автореферат диссертации по энергетическому, металлургическому и химическому машиностроению, 05.04.02, диссертация на тему:Методы обеспечения эксплуатационных характеристик теплонапряжённых элементов тепловых двигателей на основе моделирования нестационарной теплопроводности

На правах рукописи

Методы обеспечения эксплуатационных характеристик теплонапряжённых элементов тепловых двигателей на основе моделирования нестационарной теплопроводности

Специальность: 05.04.02 - Тепловые двигатели

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание учёной степени доктора технических наук

Самара 2005

Работа выполнена на кафедре «Локомотивы» Самарской государственной академии путей сообщения (Сам ГА ПС)

Научный консультант:

доктор технических наук, профессор НОСЫРЕВ Дмитрий Яковлевич

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор Бирюк Владимир Васильевич;

доктор технических наук, Идельсон Александр Моисеевич;

доктор технических наук, профессор Русаков Михаил Михайлович

Ведущая организация:

ОАО «Самарский научно-технический комплекс им. Н.Д. Кузнецова»

Защита состоится «1^» января 200 £ г. в № часов на заседании диссертационного совета Д218.011.01 в Самарской государственной академии путей сообщения (СамГАПС) по адресу:

443066, г. Самара, 1-ый Безымянный пер., 18, в аудитории 5216, корпус 5.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке академии . Автореферат разослан « ^Г» />. 2005 г.

Отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенные гербовой печатью организации, просим направлять в адрес диссертационного совета академии.

Учёный секретарь

диссертационного совета Д218.011,, 01

к.т.н., доцент

В.С. Целиковская

гообл

Общая характеристика работы

Актуальность проблемы. Необходимость повышения эффективности перевозочного процесса в современных условиях требует совершенствования организации эксплуатационной работы железных дорог, в том числе улучшения конструкции, использования и ремонта тепловых двигателей. Одним из путей решения задачи совершенствования тепловых двигателей является повышение надёжности их основных сборочных единиц и систем. Температурный режим наиболее нагруженных элементов тепловых двигателей (включая детали и сборочные единицы цилиндропоршневой группы, элементы топливных и масляных систем) в значительной степени определяет эффективность их эксплуатации. По данным ежегодных анализов технического состояния тепловозного парка на детали и сборочные единицы цилиндропоршневой группы приходится до 30% всех неисправностей по дизелю. Основным источником таких неисправностей, их характер и особенности проявления, как показывает практика создания и эксплуатации таких тепловых двигателей, в значительной степени зависят от теплонапряжённости нестационарных режимов. Несмотря на значительное количество работ, посвящённых конструкции тепловых двигателей, их эксплуатации, техническому обслуживанию, ремонту и т.д., вопросы создания и совершенствования методов обеспечения эксплуатационных характеристик теплонапряжённых элементов тепловых двигателей, особенно на основе моделирования нестационарной теплопроводности не получили должного развития.

Учитывая значительный полигон тепловозной тяги на железных дорогах России, работы по совершенствованию теплового состояния деталей и сборочных единиц двигателей тепловозов являются актуальными. Актуальным и важным является также исследование механизма образования углеродистых отложений в каналах топливных и масляных систем и создание высокоэффективных методов и средств повышения работоспособности таких систем.

Работа выполнена в соответствии с основными направлениями развития и социально-экономической политики железнодорожного транспорта на период до 2005 года.

Целью исследования является повышение эффективности и ресурса тепловых двигателей путём разработки и внедрения методов обеспечения эксплуатационных характеристик теплонагруженных элементов на основе моделирования нестационарной теплопроводности, в том числе выявления, теоретического и экспериментального изучения важнейших закономерностей формирования локальных нестационарных температурных градиентов в элементах тепловых двигателей таких как стенка цилиндра дизеля, топливный коллектор или форсунка, и изучения закономерностей образования углеродистых отложений на стенках топливных каналов.

Задачи исследования. Для достижения поставленной цели в работе сформулированы и решены следующие задачи:

1. Выполнен анализ методов решения нелинейных краевых задач нестационарной теплопроводности и получены решения задачи нестационарной теплопроводности в многослойных конструкциях с несимметричными граничными условиями, таких как цилиндровая втулка дизельного двигателя, топливный трубопровод с теплоизоляцией и т.д. путём применением вариационного метода Канторовича.

2.Предложен метод построения координатных систем удовлетворяющих граничным условиям и условиям сопряжения при решении нестационарных задач теплообмена и теплопроводности для многослойных конструкций с использованием метода неопределённых коэффициентов.

3.Получено приближённое аналитическое решение задачи теплопроводности для многослойных конструкций при переменной во времени температуре среды с линейной, экспоненциальной и гармонической функцией изменения температуры внешней среды.

4. На основе метода построения координатных систем предложиены приближённые аналитические методы решения задач теплообмена при ламинарном и турбулентном течении жидкости.

5.Разработана математическая модель и получено аналитическое решение для определения скорости изменения концентрации растворённого в топливе кислорода,

активных радикалов и микрочастиц твёрдой фазы в зависимости от распределения температуры.

6.Проведено исследование влияния параметров, количества включений камеры сгорания и распределения температуры в тегаюнапряжённых элементах газотурбинного двигателя на образование углеродистых отложений. На этой основе разработаны мероприятия по уменьшения времени специальных испытаний по проверке работоспособности камер сгорания при увеличении ресурса газотурбинных двигателей или при изменении марки топлива.

7. Выбраны типы и разработаны методы нанесения защитных покрытий омываемых поверхностей от отложений накипи и коррозии. Проведены экспериментальные исследования влияния на образование углеродистых отложений покрытия поверхностей эмалью.

8. Выполнено исследование поля температуры на нестационарных режимах в стенке цилиндровых втулок дизеля 10ДН20,7/2*25,4.

Методы исследования. Исследования проводились методами математической физики, вычислительной математики и экспериментальной теплофизики. Математическое описание моделей базируется на современных представлениях о физических и химических процессах, протекающих в отдельных элементах систем тепловых двигателей в нестационарных условиях. Для нахождения критериальных параметров подобия в процессах использованы методы подобия и размерностей, а для получения количественных результатов - современная вычислительная техника. Экспериментальные исследования проводились на специально созданных стендах и при доводке реальных тепловых двигателей.

Достоверность полученных решений и результатов исследований обеспечивается обоснованностью использованных теоретических зависимостей, допущений и ограничений, корректностью постановки задач, применением рациональных математических методов решения задач и подтверждается качественным и количественным согласованием результатов теоретических исследований с экспериментальными данными, полученными как лично автором, так и другими исследователями, а также с результатами натурных испытаний

тепловых двигателей и положительным опытом внедрения разработанных методов и средств, повышающих эффективность и ресурс тепловых двигателей.

Научная новизна.

