автореферат диссертации по энергетическому, металлургическому и химическому машиностроению, 05.04.02, диссертация на тему:Локальный радиационно-конвективный теплообмен в турбулентном пограничном слое в камерах сгорания быстроходных дизелей

На правах рукописи Лобанов Игорь Евгеньевич

УДК 621.43 : 532.516

ЛОКАЛЬНЫЙ РАДИАЦИОННО-КОНВЕКТИВПЫЙ ТЕПЛООБМЕН В ТУРБУЛЕНТНОМ ПОГРАНИЧНОМ СЛОЕ В КАМЕРАХ СГОРАНИЯ БЫСТРОХОДНЫХ

ДИЗЕЛЕЙ

(05.04.02 — Тепловые двигатели) (05.14.05 — Теоретические основы теплотехники)

Автореферат диссертации на соискание учёной степени кандидата технических наук

Москва —1998

Работа выполнена в МГТУ им. Н.Э.Баумана на кафедре "Поршневые и комбинированные двигатели внутреннего сгорания".

Научный руководитель — доктор технических наук,

профессор Кавтарадзе Р.З.

Официальные оппоненты — доктор технических наук,

профессор Патрахапьцев H.H. — кандидат технических наук, доцент Хвостов В.И.

Ведущая организация — НИИКТИД (г. Владимир)

Защита состоится " 1998 г. в "_" час. на

заседании Диссертационного Совета К 053.15.05 "Тепловые машины и теоретические основы теплотехники" Московского Государственного Технического Университета имени Н.Э.Баумана по адресу : 107005, Москва, Лефортовская набережная, д.1, корпус "Энергомашиностроение", ауд. № 234э

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

Автореферат разослан "_"_1998 г.

Ваши отзывы в 2-х экземплярах, заверенные печатью, просьба высылать по адресу: 107005, Москва, 2-я Бауманская ул., д.5, МГТУ им. Н.Э.Баумана, учёному секретарю Совета К 053.15.05.

Учёный секретарь Специализированного Совета кандидат технических наук

доцент Ефимов С.И.

Актуальность проблемы. В настоящее время научно-технический прогресс в двигателестроении направлен на повышение степени форсирования двигателей при одновременном снижении токсичности отработавших газов, увеличением ресурса работы, улучшением экономичности.

В результате форсирования двигателей внутреннего сгорания (ДВС) происходит увеличение тепловых нагрузок. В связи с этим следует уделить особое внимание разработке и экспериментальной проверке математических моделей для расчёта граничных условий теплообмена со стороны рабочего тела. Использование такого мощного инструмента, каким является теория пограничного слоя, для ДВС стало возможным только в последнее время, что отчасти можно объяснить сложным характером протекания внутрицилиндро-вых процессов.

В связи с этим, для доводки существующих и проектировании перспективных ДВС, а также для ускорения исследований и снижения их стоимости необходима разработка и использование расчётно-экспериментальных методов, учитывающих особенности физических процессов, протекающих в цилиндре и, в частности, в пограничных слоях в камере сгорания (КС) ДВС.

Цель исследования. Основная цель данного исследования — разработка расчётно-экспериментального метода определения нестационарных граничных условий теплообмена со стороны рабочего тела, с учётом: О теплоизолирующего действия слоя нагара, образованного на тепловоспри-

нимающих поверхностях основных деталей быстроходного дизеля; О нестационарного характера изменения турбулентного числа Прандтля в

условиях течения и теплообмена в пограничном слое; О уточнённых значений эмпирических коэффициентов в а-формуле для расчёта осреднённой по поверхности теплоотдачи и степеней черноты рабочего тела в камерах сгорания быстроходных дизелей; Ф взаимодействия конвекции и излучения на основе использования математической модели турбулентного пограничного слоя.

Научная новизна. Разработан и экспериментально проверен новый уточнённый метод определения локальных нестационарных граничных условий со стороны рабочего тела с учётом теплоизолирующего действия слоя нагара, образующегося на тепловоспринимающей поверхности камеры сгорания быстроходного дизеля.

