную диффузию; в области переднего фронта в осевом направлении происходит девиация осевого движения, вызывающая последовательное замещение переднего фронта, формирующееся в соответствии с механизмом взаимодействия солитонных волн. К указанному следует добавить структурированность свойств объекта в зависимости от времени и перепада давлений впрыска.

В восьмой главе рассмотрены вопросы, связанные с моделированием движения воздушного заряда в КС дизеля. Проведен анализ структурированности аэродинамических процессов в ДВС; физическая постановка задачи; сформулированы основные требования и условия моделирования. В качестве исходной модели принята система

уравнений Рейнольдса. Для того, чтобы учесть влияние на динамику воздушного заряда перемещения поршня по известному закону, а также искривленной поверхности его днища, описываемой в цилиндрической системе координат аналитической функцией (а(г)), был осуществлен переход в новую систему координат, в соответствии с соотношениями:

г-а(г)-^( 0, .

у т/Я.

Формально это преобразование можно рассматривать, как конформное отображение области развития процесса (рис. 8) в нормированный участок П {0< х <1; 0< У <1}. После замыкания и ряда преобразований исходная система уравнений была приведена к модельному виду (ввиду громоздкости общей системы ниже приведено только уравнение для тангенциального компонента скорости):

ди ЭС/__ Э „ ЭГ/ _ д ЭГЛ _ д _ ди.

+В|——=Б1—- (Е| —>+С1 — (Ез — № — (Е2—)+ 9/ дх дх дх дх дх ох ду

р д к д гс М+Ъ* ди Астт гп

ду дх ду ду у дх у ду у

ВА--]; С,=1/(Ь-Ф(у)-5'10)); Р2=Ш;

Зг -51(0

<?(у)=аШ; Е,=ЕР,; Ез=ЕС,; -]

Л ду Ь-ф(^)-5Д/)

Решение поставленной задачи осуществлялось конечно-разностным, методом. При расчетах динамики воздушного заряда использовались зависимости, полученные посредством сравнительной обработки экспериментальных и расчетных данных. Информация выдавалась в трех видах пространственной конфигурации:

- текущего расположения сечения пространства, в соответствии с реальной формой и объемом КС, соответствующего данному момеигу такта сжатия (рис. 10,а);

• 29- графического поля скоростей каждого компонента скорости, помещенного в двумерное расчетное пространство (рис. 10,6);

- трехмерного поля скоростей, восстановленного в расчетном и реальном пространстве КС (рис.9).

При проведении моделирования в качестве начальных использовались зависимости, установленные в результате обработки экспериментальных данных. Выявленные в результате моделирования гидродинамические эффекты показывают достаточно сложный характер воздействия формы поверхности КС на картину перестройки движения воздушного заряда в течение такта сжатия (рис.9).

Разработанный метод расчета является составной частью общей комплексной модели смесеобразования в ДВС.

Рис. 9

Рис. 10

В девятой главе представлены основные положения комплексной модели смесеобразования.

Проведен анализ различных подходов к расчету струйных турбулентных течений, основанных на статистических, полуэмлиричесюгх и индуктивных теориях турбулентности. Установлено, что ни один из указанных подходов не соответствует физическим особенностям динамического объекта "топливная струя".

Основные причины этого заключаются в следующем.

1. При расчете струйных течений, как правило, пренебрегают вязкими (касательными) напряжениями по сравнению с турбулентными касательными напряжениями во всем поле течения.

Результаты проведенного исследования показывают, что для ДО это упрощение не соответствует действительности, т.к. имеется ярко выраженная область течения (ОСП), в которой данное условие не выполняется.

2. Методы расчета струй справедливы в приближении несжимаемой жидкости, т.е. к струйным течениям при относительно малом изменении плотности. Проведен-

ный анализ показал, что в различных сечениях топливной струи плотность двухфазной среды колеблется в широких пределах.

3. При моделировании свободного турбулентного течения, как правило, пренебрегают градиентом давления в направлении течения. В силу выявленной особенности динамики топливной струи - анизотропности свойств по направлениям и выраженного характера волновых процессов, за счет которых происходит формирование внутренней структуры топливной струи, вышеуказанное допущение также неприемлемо в данном случае.

Результаты анализа показали, что формирование ДО сопровождается фазовым разделением в сопловом канале и структурной релаксацией на выходе из сопла.

Прямым следствием этого является возникновение волнового массопереноса, оказывающего существенное влияние на формирование внутренней структуры объекта.

На основании основных результатов проведенного исследования сформулированы элементы комплексной модели смесеобразования.