1. Получены аналитические решения задач нестационарной теплопроводности в многослойных конструкциях с переменными коэффициентами теплообмена при смешанных граничных условиях и нестационарных сопряжённых задач теплообмена при течении жидкости в каналах, с помощью которых выявлены новые особенности температурного состояние элементов тепловых двигателей и разработаны мероприятия по повышению их надёжности.

2. Разработана математическая модель образования углеродистых отложений в элементах топливных и масляных систем, учитывающая неравномерность температурных полей по сечению и длине каналов. В основу модели положен процесс окисления углеводородов растворённым в них кислородом. С использованием математической модели и на основании проведенных экспериментов выявлены новые и обобщены имеющиеся данные по динамике физико-химических процессов и получены количественные оценки влияния температуры, расхода углеводородной среды и содержания кислорода в ней на скорость образования углеродистых отложений.

3 Обоснован выбор конструкторских и технологических решений, направленных на повышение эффективности эксплуатации тепловых машин, в том числе автор диссертации был инициатором и занимал ведущее положение в создании следующих разработок:

- способ определения продолжительности плёночного кипения на стенках топливных каналов;

-метод диагностирования толщины слоя отложений на внутренних поверхностях каналов теплообменников -система приготовления и подачи в цилиндр дизеля во до-топливной эмульсии; -способ уменьшение накипи и углеродистых отложений в топливных каналах и каналах охлаждения дизеля путём алитирования и покрытия стенок эмалью;

-физико-химические и термические способы восстановления работоспособности элементов топливных систем от углеродистых отложений.

Апробация работы. Основные результаты диссертации поэтапно докладывались, обсуждались, одобрены и нашли отражение в материалах: ХП научно-технической конференции факультета математических знаний, посвященной 70-летию Великого Октября (г. Куйбышев: КПтИ, 1987 г.); УП Всесоюзной научно-технической конференции "Эксплуатационные свойства авиационных топлив, смазочных материалов и специальных жидкостей" г. Киев: КИИГА, 1989 г.); VI отраслевой научно-технической конференции "Автоматизированное проектирование авиационных двигателей" (г. Москва: ЦИАМ, 1989 г.); Межотраслевой научно-технической конференции "Проблемы функциональной диагностики газотурбинных двигателей и их элементов" (г.Харьков: ХАИ, 1990 г.); Всесоюзной межвузовская конференции по газотурбинным и комбинированным установкам (г. Москва: МВТУ им. Баумана, 1991 г.); X международного симпозиума по горению и взрыву (г. Черноголовка: Российская АН, 1992 г.); VIII научно-практической конференции "Опыт эксплуатации и пути совершенствования теплообменного оборудования" (г. Севастополь, ЦИАМ, 1992 г.); Межвузовской с международным участием НПК "За технический прогресс на железных дорогах" (г. Самара: СамИИТ, 1993 г.); Международной научно-технической конференции "Динамика систем, механизмов, машин" (г. Омск: ОмГТУ, 1995 г.); II Российской научно-технической конференции "Концепция развития и высокие технологии производства и ремонта транспортных средств" (г. Оренбург: ОГТУ, 1995 г.); II Международной научно-технической конференции "Актуальные проблемы развития железнодорожного транспорта" (г. Москва: МИИТ, 1996 г.); XXVI международного научно-технического совещания по динамике и прочности двигателей, посвящённого 85-летию со дня рождения Ген. конструктора акад. Н.Д. Кузнецова (г. Самара: СГАУ, 1996 г.); Межвузовской научно-технической конференции с международным участием "Взаимодействие института и предприятий транспорта в области подготовки специалистов и научных исследований" (г. Самара: СамИИТ, 1996 г.); Объединенной международной научно-технической конференции, посвященной памяти Генерального конструктора

аэрокосмической техники академика Н.Д. Кузнецова «Проблемы и перспективы развития двигателестроения в Поволжском регионе. Проблемы конструкционной прочности двигателей» (г. Самара: СГАУ, 1999, 2001, 2003 г.г.); Международной научно-технической конференции «Современные научно-технические проблемы транспорта России» (г. Ульяновск: УВАУГА, 1999); Международной научной конференции «Двигатели XXI века» (г. Москва, ЦИАМ, 2000 г.); XIII Всероссийской межвузовской конференции «Внутрикамерные процессы в энергетических установках, акустика, диагностика, экология» (г. Казань. Казанский филиал военного артиллерийского университета, 2001 г.); Научно-практической конференции «Инновации в эксплуатации и развитии инфраструктуры железнодорожного транспорта. Инновации ОАО «РЖД»», (г. Щербинка: ВНИИЖТ, 2004 г.); Региональной научно-практической конференции «Новейшие достижения науки и техники на железнодорожном транспорте, посвящённой 70-летию ЮжноУральской железной дороги» (г. Челябинск: ЮУЖД, 2004).

Публикации

Основное содержание диссертации отражено в 46 печатных работах, включая 1 монографию, 14 авторских свидетельств и объектов интеллектуальной собственности и 2 учебных пособия.

Структура и объём работы

Диссертационная работа состоит из введения, 7 глав, заключения, выводов, списка использованных источников и приложения. Материалы диссертации содержат 250 страниц основного текста, 67 рисунков, 5 таблиц и 3 приложения на 25 страницах. Список использованных источников содержит 159 наименований. Общий объём работы 275 страниц.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность работы, дана общая характеристика исследования.

В первом разделе приводится краткий обзор современного, состояли вопроса в области исследования тепломассообмена и образования углеродистых отложений применительно к элементам тепловых двигателей. Изучению вопросов передачи тепла посвящено значительное количество теоретических и экспериментальных

работ. Различные методы решения нестационарных задач теплопроводности рассматриваются и классифицируются в работах Лыкова A.B., Коздобы Л.А., Беляева И.М. и Рядно A.A., Идельсона A.M., Спэрроу Е.М.. Разработке приближённых аналитических методов решения задач теплопроводности посвящены работы Галёркина Б.Г., Канторовича Л.В., Когана М.Г., Михлина С.Г., Цоя П.В., Спэрроу Е.М., Рвачёва В.Л., Слесаренко А.П. и других исследователей. Из приближённых аналитических методов интенсивно разрабатываются и внедряются в расчётную практику прямые методы (вариационные и взвешенных невязок). Эти методы решения задач математической физики сводят решения систем дифференциальных уравнений к решению систем алгебраических уравнений и удобны с точки зрения анализа получаемых решений и их дальнейшего использования. Однако, применение этих методов для исследования полей температур на нестационарных режимах в многослойных конструкциях требует их дальнейшего развития.