♦ Предложен новый альтернативный метод обработки экспериментальных данных при использовании датчиков теплового потока, выгодно отличающийся от существующего.

♦ Предложены уточнённые эмпирические коэффициенты для расчёта осреднённой теплоотдачи и эмпирическая формула для нестационарной степени черноты в условиях камеры сгорания быстроходного дизеля, позволившие улучшить точность и скорость расчёта локальных нестационарных тепловых потоков.

♦ Получены точные решения для толщины потери энтальпии в турбулентном пограничном слое, позволившие определить локальные тепловые нагрузки на поверхностях камеры сгорания, а также определить значение нестационарного числа Прандтля.

Практическая ценность. Теоретические исследования, проведённые в данной работе, а также разработанные программы для ПК с достаточной степенью точности отражают реальную картину физических процессов, имеющих

1

место в камере сгорания быстроходного дизеля, что было подтверждено экспериментально; полученные результаты используются для расчёта локальных нестационарных граничных условий в КС дизеля Д-144; они могут быть успешно использованы как при доводке существующих, так и при проектировании новых перспективных ДВС, так как позволяют более достоверно определить тепловое и термонапряжённое состояние.

Разработан альтернативный метод обработки результатов измерения с помощью датчика на основе дополнительной (вспомогательной) стенки.

Получены достоверные теоретические и экспериментальные данные по локальному теплообмену в камере сгорания дизеля Д-144

Точные решения уравнения турбулентного пограничного слоя для различных криволинейных поверхностей с успехом могут быть использованы для расчёта локальных нестационарных тепловых потоков для широкого класса быстроходных дизелей с полуразделённой и разделённой камерами сгорания, а также для других энергетических установок с наличием радиационно-конвективного теплообмена.

Разработаны алгоритмы и программы расчёта для ПК, позволяющие уже на стадии проектирования прогнозировать локальные тепловые нагрузки в зависимости от пределов форсировки.

Реализация результатов работы. Результаты работы используются в НИИКТИДе (г. Владимир) при доводке быстроходных дизелей с разделённой и полуразделённой камерами сгорания, а также при выполнении хоздоговорных и госбюджетных НИР и в учебном процессе на кафедре Э-2 МГТУ им. Н.Э.Баумана.

Апробация работы. Материалы диссертационной работы были доложены на:

• The International Symposium on the Heat Transfer in Boiling and Condensation and 11-th International School-Seminar of Young Scientists and Specialists, May 21-24, 1997, Moscow;

• VI Междунородном научно-практическом семинаре "Совершенствование мощностных, экономических и экологических показателей ДВС", 26-30 июня, 1997 г., Владимир;

• Международной научно-технической конференции "Двигатель-97", 14—16 октября, 1997 г., Москва, МГТУ.

Диссертационная работа была заслушана и одобрена на заседании кафедр "Поршневые и комбинированные двигатели внутреннего сгорания" и "Теоретические основы теполтехники" МГТУ им. Н.Э.Баумана (1998 г.).

Публикации. Материалы диссертации опубликованы в 5 печатных работах, а также изложены в отчётах по хоздоговорным и Госбюджетным НИР, выполненным в МГТУ им. Н.Э.Баумана за 1994-97 гг.

Объём работы. Диссертация состоит из введения, четырёх глав и списка литературы. Она содержит 124 страниц основного текста, 44 рисунков, 12 страниц со списком использованной литературы, включающим 131 наименования.

Содержание работы. Введение содержит общую характеристику диссертационной работы.

В первой главе рассмотрены вопросы определения локальных тепловых нагрузок на основных деталях КС дизелей. Дан подробный анализ расчётно-теоретических моделей исследования локального теплообмена в камерах 2

сгорания быстроходных дизелей. Должное внимание уделено струйным моделям локального теплообмена, разработанным в СПГТУ и МГТУ, а также дискретным математическим моделям исследования локального теплообмена в КС дизеля; проведён сравнительный анализ основных численных и экспериментальных методов.