1. В соответствии с положениями физической интерпретации непосредственным началом динамического объекта "топливная струя" следует считать область предельного перехода (рис.11). Критерий, описывающий возникновение разрывов сплошности поток а

при течении топлива в подигольном пространстве распылителя, является первым соотношением, входящим в структурную модель:

(Кг) _ рУр 12 + Р0 -а^рУ* 12 - Рр (а,Г'(Р^/2+ Р0-Рср1- Р^)

2. Физическое содержание структурного перехода сводится к циклическому повторению процесса формирования и схлопывания сотовых упаковок каверн, что вызывает появление в сопловом канале стратифицированной области высокого давления.

Рис. 11

1-область предельного перехода (ОПП);

2-область внутреннего распада (ОВР);

3-зона структурной релаксации (ЗСР);

4-область структурного перемещения (ОСП);

5-область свободного развития (ОСР);

6-динамические характеристики воздущного заряда (ДВЗ).

-33В соответствии с этим, следующими уравнениями, входящими в структурную

модель, были:

соотношение для длины области критического перехода:

величина максимального давления в области критического перехода: Рг^ЮЛбЗЯ^Ркр.; (5)

скорость движения границы раздела:

характерное время схлопывания единичной сотовой структуры:

(-о.тяо^р. (7)

3. Начальными условиями динамических прюцессов в области ОВР являются условия критического перехода, определяемые вышеуказанными соотношениями. Следующее модельное соотношение характеризует зависимость поля скоростей от величины давления, формирующегося при критическом переходе:

дг (1 -5%) г дг дг К, & дг

Описание волновых процессов в ОВР проводится на основе соотношения, выражающего взаимосвязь давления и скорости двухфазной среды:

и={(у+1у2<р0р0Со}6Р. (9)

4. Анализ содержания физических процессов в зоне структурной релаксации показывает, что для амплитуды волновых возмущений, генерируемых при этом, могут быть использованы соотношения:

4(Л,)=1/Л]'со5(К,/3+И1,)^К (10)

о

,;А=Л + / (И)

Установлено, что время структурной релаксации определяет длину квазиравновесного участка топливной струи. Дополним структурную модель следующими соотношениями:

^ = ; (12) Л о

Рз=Р0х0-О; (13)

^'=0,098^/^; г; = (ХЛ77 (14)

5. Уравнение распределения капель топлива, формирующегося в процессе структурной релаксации, является следующим соотношением, которое включает в себя структурная модель:

¡¡Б с! ¿г _

В разделе 6 установлено, что прогнозная оценка механизма формирования турбулентности в объеме динамического объекта "топливная струя " качественно соответствует положениям Абрамовича - Лебедева - Лышевского. Полученные в разделе 6 соотношения являются следующими уравнениями, которые включает в себя комплексная модель смесеобразования:

[ те'=1/(1+Г); (16)

1„М =__^(1+у)Ч

-356. Для расчета процесса теплообмена топливной струи с нагретой воздушной средой получено уравнение теплообмена:

7. В исследовании показано, что при переходе кавнтационног'о распада в режим распиливания в ОВР проявляются инерционные эффекты двухфазной среды, которые приводят к возникновению волновых процессов.

Эволюционное развитие единичного нестационарного возмущения, согласно результатам раздела 5, принимает форму волнового пакета с осциллирующей амплитудой; в дальнейшем процесс распространения возмущений переходит в стационарную фазу; возмущения в форме волнового пакета трансформируются в последовательность солитонов.

Анализ особенностей процесса структурной релаксации позволяют физически интерпретировать переход волновых возмущений из ОВР в область ОСП, как переход из режима с умеренной нелинейностью среды в режим с высокой нелинейностью среды (раздел 6.5). В полученной модели последнему соответствует большое значение параметра нелинейности (т). Периодическое решение уравнения КдВ для этого случая представляет собой последовательность солитонов.

Последнее позволяет дополнить комплексную модель смесеобразования выражениями для количества образующихся солитонов, их ширины и скорости:

+Г (Ст"+-|-(^)]+(и22-и1г)Ф(1.2)2+(и2ги1;)Ф(иу (18)

дг г дг дг

(19)

К=С0{1 + (г + ЩРА /от/1«}.

(20)

(21)

-368. Соотношения, характеризующие процесс структурной релаксации двухфазной среды, а также модельные характеристики физических процессов, развивающихся в ОСП и ОСР, показывают, что развитие топливной струи происходит в радиальном направлении - по механизму турбулентной диффузии; в осевом направлении - по механизму турбулентной диффузии и волнового массопереноса солитонного типа.