Вопрос о рациональном выборе координатных функций для метода Канторовича рассмотрен в работах Акеева A.A., Дульнева Г.Н., Беляева И.М., Рядно

A.A., Темникова A.B., Крылова В.И., Колотилкина Д.И., Кудинова В.А., Шлыкова Ю.П. Сложность определения координатных функций состоит в том, что они должны удовлетворять следующим условиям: быть линейно независимыми, непрерывными и дифференцируемыми в рассматриваемой области, удовлетворять граничным условиям или исходному дифференциальному уравнению. В случае решения контактных задач они должны удовлетворять ещё условиям сопряжения. Вопрос применения координатных систем с вышеперечисленными свойствами, несмотря на большое количество работ по выбору координатных систем, тем не менее, исследован недостаточно полно для составных тел, состоящих из трёх слоев и более. Физические основы и вычислительные методы решения задач тепломассопереноса при ламинарном и турбулентном течениях жидкости в каналах, в том числе при наличии фазовых переходов, рассмотрены в работах Петухова Б.С., Лыкова A.B., Цоя П.В., Эккерта Э.Р., Себеси Т., Кейса В.М., Капиноса В.М., Бирюка

B.В.. Теория пограничного слоя, тепломассообмен и трение в турбулентном пограничном слое, теоретическая модель механизма турбулентного обмена в потоке

жидкости подробно рассмотрены в работах Шлихтинга Г., Кутателадзе С.С, Булеева Н.И., Гинзбурга И.П.. Однако методы решения задач тепломассопереноса и сопряжённых задач при течении жидкости в каналах также требуют дальнейшего развития. Большой вклад в разработку физико-химических основ применения углеводородных топлив внесли Дубовкин Н.Ф., Большаков Г.Ф., Чертков Я.В., Пискунов В.А.. Исследованию процесса закоксовывания трубопроводов топливной системы теплового двигателя при повышенных температурах, вопросам окисления и стабилизации реактивных топлив, кинетики образования пироуглерода и вопросам окисления углеводородов в сильнозабалластированных средах посвящены работы Денисова Е.Т., Ковалёва Г.И , Джиованетги А.Дж., Русакова М.М., Шетелы Э.Дж., Теснера_ П.А., Токарева Ю.М.. Вопросы непосредственного проектирования топливных систем тепловых двигателей с учётом устойчивости к протеканию процессов коксообразования в литературе практически не рассматриваются. На основании проведенного обзора сформулированы цель и основные задачи исследования.

Во второй главе представлены результаты исследования нелинейных задач нестационарной теплопроводности в многослойных конструкциях. При оценке тепловых режимов работы элементов тепловых двигателей возникает необходимость решения задач теплопроводности для многослойных конструкций. Так, например, топливный коллектор или трубопровод теплового двигателя состоит из стенки, тепловой изоляции и, в ряде случаях, слоя коксовых отложений. Цилиндровую втулку дизельного двигателя изготавливают из металла с коэффициентом теплопроводности Х\ = 50 Вт/м»К .

При длительной работе стенки цилиндра могут быть покрыты со стороны охлаждающей жидкости слоем накипи, а со стороны горячих газов слоем углеродистых отложений. Стенки каналов, кроме этого, со стороны потока жидкости могут быть покрыты различными материалами для защиты от коррозии и накипи, а со стороны горячих газов от воздействия тепловых потоков.

Краевая задача, содержащая дифференциальное уравнение теории поля (в том числе и теории теплопроводности), может быть заменена эквивалентной вариационной задачей о минимуме некоторого функционала, характеризующего

рассматриваемый процесс в интегральной форме Рассмотрена общая постановка задачи нестационарной теплопроводности в многослойных конструкциях и применение вариационного метода Канторовича для исследования нестационарных полей в составных телах.

Схемы многослойных фрагментов пластины и цилиндра приведены соответственно на рис. 1 и 2

Рис. 1 Схема многослойной пластины

Рис. 2 Схема многослойного цилиндра

Математическая постановка задачи при переменных в пределах каждого слоя теплофизических коэффициентах формулируется в виде следующей системы уравнений

а,

йРо а■ /У

др

дР .

а

(РоуО; р^<р<р,-, р0 =0; рт =1; 1 = 1т)

дР

Щ1Щ

гГ,{р,Ро) 8Т1+1(р,Го)

др '+! др (¡=1,т-1Х т др

= аг т

' (1)

а ■ т

где !'о = п 2 - число Фурье; а - наименьший из коэффициентов

Л

температуропроводности; I = 1,2,3 - соответственно для пластины, цилиндра и шара; г

р — —; т - число контактирующих тел.

Гт

Согласно методу Канторовича, приближённое решение задачи найдено в виде

Функция /к(Р°) (к = 1,и) определена из условия ортогональности невязки основного дифференциального уравнения задачи к каждой из координатных функций Ф* . Составим невязку £П1 дифференциального уравнения при

а.-я-

ар<

и потребуем

ортогональность невязки ко всем координатным функциям ^¿(р),

¿г/

а.-Я2

(р^р)<1р=О

Р-т О

I 1 %

/=Ч-1

Отсюда получаем систему обыкновенных дифференциальных уравнений первого

порядка X

А=1

т ■ I т а- я( е8ф-Ар\

■9и{р)<*р>

Ы; =

т А' р . -. . —.

I м I \ <р(р)<1р> (/=!,«»), (у,*=1,и).

Избыточная относительная температура в первом приближении запишется

ел(р,го)= = 1-е, ■<

Мл

N.

ьъ

Рл (р).

(2)

формулой &,№<>)=-£—^=1-с,-ехр

Для сформулированной задачи предложены способы построения координатных систем для контактных задач при расчете нестационарной теплопроводности. Рассмотрена многослойная пластина при несимметричных граничных условиях третьего рода.

На рис. 4. приведена схема многослойной пластины с несимметричными граничными условиями третьего рода.

а»

ц Тт

Ти ¿2 X. 1<Хт

б, бт X

Х1 Х1 -т

R

Рис. 4. Схема многослойной пластины с несимметричными граничными условиями третьего рода.

Задача нестационарной теплопроводности для многослойной пластины при несимметричных граничных условиях третьего рода описывается следующей системой уравнений

аро я-2

двЛх^о) „ д^Лх^о) /_ п . — п Л

-У ' = И.-Ч-'-{Ро>0, 1=1,т, х0=0, дгт=1);

ого дх^

0,.(,,оН; аМЦв,^; »^.^.Н/^

кг^гЛ^Н^ ^ 4+1 I } ^

)бщее решение задачи представляем в виде суммы двух 0, (х, Ро)=Ф, (х) + <р, (х, Го) (/ = 1, т)

0

= 1,ш-1). (3)

где функция фДх) является решением стационарной задачи теплопроводности

при неоднородных условиях, а щ(х,Ро) решением нестационарной задачи

теплопроводности с однородными граничными и неоднородными начальными условиями. Формула для координатной системы первого приближения

1+ШуХ

тух' 2*1

1+-

Вкх

В1т+2 т-2 —^—+ £

В1

т к=о

\Лт-к-1 Ят-к

2

2

+Н

1 ■ В1

Вг' +2 т-2

Е [1-я,_*-и]

2 "от ^»1—А—1

4

х2 [ (/=!,«), (¿=0,от-1)

/и к=о" \^т-к-Л ^т-к,

Приближённое решение задачи запишется в форме

0Ог(х,^о)=Ф/(х)+С1ехр(-г^о)71.(х). (/=йй) (4)

На рис. 5 приведены фафики изменение относительной температуры поверхностей двухслойной пластины во времени.