Проанализированы работы Батурина С.А., Вагнера В.А., Вошни Г., Ива-щенко H.A., Кавтарадзе Р.З., Костина А.К., Максимова Е.А., Овсянникова М.К., Петриченко М.Р., Петриченко P.M., Розенблита Г.Б., Стефановского Б.С., Страдомского М.В., Хачияна A.C., Хейвуда Дж., Хубера К., Чайнова Н.Д., Ше-ховцова А.Ф., Штипера К., Эплера Э. и их учеников.

Проведён анализ основных положений теории пограничного слоя (определение на основе решения уравнений пограничного слоя локальных тепловых потоков, границы изменения турбулентного числа Прандтля, взаимодействия конвекции и радиации при сложном теплообмене), изложенных в работах С.С.Кутателадзе и А.И.Леонтьева, а также их учеников. Показано, что они могут быть успешно использованы при исследовании теплообмена в поршневых двигателях.

Отмечается также необходимость учёта ряда специфических факторов, характерных для рабочего процесса ДВС.

Проанализированы преимущества и недостатки прямых и обратных методов исследования локального теплообмена в камере сгорания дизеля.

Рассмотрены экспериментальные методы исследования локального теплообмена в камере сгорания дизеля, приведён подробный анализ конструкций датчиков, применяемых для измерения нестационарной температуры тепло-воспринимающей поверхности.

Сформулированы следующие задачи, вытекающие из проведённого обзора, которые необходимо решить для достижения поставленной цели.

I. Модернизировать установку с быстроходным дизелем Д-144 с целью получения экспериментальных данных по нестационарному теплообмену, необходимых при расчётно-теоретическом исследовании теплоизолирующего действия слоя нагара.

II. Разработать новую альтернативную методику определения нестационарного теплового потока по результатам измерения датчика на основе дополнительной стенки, имеющую ряд преимуществ перед существующим методом для условий быстроходных дизелей.

III.Разработать расчётно-экспериментальный метод получения полей нестационарных тепловых потоков и температур как в слое нагара, так и на его поверхности, а также разработать приближённую методику оценки толщины слоя нагара на поверхностях основных деталях КС ДВС.

1\/.Исследовать правомерность применения предложенного метода обработки результатов измерения с помощью датчика теплового потока на основе дополнительной стенки с учётом особенности конструкции датчика (наличие защитного металлического слоя; многослойность тепловоспринимающей части).

V. Усовершенствовать метод расчёта локальных нестационарных тепловых потоков в полуразделённых КС дизелей на основе теории турбулентного пограничного слоя, в частности:

• получить обобщённые точные решения дифференциального уравнения относительно толщины потери энтальпии для условий кри-

волинейных форм поверхностей полуразделённых камер сгорания быстроходных дизелей;

• разработать методику определения локального нестационарного числа Прандтля для условий КС ДВС, на основе внутренней обратной задачи сложного теплообмена с использованием экспериментальных данных по локальным тепловым потокам;

• исследовать вопросы теоретического характера, возникающие при получении точных решений уравнения пограничного слоя (значение толщины потери энтальпии в области оси цилиндра, расхождение несобственного интеграла и т. п.).