Радиальное диффузионное расширение, обусловленное процессами структурной релаксации, постепенно преобразуется в развитую турбулентную диффузию; в области переднего фронта происходит девиация осевого движения, последовательная смена (замещение лидирующего фронта), осуществляющаяся в соответствии с механизмом волнового взаимодействия волу солитонного типа.

Таким образом, процесс формирования переднего фронта происходит как результат суперпозиции диффузионных процессов и волн давления солитонного типа.

Последнее дает возможность рассматривать топливную струю, как динамический объект с анизотропными физическими свойствами, структура которого в осевом и радиальном направлениях формируется по различным физическим сценариям.

В соответствии с этим, поля скоростей в областях ОСП и ОСР можно рассматривать как суперпозицию диффузионного и волнового процессов.

9. В соответствии с результатами раздела 7, с учетом соотношения для коэффициента турбулентной вязкости, полученного в [84], поле скоростей смеси "топливо + пары топлива" в области ОСП можно представить в следующем виде:

^ нЛ (и.)

О Ф^А)

Ф{^1/[/ОШ56гм,,0,„{М^>1}Д]; (22)

л/8^0 о (РА)о

а = г01 = г / ^ - безразмерные переменные.

Поле радиальных скоростей в области ОСР в предположении постоянства величины коэффициента вихревой вязкости может быть представлено в виде:

; (23)

- безразмерный коэффициент вихревой вязкости;

= + ■ (24)

(Р^Л)

Поле осевых скоростей в области ОСР может быть представлено аналогично (22). Полученные решения описывают динамику массопереноса в области ОСП и ОВР при условии отсутствия волновых процессов. Учет волнового вклада производится на основе решений уравнения:

С1Р о ¿2Р ¿ЪР .Г,<1Р *,с1Р

------(25)

Здесь:

\={Р1С,ЬТ)1Р2Ц М-Ц&г ^^ (26)

У + » "о

-3810. Проведенный в главе 7 анализ показывает, что продвижение переднего фронта топливной струи осуществляется последовательно в виде объемного взаимодействия натекающей (динамичной) порции топлива на фронтальную (статичную в данный момент времени) порцию топлива.

Каждая из волн проходит объем статичной порции топлива, образующей в данный момент времени фронтальную область топливной струи и взаимодействует с воздушной средой. В процессе продвижения солитонной волны осуществляется сдвиг фронтальной области топливной струи.

Интенсивность продвижения переднего фронта в этом случае определяется соотношением энергий падающей и отраженной волн, а также величинами соответствующих акустических импедансов. В качестве модельных критериев процесса отражения и прохождения звука через границу акустических сред использовались выражения для относительных потоков отраженной и прошедшей волновой энергии:

(27)

Расчеты показывают, что для случая топливной струи основная часть волновой энергии отражается от межфазной границы (переднего фронта топливной струи).

В качестве критериального выражения для оценки интенсивности переотраженных волн использовалось следующее:

В = 4г 5шт +К35ш(т +2а) „„

" (1 + г)2 1 + У*+2У*ссв(2а)

Уравнения (2) - (28) отражают комплекс физических представлений о динамическом объекте "топливная струя" и совместно с моделью динамики воздушного заряда (1), (2) составляют базовую основу комплексной модели смесеобразования.

Т.о., в соответствии с сформулированным в разделе 1 системологическим алгоритмом исследования, в главах 2-8 проведена физическая интерпретация структурных подсистем, включавшая в себя следующие этапы:

- сбор и оценку полноты и достоверности исходной информации;

- выбор общей концепции; анализ основных элементов проблемы; определение альтернатив и основных ограничений модели;

- корректировка, анализ и синтез результатов;

- формирование критериальных характеристик модели или их математического эквивалента.

Для замыкания структурного описания, как правило, проводится идентификация структурных подзадач, объединенных по главному признаку подсистем и определяются типы их взаимосвязи (взаимного влияния). Последнее используется для того, чтобы выбрать нужную стратегию при формировании физических представлений об объекте, либо предсказать результаты одной или нескольких стратегий, представляющихся наиболее правдоподобными при определении свойств объекта.

В нашем случае данная процедура использовалась для того, чтобы дать адекватную физическую оценку различным практическим мероприятиям интенсификации смесеобразования.

1. Первая выделенная структурная подзадача (СП) объединяла комплекс физических процессов, характеризующих агрегатное состояние топлива и его теплофизи-ческие характеристики.

К их числу относятся:

а) характеристики интенсивности распада сплошности потока топлива и соответствующие критерии;

б) комплекс процессов структурного перехода и соответствующие модели;

-40в) распределение капель топлива, определяемое параметрами зоны структурной релаксации;

г) модель динамического теплообмена для областей ОСП и ОСР.