1 0 Рис. 5 Изменение

X = 0 | ^ Т относительной температуры

поверхностей двухслойной пластины во времени:

А - расчёт по формуле нулевого приближения;

° - расчёт по формуле (4) первого приближения;

- - результаты,

полученные в работе Беляева и Рядно, точное решение.

Задача нестационарной теплопроводности для многослойной пластины при симметричных граничных условиях третьего рода описывается следующей системой уравнений

Цр)

1 а

аРо а^др

ЩрЩ др

; (*>*>, piA<p<pl; i=p^fù, pm=l)

Л- ур ЛМ 8р ' ф (5)

Применяя метод Канторовича, решение задачи найдено в семействе линейной

: ТШ=/1 (г°)<ри + = й

композиции вида:

Число контактирующих тел равно двум, координатные функции для первого тела

<Pm-](p)=D

2 Bi+2-Bipl_^

Р ~лт--2

Ват~Рт-\

2 Вг + 2

Р

m

Координатные функции для второго тела ™ m

(Р)=ПЛ

m-1 7

Координатные функции для второго и последующих приближений находятся по

формуле %(p)=(^-/f)2(pi2-/f-l)2'"1 (г = 1^ ¿ = 2^) (6j

В качестве примера найдено распределение избыточной относительной температуры в двухслойной пластине при следующих исходных данных г, = 0,002 м; г2 = 0,006 м; а! = 12,5.1g"6 m2/с; а2 = 6.10^ м2/с; X, = 45,24 Вт/(м.К); Х2 = 16,24 Вт/(м.К); Bi = 2; toi = ta = tn- Избыточная относительная температура в первом

Ty(p,Fo)

приближении запишется в виде „—=Q ср

Т0 ~гср

Л/jjFo

N, |

Ч 11 у

^0=1,2)

После подстановки численных значений коэффициентов Мц, С] формула в нулевом приближении и в первом приближении соответственно принимает вид

%(р,/'О)=0,217ехр(-1,1097^)^1.(/7); (7)

^.(р,/-о)=0,2113ехр(-1,0623^)^(р) = (8)

На рис.6, приведены графики изменение относительной температуры в двухслойной пластине.

1-0 1

0,8

0,4 0,2

р = 0 ^

'р=1

Рис.6. Изменение относительной температуры в двухслойной пластине:

--точное решение

Д - расчёт по формуле (7) нулевого приближения;

расчёт по формуле (8) первого приближения;

о.в

1,5

2,5 3

Ро

В работе рассматриваются приближённые решения задач теплопроводности для многослойных конструкций при переменной во времени температуре среды. Особое внимание уделено выбору вида координатных функций. Ниже приведены решения, когда температура внешней среды является линейной, экспоненциальной и гармонической функцией времени. Выбор вида координатных функций рассмотрен на примере решения задачи теплопроводности для многослойных тел классической формы (пластина, цилиндр или шар) при граничных условиях второго и третьего рода с переменной во времени температурой среды. Математическая постановка задачи в общем случае имеет вид

^ аре [Ф

Мр)^

др

(ро>0; р{_х<р<р(, 1=1,/я; р0=0; рт=\)

(9)

Решение задачи найдено среди функций вида

тш^°)=тср{ро)щро)ф)+ £ 0'=Ь») где /к(Ро), (кЩ -

к=2

неизвестные функции; ^(р), (к-\,п, ¿=1,?и) - система координатных функций. Получена общая формула для координатной функции первого приближения

& к=О

Ля Ли Лп-k-l Ли-*.

fLk-l-^,

\ (и 0<г/<0;

где Н\г\) - функция Хевисайда, определяемая соотношением H(tj)={

[О, ~<»<7;<0.

(t]=i+k-m).

В работе также предложена общая формула для координатных функций, удовлетворяющих граничным условиям и условиям сопряжения не только в первом, но и в любом последующем приближении:

а 1=0 I Vm Vv J Л

где п - число приближений. Полученные выражения использовались при решении задач, когда температура внешней среды является линейной, экспоненциальной и гармонической функцией времени. Для проверки корректности предложенного метода построения координатных функций найдено решение конкретной задачи имеющей точное решение для двухслойной пластины при следующих исходных данных: г, = 0,002 м; г2 = 0,006 м; а, = 12,5-10"6 м2/с; а2= 6-Ю"6 м2/с; к, = 45,24 Вт/(м-К); Х2 = 16,24 Вт/(м-К); Т0, = Т02 = Т0 = const; Тср = const; Bi = 2; q^Fo) = 0; (i =1,2). Формула для избыточной относительной температуры в первом приближении принимает вид

Ч Т\i(P'Fo)~TCD ( Mi,Fo

%(p,Fo) = т__ = С| exp

T0 ~Tcp

N,

11

<рц(р)=

0,5884exp(-l,0621 Fo)q>,. (p)

> ('=1-2)

(10)

1х'

2 Р/

I ] <Р\АР)Лр

ЫХР1-1_

где ' 2

X I 9ц{р)ч> ц(р)<*р

Результаты расчетов по формуле (10) и их сравнение с точным решением приведены на рис. 7 в виде графиков изменения температуры в двухслойной пластине.

1,0 1-в 0,8

0,6

0.4

рш1

< г □ 1 П-0

' А у

> /

-г

Рис. 7. Графики изменения температуры в двухслойной пластине:

0,5

1.5

2,5 Ро

- точное решение; ■ расчет по формуле (10)

Найдено решение задачи (9) для случая, когда температура внешней среды изменяется во времени по линейному закону ТСр(т)=7, где Ь(К/с) - скорость изменения температуры среды. Путём введения безразмерных переменных:

©¿(дЯэ)——-—(г' = 1,т), где Рй - критерий Предводителева; к -

То

коэффициент аппроксимации [1/с]; ©(р,^>) - избыточная относительная температура начальное условие и граничное условие преобразованы к виду

©ДлоН (¡=Щ —■

Решение краевой задачи в первом приближении с учётом координатных функций и нахождения постоянных интегрирования из начальных условий получено в виде

®и(р,Ро)=Р<1\ро

М

I М11

1-ехр

М,

11

Ро

тАр)- Н'"1) (и)

Если положить \ —А>2 -■■■ > а1 ~а2 ~ат ' Ь — АТ,

где то формула (11) приводится к виду

IV' ; т _т 2 р0

Тср~Т0

1-ехр

5ВГ+15Вг 2В12+10В1+15

Ро

Р2

V.