Во второй главе приведена общая схема и принцип действия экспериментальной установки, разработанной и созданной в МГТУ им. Н.Э.Баумана для измерения нестационарного теплового потока (рис. 1). Принцип действия экспериментальной установки состоит в следующем. Во время исследования на двигателе 2 каждый из датчиков теплового потока на основе дополнительной (вспомогательной) стенки, расположенных на тепловоспринимающей поверхности головки цилиндра, подключается к измерительной схеме трёхпо-люсного переключателя 3. После переключателя сигнал через коммутатор 5 поступает на трёхканапьный усилитель 6. В каналах 2 и 5 сигнал усиливается в 500 раз, а в канале 3 — в 50 И 00 раз. Выходной сигнал после усилителя достигает значения (1-^2)В и, проходя через коммутатор 7, проверяется вольтметром 8 и осциллографом 9. В дальнейшем выходной сигнал записывается на магнитограф 10 и поступает на цифровой анализатор 14 (А\/Ь-652) с микропроцессором и памятью данных. Здесь за ним может осуществляться мониторинг с помощью терминала 12. При необходимости можно получить распечатку с помощью принтера 11 и графопостроителя 13. В передней части двигателя смонтировано оптическое маркировочное устройство для отметки угла поворота коленчатого вала 1, от которого сигнап-отметка ВМТ поступает на цифровой анализатор 14 и на магнитограф 10. После регистрации сигналов датчик теплового потока отключается, а вместо него на входе усилителей подключается источник калибровочных напряжений 4, и на регистратор записывается масштабирующий сигнал. Одновременно с тепловыми измерениями осуществлялось индицирование исследуемого цилиндра. С этой целью был использован пьезокварцевый датчик с усилителем заряда, выходной сигнал от которого также поступает на цифровой анализатор 14.

Разработанная программа экспериментальных исследований предусматривает измерение нестационарной температуры поверхности и определение на их основе нестационарного теплового потока как при наличии нагара, так и в его отсутствии.

Предложен альтернативный метод обработки экспериментальных данных, основанный на применении закона Фурье к интегралу Дюамеля, который имеет несомненные преимущества по сравнению с существующим методом. Альтернативный метод основан на допущении о том, что глубина проникновения колебаний нестационарной температуры меньше суммарной толщины медной плёнки и константановой пластины, что обосновано расчётом теплового состояния датчика, в котором применён метод контрольных объёмов в нестационарной осесимметричной постановке при использовании программы, разработанной в МГТУ им. Н.Э.Баумана и модернизированной автором. Преимущество данного метода расчёта перед существующим состоит в том, что

он позволяет получить тепловой поток на поверхности датчика без решения сложных интегральных уравнений типа В.Вольтёрры, а также учесть все особенности конструкции датчика, покрытого слоем нагара. Следует подчеркнуть, что метод неприменим к долгопротекающим нестационарным процессам, где глубина проникновения температурной волны относительно велика.

Результаты, полученные на экспериментальной установке, в дальнейшем были использованы для построения математических моделей теплообмена в КС.

В третьей главе изложена методика определения температуры и толщины слоя нагара на поверхности КС дизелей, которая базируется на решении сопряжённой задачи, состоящей из двух прямых и трёх обратных задач теплообмена. В рамках сопряжённой задачи была выдвинута и экспериментально подтверждена следующая гипотеза: для процессов поршневого сжатия-расширения, независимо от наличия нагара, отношение локального коэффициента теплоотдачи над поверхностью датчика теплового потока к коэффициенту теплоотдачи, осреднённого по поверхности КС, определённому по известным а-формулам, остаётся постоянным. Для конкретного дизеля (Д-144), например, была определена толщина слоя нагара над поверхностью датчика теплового потока, расположенного на расстоянии х = 20 мм от оси цилиндра, которая за 20 часов работы двигателя достигла 9,9 мкм. На границе л- = Х[ (рис. 2) определены 2 граничных условия Ч ~ <7(г)| и

Т = Y ( г) ,ана границе л = 0 не задано ни одного, что приводит к некорректной обратной задаче теплопроводности.

Определены поля нестационарных температур и тепловых потоков в слое нагара в результате решения обратной задачи теплопроводности в линейной нестационарной постановке для тела плоской геометрической формы (рис. 2). Решения имеют вид:

rpc.o-reo + f 1

(2л)! an dt"

(?, +

V 1 (S - x)Zn dnqs ¿,(2/1 + 1)! а" dt"

2n-l I J«v ® __

-n

д{х,1) = д,+А2 (2я_1)1 — — + X (2)

где 5 — толщина слоя нагара; У (г) — нестационарная температура под слоем нагара, регистрируемая датчиком; к и а — коэффициенты теплопроводности и температуропроводности материала слоя нагара соответственно. На рис. 3 и 4 приведены соответственно значения температуры и теплового потока на поверхности слоя нагара, определённые по формулам (1) и (2).