2. Вторая СП объединяла комплекс физических процессов, характеризующих динамические характеристики процесса смесеобразования. Сюда относились:

а) динамические модели для ОВР;

б) зависимости для параметров СРЗ;

в) модельные решения для поля скоростей и параметров турбулентности;

г) поле скоростей для области ОСР.

3. Третья выделенная СП объединяла комплекс характеристик волновых процессов для различных областей:

а) модели волнового массопереноса в ОВР;

б) характеристики амплитуды и частоты волновых возмущений, возникающих в области структурного перехода;

в) динамические и амплитудные характеристики солитонных волн, формирующихся в СРЗ;

г) волновые решения для областей ОСП, ОСР, характеризующие характеристики волнового процесса, относительный поток отраженной от переднего фронта и прошедшей волновой энергии, интенсивность переотраженных волн.

4. Четвертая СП включала в себя зависимости, характеризующие тепловое состояние и динамические характеристики воздушного заряда.

Стандартная структурная форма комплексной модели смесеобразования представлена на рис.12. На приведенной схеме используются следующие обозначения типов структурных связей:

1. Г=> - сценарий взаимосвязи функционального типа;

2. - сценарий взаимосвязи с частичным разрывом структурных свойств;

I 1 II III ГУ

- Рд(Ц

ОВР ш (8) 3. (9)

ш / ) ; 1 (8) 1 : \_____.) Б. (10,11)

п о. и X м 16. (1.2)

8. V 9Л г ,

(15) (16,17,22) (19-21) 10.

ОСП (18) 1. N 1 (25,26) 12.

ОСР (18) V 13. \ 14. 1 (23,24) (27,28) 15.

Процесс горения

-423. {-** - сценарий взаимосвязи с полным разрывом (трансформацией) структурных свойств.

Используя полученную схему, как исходную базу данных, проведена идентификация и определены типы взаимосвязей структурных подзадач комплексной модели смесеобразования.

В десятой главе на базе комплексной модели смесеобразования построена система технической ориентации и прогноза, цель которой - оценка качества используемых и прогноз эффективности предлагаемых методов интенсификации смесеобразования.

В соответствии с принятым разбиением на структурные подзадачи, методы интенсификации смесеобразования также были разделены на группы, в зависимости от того, какие именно группы процессов подвергаются структурным изменениям.

Проведен анализ методов интенсификации физических процессов первой группы. К ним относились:

1. Улучшение качества распиливания топлива путем повышения его завихренности внутри форсунки.

2. Оптимизация условий и величины давления впрыскивания.

3. Оптимизация отношения Ш.

4. Использование двухструйной форсунки.

На рис.12 приведен графический эквивалент процесса активизации структурных связей для рассмотренных случаев.

Отмечается, что присутствие в рабочей цепочке корреляций с частичным разрывом свойств, а также корреляций с полным разрывом свойств делает данные способы интенсификации смесеобразования малоэффективными.

Структура взаимных корреляций переходных физических процессов для рассмотренных способов интенсификации смесеобразования является серьезным сдержи-

вающим фактором, противодействующим существенному улучшению качества распиливания.

В качестве примеров методов интенсификации второй группы были проанализированы следующие способы:

1. Повышение эффективности улучшения рабочего процесса путем впрыска воды в цилиндр.

2. Использование завихривания воздушного заряда.

3. Использование водотопливной эмульсии (ВТЭ) в целях улучшения качества смесеобразования.

Согласно экспертной модели интенсификации смесеобразования за счет использования ВТЭ, приведенной на рис.13, при использовании ВТЭ имеет место двойная активизация структурных связей, а именно - процессов кавитационного распада в сопловом канале с последующей активизацией структурной релаксации и активизаг ция процессов массообмена.

Показано, что ввиду наличия жидкости, более активной в отношении образования кавитационных процессов (вода), нежели топливо, существенно понижаются предельные характеристики ВТЭ на разрыв, интенсифицируя кавитационные процессы и снижая пороговое значение давления, при котором режим кавитационного распада в сопловом канале переходит собственно в режим распыливания.

Второе положительное воздействие на процесс смесеобразования проявляется за счет физико-химической активизации процессов теплообмена уже непосредственно в КС, когда за счет более низкой температуры кипения возникают явления "микровзрывов", приводящих частично к размыванию внутренней структуры струи, частично к понижению максимальной локальной температуры сгорания.