Последнее выражение совпадает с формулой для избыточной относительной температуры в первом приближении, полученной в работе Цоя П.В. для однослойной пластины. Результаты расчетов температуры по формуле (11) для двухслойной пластины приведены на рис. 8.

Рис. 8. Графики распределения температуры в двухслойной пластине при линейном изменении температуры среды (Л= 2)

0,2 0.4 0,6

Рассмотрен случай, когда температура среды возрастает по экспоненциальному закону ^' где гм' максимальная

температура внешней среды; к - постоянная. С учетом обозначений

начальное условие и фаничное условие

Тм-Ч

третьего рода будут

В первом приближении получено решение

©у (р,Ро)=1-ехр(-Р с1Ро)-/] (Го) ^ (р). (ыЩ

Применяя метод Канторовича, избыточная относительная температура в первом приближении запишется формулой

% =1 -ехР(-») + (р) л 13)

где у{=Мп1Щх\ у2=МхШп-,

Распределение температуры для двухслойной пластины, найденное по формуле (13), приведено на рис. 9.

Рис. 9. Кривые распределения температуры в двухслойной пластине при экспоненциальном изменении температуры внешней среды (В» = 2, Рс1 = 2)

0,2 0,4 0,6 0.8 ®

Если температура внешней среды изменяется по гармоническому закону s'n <аг> где <o = 2v; v - частота колебания; - амплитуда колебания температуры внешней среды, введены следующие обозначения

Pd^/a, ^{рЩ^рЩ-Т^Тм. (НЦ

и начальное условие и граничное условие 3-го рода будут ©Др, 0)=0; W-4sin PdFo-®m (1, Fo)]=0 >

то решение краевой задачи в первом приближении разыскивается в виде

0b(/>,Fo)=sin PdFo-f^Fo)?^). (i=ü¿)

Применяя метод Канторовича, получена формула для избыточной относительной температуры в первом приближении

(p,Fo)=sinPdFo i f^Jv, exp (-^Fo)-^ eos PdFo-Pdsin PdFnj^p). = (14) v^+Pd

Для больших значений числа Фурье (квазистационарное состояние) решение (14) принимает вид Л

©1 i(pfo)-

v2pd

v^+Pd2

v, v*,Pd , . , —v

sin PdFo ' ¿ ^¡(p) eos PdFo. (i-l,m). (15)

v¡+PdV

Формулу (15) можно записать следующим образом

где А - амплитуда колебания температуры в многослойной системе

у\+Ра2-УгРй2^р)

у^+ра2

у?+Рс!2

\У^+РС!2+У2РС1\(Р)

Анализ выражения (16) позволяет заключить, что температура в любой точке многослойной системы совершает простое гармоническое колебание с той же частотой, что и температура внешней среды, но с отставанием от фазы колебания температуры внешней среды на величину Ч*.

Результаты расчета температуры по формуле (15) представлены на рис.10.

Рис. 10. Кривые изменения температуры в двухслойной пластине при гармоническом колебании температуры внешней среды (В' = 2, /У = 2)

В третьей главе представлены результаты разработки методов решения нестационарных сопряжённых задач теплообмена при течении жидкости и газа в каналах. Последовательность применения предлагаемого подхода рассмотрена на примере решения задачи теплообмена в плоскопараллельном канале при симметричных граничных условиях 1-го рода. Математическая постановка задачи имеет вид

(г>о, 0<р<1)

др

дг

т(р,о)=т0; ; т(о,2)=т; = Сот! ,

(17)

где

г Г, 0>СРВ-

Я а

Ре К'

координата, направленная вдоль

движения потока; г - координата, направленная поперек движения потока; г, р -соответствующие безразмерные координаты; Я - половина ширины канала; Т0 -температура среды на входе в канал; Т^ - температура среды при р = 0; Ре - критерий Пекле; тср - средняя скорость. Для решения задачи (17) при малых значениях координаты г (0 < г < 0,02) используется интегральный метод теплового баланса,

для значений 0,02 < г < оо - вариационный метод Л.В. Канторовича. Интеграл теплового баланса в данном случае имеет вид

\ Т(рл)др-Т(у8(г)

о

дТ(3,2) дТ(0,г) др Эр '

где 5(г) - неизвестная функция, называемая глубиной проникновения (глубина термического слоя). С учётом введения функции 8(т) и условий сопряжения прогретой и непрогретой зон избыточная относительная температура запишется формулой

Г(р,г)-Г, _ 2р р

(18)

Г0 -7, 3,464271 12г Результаты расчетов полей температур по формуле (18), в сравнении с точным

решением, представлены на рис. 11.

9

0,9 0,8 0,7 0,6 0,5

1

&/ 1 & ШУ

ш

1 / /У

Рис. 11. Распределение избыточной относительной температуры в плоскопараллельном канале; --точное решение;

о - расчет по формуле (18)

При ламинарном течении жидкости с учётом заданного профиля скорости

цг .д .

(1 -г)г и введения безразмерных параметров р = —,ре=-9£— , г --——, * Но Р€ Ие

где Я - ширина канала; Ре - критерий Пекле; - средняя скорость течения

жидкости, получено выражение для избыточной относительной температуры в

_гр

нулевом приближении получено в виде в{р,г)- ^ ' ®=р-3е~^г(]-р)р и в

сто 0

первом приближении в(р,2)=^~^-^--р-2,5е~7'7^2(1-р)р.

Тст~Т0

Получено решение нестационарной сопряжённой задачи теплообмена при турбулентном течении потока с постоянной по сечению скоростью. Математическая

постановка задачи включает уравнение энергии с соответствующими краевыми условиями

дТ(г,х, т) дТ(г,х,т) а дт °Р дх г

дТ(г,х,т) ^(?Т{г,х,т)

; (г>0; л>0; 0<г<Л) (19)

дг fr*

Т(г,х,0) = Тн = Const; Т(г,0,т) = Т0 = Const; ;

где Т -температура, х, г -координаты, направленные поперек и вдоль потока, т -время, Wq, -средняя скорость потока, Тн -температура жидкости при т = 0, Т0 -температура жидкости на входе в трубу (при х = 0). X, -эквивалентный коэффициент теплопроводности жидкости, а -коэффициент теплоотдачи, Тср - температура внешней среды, R -радиус трубы, а - коэффициент температуропроводности. С

учетом введения безразмерных переменных р~ о, , 2=-*-—, Ре= ср , В;=

я2 Ре R а лэ

и использования двукратного интегрального преобразования Лапласа - Карсона и метода Бубнова - Галёркина в оригиналах получено следующее решение