Доказано, что влияние медной плёнки толщиной 100 мкм в конструкции датчика на основе дополнительной стенки при расчёте теплового потока пренебрежимо мало.

В четвёртой главе рассмотрены особенности расчёта локальных нестационарных тепловых нагрузок в полуразделённых камерах сгорания. Приведены основные уравнения теории турбулентного пограничного слоя и инте-

тральные условия для пограничных слоев при сложном (радиационно-конвективном) теплообмене в камерах сгорания быстроходных дизелей, полученные в МГТУ им. Н.Э.Баумана:

'l + S.Zf

т

A-S\u2dy - + Ь:

dx I Н гъ dx I р

+

ду У

Иг И v J rh> И у

HI dx * ду dx

d Sc Я, HI lS i

•J- )HIU(T9 - T)dy = qkw + (E_ - E+)M (4)

dx I pcp J'

где <Sт , 8m — толщины теплового и динамического пограничных слоев соответственно; и Яз = R~ycosd _ К0Эффициенты Ламе (у = 1 соответствует осесимметричной постановке задачи, у = О — плоской); р — плотность рабочего тела; сР — теплоёмкость рабочего тела при постоянном давлении; U — радиальная скорость перетекания; q^, — плотность теплового потока на поверхности; Е+ и Е _ — плотности потока излучения по направлению оси у и в противоположном направлении соответственно. Выражения (3) и (4) являются обобщениями известных соотношений Т.Кармана и Г.Н.Кружилина.

Расчёт скоростей перетекания в полуразделённых камерах сгорания произведён по полученным в МГТУ им. Н.Э.Баумана обобщённыем формулам. Значения этих скоростей используются как начальные условия при натекании струи газа на тепловоспринимающую поверхность камеры сгорания. Расчёт проведён для каждого угла поворота коленчатого вала в квазистационарной постановке. При использовании модифицированной аналогии Рейнольдса получено что:

=A(2a + 3 + l/aybpcp(T„-TJUl-bvbl>r-ml>T;i?(S;rb, (5)

с> **

где от — толщина потери энтальпии, которая определяется из дифференциального уравнения:

1 d 1 dUm 1 ^ fijSKl^

т "r lS *~ +7Г~Х~ + ПТУ л. +-^ №т' =

Т9-Тщдх Um dx Щ ¿к а Во

—^ +

сЬс

(6)

где а — показатель степени в "степенном законе"; А и Ь — постоянные значения в формуле Блазиуса для напряжения трения т„, - Ар(и„,)2(Кет)'ь; Кет = =и„3Я1р//г; у — вязкость рабочего тела; и„, — скорость на границе пограничного слоя; Рг и Рг, — соответственно молекулярное и турбулентное числа

Прандтля; Во= рср(Т„ - Тк)1/п /[ст0(Г„4 - Г„4)] — число Больцмана; £ —

отношение толщин теплового и динамического пограничных слоев; — степень черноты тепловоспринимающей поверхности; р — коэффициент диф-

фузности излучения; к — коэффициент ослабления лучистой энергии. Решение предусматривает использование эмпирических и полуэмпирических зависимостей осреднённого по поверхности коэффициента теплоотдачи и степени черноты рабочего тела в цилиндре дизеля. Для расчёта осреднённого коэффициента теплоотдачи используется полученная в МГТУ им. Н.Э.Баумана