Проведенная идентификация типов структурных взаимосвязей позволила дать качественную оценку существующим методам интенсификации смесеобразования, направленных на:

- интенсификацию собственно процессов распада (1 группа);

- улучшение качества смесеобразования в объеме КС (2 группа) и осуществлять направленный поиск новых перспективных решений. К их числу, в частности, относятся методы интенсификации третьей группы.

В соответствии с принятой классификацией, к методам третьей группы относятся методы, воздействующие на динамику волновых процессов и сопутствующих явлений (например, порождаемой этими процессами турбулентности) в объеме топливной струи.

Основным направлением интенсификации физических явлений, относящихся к третьей группе, является создание соответствующих условий в КС, способствующих проявлению той или иной формы резонансного воздействия на топливную струю, либо какие-либо этапы процесса сгорания.

Известны попытки воздействия на топливную струю ультразвуом, лазерным излучением, потоком низкотемпературной плазмы, магнитным полем. Авторы данных работ утверждают, что в ряде случаев им удается получать положительный эффект от воздействия этих типов. Три последних способа, по-ввдимому, оказывают большее влияние на процесс сгорания, нежели на изменение физических аспектов смесеобразования, тогда как воздействие ультразвука непосредственно связано с взаимодействием структуры турбулентности топливной струи и генерируемых звуковых волн.

В данном случае происходит рассеяние звуковых волн на системе точечных вихрей, которое теоретически может быть проанализировано на основе теории рассеяния акустических волн в приближении квазистационарного вихревого течения.

Таким образом, имеет место экспериментально подтверждаемый эффект положительного воздействия ультразвуковых колебаний на рабочий процесс, развивающийся по вышеуказанному физическому сценарию. Последнее без ограничения общности дает возможность предполагать, что в данных условиях принципиально возможно развитие другого явления - резонансного усиления солитонных волн за счет взаимодействия с крупномасштабной турбулентностью (т.н. "эффект Зельдовича").

Теоретически в этом случае должно происходить быстропротекающее резонансное увеличение поперечного размера топливной струи (вспучивание), интенсивное размывание и испарение сердцевины объекта.

Проведенный теоретический анализ показал, что эффект резонансного усиления может наблюдаться в реальных условиях КС. Основным условием его возникновения является совпадение характеристик интегрального масштаба турбулентности воздушного потока с полупериодом волны солитонного типа, развивающейся в объеме топливной струи.

Рассмотрены некоторые аспекты, связанные с проблемой реконструирования расчетных решений.

В зависимости от направленности научно-технического поиска могут использоваться различные виды математического моделирования.

1. Моделирование, направленное на выявление каких-либо физических аспектов или физическую интерпретацию процесса.

2. Математическое моделирование, направленное на обобщение данных либо зависимостей, полученных опытным путем.

3. Ввиду сложности явления, или наличия в нем отдельных процессов, имеющих структурные взаимосвязи с полным разрывом структурных свойств, математическое моделирование используется в режиме реконструирования сложного процесса на основе комплекса отдельных моделей.

Последний вариант моделирования является наиболее приемлемым способо! построения инженерных методик расчета процесса смесеобразования. Подобный по/ ход все более широко используется в настоящее время при решении инженерных зада в технических устройствах с газогидродинамическим рабочим телом.

Рассмотрены основные принципы построения расчетных решений на основ комплексной модели смесеобразования.

Показано, что разработанная комплексная модель может служить принцип« альной основой при построении инженерного метода, основанного на принципах ре конструирования решений, для расчета рабочего процесса в дизельных ДВС.

В Приложении приведены основные этапы реконструирования структуры и ди намических характеристик топливной струи и воздушного заряда.

1. Расчет поля скоростей в объеме КС (рис. 14).

2. Определение поля концентраций топливной фазы в объеме (ОСП + ОСР) (рис.15,16).

3. Определение распределения структуры топливной струи с учетом испаренш топливной фазы при взаимодействии с высокотемпературной средой КС (рис 17,19,20,а).

4. Определение поля концентраций паров топлива в объеме топливной струн (рис. 18,20,6).

5. Определение трехмерного векторного поля скоростей в объеме топливной струив в.м.т. (рис.21).

6. Реконструирование трехкомпонентного векторного поля скоростей воздушного заряда и информационного массива поля концентрации топливной фазы (рис. 22,а).

7. Определение исходных характеристик массивов данных на момент начала воспламенения топливной струи ( информация для расчета процесса сгорания, рис.22, а,б,в).

(А) (Б)

Рис. 20

ЗАЮПОЧЕНИЕ

Основные результаты работы состоят в следующем:

1. Предложена комплексная структурная интерпретация физических процессов, определяющих распад топлива в канале сопла, базирующаяся на основе тщательнс отобранной экспериментальной информации.