W-R

a-R

Tx(z,p,Fo)=

гф4(г«-гФ)Н

'-Fo

q\{p) при z>Fo

Tcp+y{h-TcpYx\-Yz Ф) "Р" z<Fo

(20)

где

Bi+4

Bi+4

F3 =

Дг2+6Д/+12 ,;2 •

45/ ^ - 6В/"

Верхняя строка формулы (20) совпадает с приближенным решением задачи при равенстве нулю конвективного члена в уравнении (19), то есть с решением чисто нестационарной задачи теплопроводности. Нижняя строка формулы (20) совпадает с приближенным решением соответствующей стационарной задачи. В этом случае равен нулю первый членов левой части уравнения (19). Таким образом, решение задачи в первом приближении приводит к двум независимым формулам для описания распределения температуры в жидкости. Физически этот факт можно объяснить следующим образом. Для областей канала, которых не достигло возмущение, вызванное начальной температурой жидкости Т0 на входе в канал (при X = 0), теплообмен происходит как бы в неподвижной жидкости, то есть теплота

передаётся только теплопроводностью. Для областей канала, подверженных влиянию температурных условий на входе в канал (бывшая на входе жидкость достигла этих областей), теплообмен не зависит от начального условия Тн и полностью определяется течением среды. Задача становится стационарной с учетом конвективного переноса теплоты по оси г.

Получено решение нестационарной сопряжённой задачи теплообмена при турбулентном течении потока с заданным профилем скорости. Предполагается, что жидкость движется в ламинарном режиме в пограничном слое и в турбулентном режиме в переходном слое и турбулентном ядре потока с известными (функционально заданными) профилями скоростей:

где 1 = 1 - турбулентное ядро; \ - 2 - переходный слой; 1 = 3- ламинарный пограничный слой; Ьь Ь2, - коэффициенты, определяемые в результате аппроксимации известных профилей скоростей; >Уср, - средняя скорость течения.

Математическая постановка задачи включает уравнение энергии с соответствующими краевыми условиями

начальная температура (при Ро = 0); Т01 - температура слоев жидкости на входе в канал (при г = 0); Тс - температура жидкости при р = 1.

К задаче (21) применено двукратное интегральное преобразование Лапласа-Карсона по безразмерному времени Ро и относительной координате т..

( \п

т; Ь (¡ = 1,2,3) к '1 ,

где Ргу^ 2=^Ре-1<$ ' безразмерные координаты; - критерий Пекле; а

наименьший из коэффициентов температуропроводности а> (' = 1'2>3);ТН,-

Первое приближение задачи (21), следуя методу Бубнова-Галеркина, найдено в виде

T\i{p^P)=Tc+h{S,P)<f\i{p), 0=1,2,3) где A(S,P) - неизвестный коэффициент-изображение; /р\,(р) - координатные функции, определяемые

(22) по формуле

¿=0

VXm-k-1 Лт-к

Переходя в область оригиналов решение краевой задачи (21) принимает вид

Tu(p,z,Fo)=--

Гс + -»-ехр 3

Fj

Гс+-^-ехр 4

-Fo

4>и(р) при z>-^-Fo;

(23)

-^J^wOO при

z<-

Fo.

Решена задача теплообмена применительно к топливному коллектору газотурбинного двигателя при следующих исходных данных: Toi = Т02 = Тоз = 43 °С; Тс = 120 "С; г, = 0,01975 м; г2 = 0,019948 м; г3 = 0,0002 м; X, = 1,232 Вт/м-К; h = 0,98 Вт/м-К; Х3 = 0,098 Вт/м-К; ai = 8,37-Ю'7 м^с; а2 = 6,67-Ю"7 м2/с; а3 = 6,67-10'8 м2/с; wcp) = 1,7 м/с; w^ = 0,85 м/с; wcp3 = 0,3 м/с; х = 4 м.

В результате аппроксимации табличных значений скорости в различных слоях потока получены следующие формулы: \8~

Ц882-0,5117 —

U.

Ф2

65,863-65,257 р-

Ъ)

ф^-р^КвЯр) (24)

Результаты расчёта в виде графиков изменения температуры в канале топливного коллектора теплового двигателя представлены на рис. 12.

При исследовании температурного состояния потока среды, движущегося в канале в некоторых случаях необходимо учитывать переменность температуры стенки канала по координате х, направленной вдоль движения потока.

тм

3)0

37О 350 330 3«

/

О 0,2 0,4 0,в 0,9«

0,98

7*

Рис. 12 График изменения температуры в канале топливного коллектора теплового двигателя

Рассмотрена задача, в которой зависимость температуры стенки от координаты принята линейной. Математическая постановка задачи в данном случае имеет вид

дТ

1W

1-

дх

--а

(д2Т 1 дГ

дг

2 гдг

О-

дТ дг

г=0

, (х^О; 0<r<,R; 0

(25)

где \Уср - средняя скорость течения жидкости; Я - радиус канала; а - коэффициент

температуропроводности; Т0 - температура жидкости на входе в канал; Тст -

температура стенки при х = 0; к - некоторая постоянная.

« I х „ 2Ш г Введены следующие безразмерные параметры г = ——, Ре =-; р = —.

Следуя методу Канторовича в окончательном виде получено решение задачи

\АЛтст~т0)

exp|-~z |Н1

(26)

По формуле (26) рассчитано температурное поле теплоносителя при следующих исходных данных R - 0,01 м; £ - 0,8 м; Wcp = 1,7 м/с; Т0= 30 °С ; Т^ = 171 °С. Температура потока топлива при р = 0,8 представлено на графике рис. 13.

Рис. 13. График распределения температуры в потоке топлива по длине трубы при р = 0,8

0,4 0,5

х[м]

В четвёртой главе представлены результаты исследования тепломассообмена

и образования углеродистых отложений при течении углеводородных топлив.

Предложены механизм и математическая модель процесса образования

углеродистых отложений. В некотором диапазоне температур образование

отложений вызывается жидкофазным окислением углеводородного продукта,

растворённым в нём кислородом. Реакция окисления углеводородов протекает по

радикально-цепному механизму и содержит множество элементарных стадий,

включая процессы взаимодействия с материалом стенок канала.

Модельная схема этого процесса имеет вид:

К К К ЯН+О-ЯН+Я-ЯН+Ут; Ут-^—>М(27)

где ЯН - для топлива, Л - для промежуточных продуктов, Ут - дня твёрдой фазы, М5 - углеродистые отложения.