формула « = (й/л/д7)[С, +С2Кк]: где Ь = л/1с рР — коэффициент проникновения теплоты, определяется как функция средней температуры пограничного слоя; Т,.р - (Г„ + ТП')/2; Кк = НиЛх / (сР(Тш - Т„,)) — критериальное число, характеризующее взаимодействие тепловыделения и теплоотдачи в двигателе (Ни — низшая теплота сгорания топлива); Ат = А(р / (6 п) — Аср « 1°; Ах — доля топлива, выгоревшего за интервал времени Ат в камере сгорания, которая может быть определена по соотношениям И.И.Вибе, Н.Ф.Разлейцева или на основе непосредственной обработки индикаторной диаграммы; п , [ мин"1 ] — частота вращения коленчатого вала. Значения коэффициентов С] - 0,5 и Сг - 0,256 были уточнены автором. Результаты расчёта по данной формуле приводят к хорошему согласованию с экспериментальными данными по тепловому балансу ДВС и индикаторным и эффективным показателям для различных типов быстроходных дизелей. В результате обработки известных экспериментальных данных (САБатурин, Э.Эплер, К.Прешер и др.), полученных методом оптического индицирования с применением лазерных генераторов излучения, предложена эмпирическая формула для определения степени черноты рабочего тела в цилиндре дизеля в функции угла поворота коленчатого вала и среднего эффективного давления: Б=2~°.21Г*.(0,6866-0,3274ре)ф(°.1537+о,2б5ре).еХр((_о)014388+0,006162ре)ф), (7)

где (р — угол поворота коленчатого вала, отсчитываемый от начала сгорания [град.]; ре — среднее эффективное давление [МПа], характеризующее режим работы двигателя. Результаты расчёта степени черноты рабочего тела по предложенной формуле и их сопоставление с экспериментальными данными приведены на рис. 5.

Получено точное решение (общий интеграл) уравнения толщины потери энтальпии для камеры в поршне типа ЯМЗ:

1

(1+/>)с;> > .........—- • ' Iс

где Сг = С„/(Та-Тп); С2 = (2а+ 3 + 1

^хехр(С1х+2/ЗС,х15) - (8)

Г2ег0е„тГ4--Т4»)

Ыо рср(Т«,-Тк)и{

А №

С3 = А(2а+ 3 + Мауь Рг"2/3 Рг,'1 И(</0 / 2)'ш и .

Аналитически доказано, что:

1 ш

= О

. Последнее до на-

т

х -» О

стоящего времени принималось интуитивно, исходя из физических соображений.

Рассмотрены частные случаи теплообмена, а также точное решение для сферической поверхности камеры сгорания:

5*т (х)

,2(1+6)

X

Ш-г

п4 т4

(1 +Ь)СЛМ +

Й(и-1)!(3/2и-1)

, ((1+^2/Зф""__

(т-Шп-п^^+Ъ-МЬ+УЪ+Ъ+У^*

хехр{-2/ЗС2*3/2}

, — ■ X П + Г БШ — Г

О)

где знак "+" соответствует выпуклой, а знак "—" —вогнутой поверхности КС.

Предложен двухточечный метод определения нестационарного турбулентного числа Прандтля Рг, в КС быстроходного дизеля. Этот метод заключается в решении внутренней обратной задачи относительно частного интеграла уравнения ПС (общий интеграл — формула (8)) при известных значениях локальных тепловых потоков. Последние получаются экспериментально с помощью двух датчиков, расположенных на тепловоспринимающей поверхности крышки цилиндра в двух различных точках на оси — х, и х2 (измерения обоими датчиками производятся одновременно). Численные значения турбулентного числа Прандтля (рис. 6) определяются по уравнению: 1

ЯГ2

X

иш

5.(10)

где

I = (2а + 3 +1 /а)(Ь0)' (0,83)-аРг - С)

рср(Та-Тю)ийМ

* *

А(2а + 3 +1 / а)"ьМ'ь(Ь0)ъ/2 И(0,83)а рг-2/3+<14/27>а

и"

Из рис. 9 видно, что среднее по времени значение турбулентного числа Прандтля Рг, ~ 0,93 хорошо соответствует общепринятому значению.

Получено аналитическое выражение для профиля теплового потока в турбулентном пограничном слое при радиационно-конвективном теплообме-

не:

Е

(11)

г —

-10

где л \5т - Анализ диаграмм на рис. 7, построенных по выра-

зи 1о

жению (11) показывает, что при росте доли радиации турбулентный пограничный слой становится более заполненным.