2. Выявлен механизм формирования, необходимые и достаточные условия перехода процесса распада топлива в процесс распиливания; установлено, что основной физической особенностью предельного перехода является формирование стратифицированной области высокого давления; получены критериальные характеристики для явления распада топлива в подигольном пространстве распылителя.

3. Показано, что область локализации турбулентных пульсаций и область развития кавитационных процессов в канале сопла являются пространственно - подобными; на основе анализа механизма возникновения турбулентности в канале сопла получены соответствующие критериальные соотношения.

4. Сформулирована базовая концепция процесса распыливания (БКР); на основе положений БКР сформулированы физические представления о закономерностях развития турбулентности в области канала сопла распылителя, а также дальнейшего развития турбулентности в объеме топливной струи, в т.ч. в головной части топливной струи.

5. Получены основные соотношения, определяющие закономерности волнового массопереноса в области внутриканального распада топливной струи.

6. Проведен анализ физических процессов распада (структурной релгксации] топливной струи при выходе из сопла; получены соответствующие критериальные соотношения; на основе физических представлений о процессе структурной релаксации в рамках концепции Монина-Яглома [99] получены основные соотношения, описывающие массоперенос в объеме топливной струи.

-537. Построена модель динамических процессов в области структурного перемещения топливной струи (ОСП ), проведен анализ формирования турбулентности; получены зависимости для расчета параметров турбулентности в ОСП; построена модель теплообмена с нагретой воздушной средой.

8. Проведен анализ структуры волновых возмущений в объеме топливной струи; установлено, что в силу перехода волновых возмущений из среды с умеренной нелинейностью (область внутриканального распада) в среду с высокой нелинейно-ггью (ОСП) осуществляется генерация возмущений по типу последовательности соли-гонов.

9. Проведен анализ волновых процессов в объеме топливной струи; установлено, что в целом топливную струю можно характеризовать, как динамический объект, ггруктура которого в осевом и радиальном направлениях формируется по различным физическим сценариям:

в радиальном направлении - по механизму турбулентной диффузии;

в осевом направлении - смешанному сценарию турбулентной диффузии и вол-ювого массопереноса солитонного типа;

10. На основе разработанного метода моделирования динамики воздушного ¡аряда проведен анализ основных закономерностей формирования его структуры с 'четом турбулентности в объеме КС в период такта сжатия; проведена оценка влия-!ия различных факторов на перестройку динамических характеристики в период, [редшествующий впрыску топлива.

11. Показана теоретическая возможность эффекта резонансного усиления соли-онных волн за счет взаимодействия с крупномасштабной турбулентностью.

Основным условием возникновения этого эффекта является совпадение харак-еристик интегрального масштаба турбулентности воздушного потока с полуперио-[ом волны солитонного типа, развивающейся в объеме топливной струи.

-5412. Рассмотрены практические аспекты, связанные с проблемой реконструир<

вания расчетных решений. Приведены результаты реконструирования решений дл

различных аспектов процесса смесеобразования.

13. Сформулированы основные положения комплексной модели смесеобразс вания в дизельных ДВС, определены практические аспекты комплексной модели см< сеобразования. На базе комплексной модели построена система технической орим тации и прогноза, цель которой - оценка качества используемых и прогноз эффекта! ности предлагаемых способов интенсификации смесеобразования.

14. В результате проведенного исследования сформировано новое научное на правление, а именно - комплексный подход к анализу физических явлений, состав ляющих смесеобразование. Использование данного подхода позволило сформироват объемное представление о сущности процесса в целом. Определены новые направле ния, развитие которых в перспективе позволяют проводить целенаправленный поиа новых приемов усовершенствования рабочего процесса дизельных ДВС.

Результаты проведенного исследования приняты к внедрению на АОА "Звезда при проектировании дизельных агрегатов, предназначенных для использования в пер спективных проектах скоростных судов с улучшенными экологическими характери стиками.

Основные результаты диссертационного исследования представлены в еле дующих работах.

1. Чирков С. Н. Математическая модель нестационарной турбулентной двух фазной струи. Труды НИИВТ., Новосибирск, 1983 г.,вып. 161, с.20-22, (без соавто ров).

2. Чирков С. Н. Математическая модель закрученного потока в КС дизеля Труды НИИВТ, Повышение эффективности техн. экспл. СЭУ. Новосибирск, 1983 г. с. 17-21, (без соавторов).