На основании принятой модели (27) система уравнений баланса растворённого в топливе кислорода, активных радикалов и микрочастиц твёрдой фазы, из которых формируются отложения, записана в виде

„дСг „ „ „ 1 д (п ЗСИ ,.8Сг „ „ „ „ „ „ 1 а Г _ ЗСгЛ

ъс

Ц^'Щ %х)хЮ=с0' ^ (28)

где V - скорость потока топлива; Cg - концентрация кислорода; Сг - концентрация радикалов; Се - концентрация микрочастиц твёрдой фазы; Cf - концентрация топлива; Эг, Ээ - коэффициенты диффузии (учитывают молекулярный перенос массы и перенос массы путём турбулентных пульсаций) соответственно кислорода, радикалов и микрочастиц твёрдой фазы.

Скорости химических реакций зависят от температуры и определяются по

закону Аррениуса выражением ЛГ—^-ехр^--^^, (/=1,2)

где А, - константа скорости реакции; Е, - энергия активации; Я - универсальная газовая постоянная.

Распределение температуры в канале приближенно описано в виде

Т{х,г)=Т0+Т(^ Х+^-[\-в{г)'\, Где Тс=—изменение среднемассовой

температуры топлива по длине канала; х = - относительная длина канала; Ь -длина канала; д - плотность теплового потока на стенке; Р - коэффициент

теплоотдачи; й(г)=| [_ г - зависимость изменения температуры жидкости по

радиусу канала; п = 7- показатель степени в зависимости, описывающей профиль температуры.

Получено аналитическое решение системы уравнений (28).

С„ =С "ехр «т «у

Сс =с

ё0 а(Аг-1)х)

; сг -А'Н

-а-Х,

1) ч^

л) ехрие

с^р-Х

у {а Дед а

а а

, (29)

где а

а с £ с ь

Поток массы микрочастиц отложений из топлива на стенку определялся из

¿Сг

выражения

т

Масса отложений, толщина слоя отложений и перепад температуры на слое

J с -г Ос

отложений рассчитывались по формулам Ф г; ' т — —

Лг1". т _„ 6Н

где Ф - площадь поверхности, т - время процесса, р5 - плотность отложений, X« -коэффициент теплопроводности отложений.

На основании разработанной математической модели были составлены алгоритм и программа расчёта на ЭВМ температуры стенки канала и параметров в потоке топлива, отражающих процесс образования углеродистых отложений.

В работе приведены материалы по исследованию особенностей стационарных и нестационарных задач термоокисления углеводородов. Поскольку практически отсутствует тепловой эффект химических реакций термоокисления и изменением

теплофизических свойств топлива в процессе термоокисления можно пренебречь, уравнения гидродинамики не зависят от решения диффузионной задачи. Тепло-гидродинамический расчет может проводить отдельно, до решения диффузионной задачи. Локальные коэффициенты трения и теплоотдачи определялись по критериальным зависимостям. В области переходных чисел Рейнольдса определялись эффективные значения локальных коэффициентов

Ыи=Штурб +( Шлам~Ыитурб ) ехР где Яе, Яенп, Яекп, - числа Рейнольдса, соответственно текущее, начала и конца перехода.

Интенсификация теплообмена, вызванная турбулентностью набегающего

Ыи-г^грг 0 8 Яс Ти

потока, учитывалась зависимостью —1 уга =1+—----, где Ти= -—.

Ыи 1500+КеГм »

В нестационарных условиях, тепловой и гидравлический расчеты коллектора в

общем случае выполнялись в сопряженной постановке. Критерием сопряженности

Я б

задачи является число Брюна: Вг= ж ?тт Яс", где ш, п равны соответственно, 0,4

и 0,8 для турбулентного режима течения, и 0,33 и 0,5 - для ламинарного. Для исследуемых элементов конструкции тепловых двигателей число Вг « 0,01, что дает основания пренебречь перетеканием тепла по стенкам вдоль потока. Разработан численный метод решения задачи тепломассообмена и образования углеродистых отложений при течении углеводородов. Гидравлические и тепловые задачи решены численно с использованием ЭВМ методом конечных разностей. Уравнения записывались в явном виде (схема уголок). Уравнение ЪТ X д ¿574

Р„с„„——г— решено неявным методом по 4-х точечной 2-х слойной схеме. т Рт дт г дг дг

Источниковые члены в диффузионной задаче записаны в чисто неявном виде, для

С ЗТ дТ ( ^

уравнения в неявном с коэффициентом релаксации

0,5. Разностное уравнение для температуры топлива имеет вид:

-Ц1-Л

Re-Re,

Кек.п~Кен.п

■л!í *»

концентрации имеет вид:

/

8

mi +1m¡

li 4

Ч-

л

Г „Дг +/U

J-—

А т

1 Л*, P-D¡

п т п + 1 ~Ti+1 -

где /(--:-

„ДГ; „ 8—7/ \И+1

Cj-t-ui ^"^j-i"1- % \скср)- и Решалось неявно, в виде

/• \

д И +1 д г

1 + 2 о-й- + 1 + а-

>7 с d

Уравнение для

Ау?

г /

лу;

п т п + 1 _ т п 2Г г + 1 _ г

Последнее уравнение решено методом прогонки. Такая аппроксимация использовалась для расчета процессов в трубопроводе или в одной форсунке. Был реализован неявный метод расчета, что, при увеличении шага по времени, приводит не к потере устойчивости счета, а к потере точности именно на нестационарной стадии. Конечно-разностная аппроксимация уравнений в данном случае имеет вцд;

Для среднемассовой температуры

( «-Аг , ЛаТЛг\п+\=иЛттП+] 4аг-АттП+]

1+ —+-Ах р-ср

Ах

-Г;

г—1

р-Ср

w,i

Для концентраций

и-Ат 4/5Дг

1+:

Ах

Р-Ср

+ Дг1 kfk>i

Пп+1 пп и-Ат и+1

Ах

C0i1+Ar I kfk . . k=i

Для температуры стенки a¿ T"_ j1 + bi T" +1 + c- ТДj1 = d¡,

' 2 ' а,-Ат 4 '

АЯ R,/\R ar „

-Л, +—, a, -7} , R, - радиус.

' 2 ' ay- Дг !

Граничные условия ~-т,г J^l+IX^JÍt , i = N; í^+i-W1- -zf^r ,i= 1.

ДК \ X AK)n Xе ^ я ar/1 дл 2 a w

В пятой главе представлены результаты расчётно-экспериментальное исследование процесса образования углеродистых отложений в топливных каналах тепловых машин. С целью проверки корректности приведенной в четвёртом разделе математической модели процесса образования углеродистых отложений выполнено исследование расчётно-экспериментальным путём влияния на тепломассообмен начальной температуры топлива в диапазоне значений от 200 °С до 600 "С и расхода топлива от 0,001 кг/сек до 0,007 кг/сек. Результаты расчёта сравнивались с результатами экспериментов на установке. Эксперименты проводились на

электротермической установке разомкнутого контура с проточным рабочим участком (рис. 14).

воздух

р£Т П Н*]— 13

'Ь 2 А*

16 16 (?) <2>

]5 т.