Введено т.н. относительное турбулентное число Прандтля и аналитические зависимости для его расчёта при различных условиях теплообмена в камере сгорания дизеля.

Получен профиль изменения относительного турбулентного числа Прандтля в пограничном слое при радиационно-конвективном теплообмене:

Рг.

Рг,О0

-дк(у) + £ыап(Г-Т4)\е

-в

X

_9_ 7 а

(12)

Рг

х^[(2а +1)(1 - (у/ЯтГ1) ~ {а +1)(1 - (у/6Т)2й+')] Ш НтРгДу)

где у—>0 ' Значение относительного турбулентного числа

Прандтля, рассчитанного по уравнению (12), при условии линейного характера изменения теплового потока в турбулентном пограничном слое для условий чистой конвекции приведено на рис. 8. С увеличением теплового потока турбулентное число Прандтля уменьшается. Примерно за треть увеличения относительной толщины теплового пограничного слоя оно снижается до 1%, после чего его значение стабилизируется. Характер изменения турбулентного числа Прандтля в пограничном слое находится в хорошем соответствии с общепринятыми данными, приведёнными в работах С.С.Кутателадзе и А. И.Леонтьева.

Анализ результатов позволил сделать вывод о том, что получено независимое подтверждение консервативности законов турбулентного пограничного слоя в смысле Кутателадзе-Леонтьева при радиационно-конвективном теплообмене в КС быстроходных дизелей.

Экспериментальная проверка результатов расчёта локального нестацио-

и

\

нарного теплового потока для поверхности головки цилиндра показала их хорошее совпадение (рис. 9 и 10).

В диссертации даны практические рекомендации по расчёту локальных нестационарных тепловых нагрузок основных деталей дизеля с учётом теплоизолирующего действия слоя нагара при сложном (радиационно-ковективном) теплообмене в камере сгорания.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ:

1. Разработан уточнённый метод расчётно-экспериментапьного исследования локальных нестационарных тепловых нагрузок в камерах сгорания быстроходных дизелей, отражающий сложный (радиационно-конвективный) характер теплообмена в турбулентном пограничном слое. Разработанный метод является основой для прогнозирования процессов теплообмена как для существующих, так и для перспективных дизелей с полуразделённой и разделённой камерами сгорания.

2. С применением обратных методов теплопроводности осуществляется моделирование теплоизолирующего действия слоя нагара. В частности, для дизеля Д-144 было получено, что температура слоя нагара от поверхности до предельной глубины снижается с каждым микрометром примерно на 7 К, а тепловой поток — соответственно на 0,5%; отставание по времени колебания температуры на поверхности слоя нагара и теплового потока по мере проникновения в нагар составило примерно 0,5° у.п.к.в. на каждый микрометр.

3. Предложен альтернативный метод обработки экспериментальных данных, преимущество которого перед существующим заключается в том, что он позволяет получить тепловой поток на поверхности датчика без решения сложных интегральных уравнений, а также учесть все особенности конструкции датчика, покрытого слоем нагара. Доказано, что влияние медной плёнки в конструкции датчика пренебрежимо мало при расчёте теплового потока.

4. Предложен двухточечный метод определения турбулентного числа Прандтля при радиационно-конвекгивном теплообмене. Получены численные значения Рт, в функции угла поворота коленчатого вала; осреднённое по времени значение Рг,« 0,93 хорошо согласуется с общепринятым значением. Получено независимое подтверждение консервативности законов турбулентного пограничного слоя в смысле Кутателадзе-Леонтьева при ра-диационно-конвективном теплообмене в условиях КС быстроходных дизелей.

5. Получена аналитическая формула для относительного теплового потока в турбулентном пограничном слое при радиационно-конвективном теплообмене, показавшая, что при росте доли радиации турбулентный пограничный слой становится более заполненным.