-553. Чирков С. Н. Влияние геометрических и рабочих параметров дизельного ингателя на структуру воздушного заряда. Труды НИИВТ Сб. Вопросы прочности и жсплуатации судовых автосцепов. Новосибирск, 1984 г., с. 105-115, (без соавторюв).

4. Чирков С. Н. Измерительный комплекс и методика обработки информации три изучении газодинамических процессов в ДВС с помощью ЛДА. Труды НИИВТ, в :б. Вопросы технологии и организации производства в судоремонте. Новосибирск, 1984 г., с. 118-125, (без соавторов).

5. Чирков С. Н. Конструктивные особенности и методика проверки ЛДА Труды НИИВТ. Исследование и методы повышения эффективности технологии экс-шуатации СЭУ. Новосибирск., 1984 г., с.134-140, (без соавторов).

6. Чирков С. Н. Некоторые вопросы динамики закрученного воздушного пото-са в замкнутом цилиндрическом объеме с движущейся боковой поверхностью. Труды -1ИИВТ. Соверш. Ход и маневр. Качеств. Судов., Новосибирск, 1984 г., с.156-161, (без юавторов).

7. Чирков С. Н. Некоторые проблемы технологии эксплуатации и методики пучения газодинамических процессов в ДВС. Труды НИИВТ.: Вопросы техн. и орг. ip-ва в судоремонте.НИИВТ, Новосибирск, 1984, с. 105-118, (без соавторов).

8. Чирков С. Н. Численное моделирование динамики закрученного воздушного ютока в цилиндре КС с плоским днищем поршня. Тр.НИИВТ, 1984 г., Сб.: Вопр. 1рочносги и эксп. Судовых автосцепов. Новосибирск, с.97-104, (без соавторов).

9. Чирков С. Н. Анализ математической модели закрученного турбулентного юздушного потока. Труды НИИВТ.: Повышение эффективности техн. эксплуатации уд. Энерг. Уст. Новосибирск,1983г., с.22-30, (без соавторов).

10. Чирков С. Н. Структура динамических процессов в канале сопла при впры-кивании топлива. В кн.: Дизельные энергетические установки речных судов. Тр. 1ГАВТ., Новосибирск, 1994 г., с.7-11, (без соавторов).

-5611. Чирков С. Н. Анализ физических процессов при распиливании топлива. I кн.: Дизельные энерг. уст. речных судов. Труды НГАВТ, Новосибирск, 1994 г., с.12-15 (без соавторов).

12. Чирков С. Н. Анализ влияния параметров аэрозоля на эффективность от слеживания потока при проведении аэродинамического эксперимента в ДВС методо> ЛДА. Труды НИИВТ, Сб.: Технич. Эксплуатация и исследование судовых энергетиче ских установок. Новосибирск,1985 г.. с.67-72, (соавтор: Бастерс А. В.).

13. Чирков С. Н. Динамическая установка для исследования параметров дви жения воздушного заряда с помощью ЛДА. Тр. НИИВТ, Новосибирск, 1984 г., с, 140 145, (соавтор: Бастерс А. В.).

14. Чирков С. Н. Оптическая схема ЛДА для изучения аэродинамических про цессов в цилиндре двигателя. Сб. научн. Трудов, Новосибирск, НИИВТ., Проект. V расчет судов внутр. Плав.,1986г., с. 119-122, (соавтор: Титков В. И.).

15. Чирков С. Н. Анализ математической модели разноплотносгного впрыскг топлива в камере ДВС. Труды НИИВТ, вып 162, Новосибирск, 1982 г., с.44-52 (соавторы: Лебедев О. Н., Рудин С. Н.).

16. Чирков С. Н. Анализ математической модели разноплотносгного впрыскг топлива в камере ДВС. Труды НИИВТ, вып 162, Новосибирск, 1982 г., с.44-52 (соавторы: Лебедев О. Н., Рудин С. Н.).

17. Чирков С. Н. Модель процесса теплообмена топливного факела с нагрето» неподвижной воздушной средой. Труды НИИВТ. "Проект и расчет сцепов внутр плав, средств", Новосибирск, с.111-118.(соавторы: Лебедев О. Н., Финогенов А. Н.).

18. Чирков С.Н. Анализ математической модели разноплотносгного впрыска топлива. Труды НИИВТ, вып.161, Новосибирск, 1982 г., с.166-171, (соавторы: ЛебедеЕ О. Н., Рудин С. Н.).

-5720. Чирков С. Н. Численный анализ динамики воздушного заряда в камере сгорания ДВС. Изв. СО АН СССР.,сер.техн. наук., 1986 г., №4, вып.1. (соавторы: Лебе-1ев О. Н., Сергеев-Альбов Н. Н.).