6. Получена эмпирическая формула для расчёта степени черноты в КС быстроходного дизеля, а также предложены уточнённые эмпирические коэффициенты для формулы коэффициента теплоотдачи, осреднённого по поверхности КС.

7. Уточнён ряд теоретических вопросов, в частности: устранена некорректность, возникающая при получении точных решений уравнения погранично-

го слоя, связанная с расхождением несобственного интеграла; получено предельное значение толщины потери энтальпии в области оси цилиндра.

8. Разработаны алгоритмы и программы для ПК, позволяющие решать задачи определения граничных условий теплообмена в КС как существующих, так и проектируемых дизелей; их экспериментальная проверка на специальной установке показала достоверность полученных расчётно-теоретических данных.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ ОПУБЛИКОВАНО В СЛЕДУЮЩИХ РАБОТАХ:

Ч.Кавтарадзе Р.З., Лапушкин H.A., Лобанов И.Е. Исследование теплоизолирующего действия слоя нагара на поверхностях КС дизеля с использованием обратных и сопряжённых методов теплопроводности // Изв. вузов. Машиностроение. — 1997. — № 4-6. — С. 70-76.

2. Kavtaradze R.2., Lapuskin N.A., Lobanov I.E. Combined Radiative and Convective Heat Transfer between Two-Phase Substance and Combustion Chamber Wall in Diesel Engine II Proceeding of the International Symposium on the Heat Transfer in Boiling and Condensation and 11-th International School-Seminar of Young Scientists and Specialists. — Moscow (Russia), 1997. — P. 525-532.

3. Кавтарадзе P.3., Лапушкин H.A., Лобанов И.Е. Расчётно-экспериментальное исследование нестационарного теплообмена в камере сгорания быстроходного дизеля с учётом теплоизолирующего действия слоя нагара II Совершенствование мощностных, экономических и экологических показателей ДВС. Материалы VI Междунородного научно-практического семинара. — Владимир, 1997.— С. 111-112.

4. Кавтарадзе Р.З., Лапушкин H.A., Лобанов И.Е. Исследование теплоизолирующего действия слоя нагара с применением обратных и сопряжённых методов теплопроводности II Двигатель-97. Материалы международной научно-технической конференции. — М., 1997. — С. 25.

5. Ван И Чунь, Кавтарадзе Р.З., Лобанов И.Е. Экспериментальное исследование влияние нагара и газодинамических условий на нестационарный теплообмен в камере сгорания дизеля П Двигатель-97. Материалы международной научно-технической конференции. — М., 1997. — С. 28.

X

.У(г)

л Х' .

Ь

4(1)- Г Т(г) - ? 1 ■ У(*>

х1

У(г) 2

1. -х1

Рис. 2. Расчётная модель задачи с внутренним датчиком теплового потока

Рис. 3. Нестационарная температура поверхности слоя нагара в зависимости от толщины слоя

580

Рис. 4. Нестационарный тепловой поток на поверхности слоя нагара в зависимости от толщины слоя

Б

Рис. 5. Нестационарная степень черноты рабочего тела в зависимости от среднего эффективного давления, полученная экспериментально (Эплер, Батурин) и с помощью формулы (7)

Рг4

ф, гр. у.п.к.в.

0,0

см сч о

со о со

Рис. 6. Турбулентное число Прандтля в камере сгорания дизеля в зависимости от угла поворота коленчатого вала

Рис. 7. Тепловой поток в турбулентном пограничном слое при радиационно-конвективном теплообмене

Рг,(У)/Рг,„

Рис. 8. Турбулентное число Прандтля в турбулентном пограничном слое для условий чистой конвекции

Рис. 9. Расчётные значения локального теплового потока в зависимости от угла поворота коленчатого вала

Ч«,, Вт/м2

счосою^смоазсо-ч-сч Гр- У-П.К.В. ргсзосососоососоео^

Рис. 10. Экспериментальные и расчётные локальные тепловые потоки на расстояниях х=8мм и х=20мм от оси цилиндра