21. Чирков С.Н. Численное исследование вихревого движения воздушного заряда при наполнении цилиндра дизеля. Изв. СО АН СССР, 1989, с. 96 -102 (соавторы: Бастерс А. В., Лебедев О. Н.).

22. Чирков С. Н. Исследование аэродинамических процессов в двигателях знутреннего сгорания методом Л ДА. Изв, СО АН СССР, Сер. техн. наук., 1987, N 15, 5ЫП.4. (соавторы: Бастерс А. В., Лебедев О. Н., Титков В. И.).

23. Чирков С.Н. Численное моделирование динамики воздушного заряда в ди-¡ельных камерах сгорания неразделенного типа. Изв.СО АН СССР, Сер.техн.наук, 1987, N 14, вып.З. (соавторы: Лебедев О. Н., Сергеев-Альбов Н. Н.)

ОБОЗНАЧЕНИЯ:

[К,), • местное число кавитации;

Уо - объемная скорость топлива в канале сопла;

з, - поправочный множитель в выражении кинетической энергии; \,>r*i. " значения радиуса каверн при Рср.,Рмин.

W0-1) - изменение давления в каверне из-за потерь на трение;

- время; Р. - давление на бесконечности (в КС); Di - скорость звука в топливе; Ч - показатель адиабаты паров топлива; <j - коэффициент кинематической вязкости;

ß = R! Fq - отношение текущего радиуса каверны к минимальному;

'о - давление в сопловом канале;

\ - давление в точке поверхности;

(¡Р - градиент давления по радиусу каверны;

р1 - плотность топлива;

Иг - радиус схлопывающейся каверны;

И! - средний радиус каверны после схлопывания;

г,г - цилиндрически координаты;

а - опытная постоянная;

81 - объемная концентрация 1 - той фазы;

р, - плотность I -той фазы;

Ук - скорость по координате хк ;

10,5 е> - ширина и амплитуда начального возмущения волны;

о2 - параметр нелинейности;

^ - текущая координата, зависящая от времени;

Со - адиабатическая скорость звука;

к - волновое число; X -длина волны;

ЬД1| - толщина слоя; Т^ - температура фазы Эо ;

Г - толщина слоя за счет влияния капиллярности;

qL - тепловой поток; - скорость капли;

УJ - скорость среды; 5Д - символ Кронекера;

2 -количество капель топлива от точечного источника; Бц - тензор коэффициентов диффузии; ¡л, - вязкость 1 -той фазы;

У2, У, - пульсационные составляющие скорости паров топлива и капель; У_- относительная скорость паров топлива; у0 - относительная масса примеси;

!„ - путь, пройденный молем за время tp ;

m, - масса капли; Ti - температура i -той фазы;

а.Р,/ -коэффициенты; Re - теплота фазовых превращений;

Ф(1,2)г- сила взаимодействия 1 -го компонента со средой в направлении z ;

Si - поле концентраций i -той фазы;

D* - коэффициент молекулярной диффузии;

ç - функция, описывающая начальный профиль волны;

Q - константы интегрирования; m,у - параметры нелинейности;

-функция Эйри; % - функция Хэвисайда; /¡(ц„а), /0(ц„а) - функция Бесселя нулевого и первого порядка; аД - безразмерные переменные; £~ - коэффициент турбулентной вязкости; тй>ш - расстояние от оси струи до сечения скорости со, = ОДо^ ; W - критерий массообмена; 1о - длина начального возмущения; Со - "замороженная" скорость звука в парожидкостной пузырьковой среде; АР • профиль начального возмущения давления; z - относительный акустический импеданс; а - частота монохроматической волны; V(x,y,t) - тангенциальный компонент скорости; х,у - безразмерные координаты; п - частота вращения двигателя; щ - показатель политропы сжатия; We - критерий Вебера; Р - параметр сжатия; - угол конусности струи; Е - коэффициент эффективной вязкости воздушного заряда; гс - номинальная степень сжатия; R* - радиус кривошипно-шатунного механизма; Gu - цикловая подача.

Чирков Сергей Николаевич

Комплексный анализ процесса смесеобразования в дизельных ДВС

Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

Издательство Новосибирской государственной академии водного транспорта, 630099, Новосибирск, ул. Щепшнкина, 33.

Подписано к печати Формат 60/84 1/16.

Печать офсетная. Объем 2,0 пл. Заказ . Тираж 100 экз.

Отпечатано отделом оперативной полиграфии НГАВТ, 630104, Новосибирск, ул. Советская, 60.