16 <9

14

Ш

14

выхлоп

отбор I жидких проб

отбор

проб

газа

Рис. 14. Схема экспериментальной установки: 1 - бак закачки топлива; 2 - насосы; 3 - предохранительный клапан; 4 - фильтр; 5 -расходный бак; 6 - вентиль; 7 - трехходовой кран; 8 - штихпробер; 9 -уравнительный бак; 10 - теплообменник; 11 - кран с электроприводом; 12 - датчик расхода; 13 - электроконтактный манометр; 14 - термопара; 15 -электронагреватель; 16 - манометр; 17 - реактор; 18 - холодильник; 19 -регулировочный кран; 20 - топливогазовый отделитель; 21 - газовый счетчик; 22 -кран управления; 23 - сливной бак

На рис. 15 приведены графики зависимости температуры стенки от относительной длины канала при различной длительности прокачки-топлива. Сплошными линиями показаны результаты расчёта, а значками обозначены величины температур, полученные в результате эксперимента. Из рассмотрения графиков на рис. 15 видно, что значения температуры стенки канала, полученные в результате расчёта по формулам главы 4, хорошо совпадают с экспериментальными данными. Разница значений составляет не более 5 %. Приведенные на рис. 16

данные свидетельствовали о том, что образование углеродистых отложений зависит от концентрации растворённого в топливе кислорода и, как следствие, от концентрации промежуточного продукта - активных радикалов. На рис. 17 приведены графики зависимости изменения температуры стенки от начальной температуры топлива. Увеличение температуры топлива на входе в трубопровод приводит к росту скорости увеличения температуры стенки канала и смещает максимум скорости к началу обогреваемого участка. Зависимость изменения температуры стенки канала от расхода топлива приведена на графиках рис. 18 Влияние расхода топлива на интенсивность образования отложений в разных диапазонах расхода топлива не однозначно. С одной стороны, увеличение скорости потока топлива уменьшает время пребывания топлива в зоне реакции, а с другой возрастает масса кислорода, участвующего в процессе окисления, и интенсифицируется процесс турбулентного обмена. Если параметры потока таковы, что растворённый в топливе кислород успевает прореагировать, то увеличение расхода топлива приводит к росту количества отложений и скорости перегрева стенки канала (кривые I, 2, 3 и 4). При значительном увеличении расхода топлива и скорости потока только часть кислорода, успевает прореагировать и количество углеродистых отложений уменьшается (кривая 5). 7* т

то

в 00

600

«Г К*

" N. N

Ч' Л,

1' \ ладу, \ у Щт

/ I

0,25 0.5 ф* X

Рис. 15. Зависимость температуры стенки от относительной длины канала:

1-2 часа 12 мин., 2 -4 часа 32 мин. 3 ■ 5 час.

Режим испытания: Т0 = 370°К, = 1,45'Ю6 вт/ м2. в = 2-10"3 кг/сек.

0,15 &

0?5

Рис. 16. Зависимости изменения относительных концентраций кислорода, активных радикалов и отложений: Т0 =370°К, = 3-106 вт/ м2. в = 3-10"3 кг/сек.

Иж

w

7S 50 IS

л?

// V7 V

US > ч

Its

№

Рис. 17. Зависимость изменения температуры стенки от начальной температуры топлива: 1 = 300°К; 2 - 400°К; 3 - 500°К; 4 -600°К.

Рис. 18. Зависимость изменения температуры стенки от расхода топлива: 1 -1»10"3 кг/сек., 2 - 2»10'3 кг/сек., 3 -3*10"3 кг/сек., 4 - 6*10"3 кг/сек., 5 - 7-10"3 кг/сек.

В работе приведены результаты расчЭтно-эксперименталъного исследования процесса образования углеродистых отложений в форсунке дизеля. Работа форсунки зависит от многих параметров. Наиболее существенным из них является высокий уровень температур в районе отверстий. На рис 19 представлена схема распылителя форсунки дизеля ПД1М.

.а

V * 8.001*5 си

Рис. 19. Схема рабочей части распылителя двигателя ПД1М

ч=0.913 см

Важными факторами в процессе образования углеродистых отложений в полостях форсунки являются уровень и распределение значения температуры в потоке топлива, характер протекание топлива по ее каналам и время прогрева. В табл. 1 приведены данные по длительности цикла (тпрогр) в зависимости от частоты вращения двигателя (Ид).

Таблица 1

Зависимость длительности цикла от частоты вращения

об Частота вращения вала двигателя ид,- мин 740 550 400 275

Общая длительность цикла, [с] 0,081 0,109 0,150 0,218

Длительность впрыска, Гс1 0,0045 0,006 0,0083 0,012

Длительность прогрева тпоогп, [с] г— ._й.Ш...... . ,0.2.12..... 0,292 0,424

ОС ЫАЦМ1 ¡ШАЛЫМ) 1

БИБЛИОТЕКА I С.Пет*рйууг 1 •> М» мг

Получено следующее выражение для расчёта распределения температуры в

й ~~t прогретом слое —-=e/-/(z) или ——--erf (z). Результаты расчетов глубины

О о *s ~ (о

термического слоя в потоке топлива в зависимости от оборотов двигателя приведены в табл. 2.

Таблица 2

Результаты расчета глубины прогрева топлива _

Обороты пг, [об/мин1 740 550 400 275

Длительность тпоог, |cl 0,158 0,212 0,292 0,424

Глубина прогрева, мм 1,8 2,086 2,446 2,950

Приведены графики распределения температуры топлива по сечению канала на различных режимах работы дизельного двигателя (рис. 20).

0,0 0,90 1,80

Толщина прогетого слоя, мм

Рис. 20. Распределение температуры топлива в канале в зависимости от температуры стенки форсунки при частоте вращения коленчатого вала дизеля ПД1М, равной 740 об/мин.

о = 400 °С; □ - ^ = 300 °С; = 300 "С.

На номинальных и форсированных режимах работы двигателя топливо в полости распылителя обновляется полностью и прогретый до 135° С слой топлива у стенки канала может достигать размера 0,35 мм. Таким образом, результаты расчетных исследований обеспечили формирования достаточно глубокого понимания процессов, протекающих в распылителе. На основе этой информации в дальнейшем с минимальными затратами разработаны мероприятия, обеспечивающие снижение интенсивности смолообрзования в полости распылителя и повышение тем самым надёжности работы дизеля в целом.

Шестая глава посвящена исследованию тепловых режимов охлаждаемых элементов цилиндров дизелей. Оценки параметров потока воды в системе охлаждения цилиндров тепловозных дизелей показали, что скорость движения воды в зависимости от режима изменяется в диапазоне от 0,5 до 4 м/с. Такой диапазон скоростей воды относится к области преимущественного действия на теплообмен пузырькового кипения. Конвекция начинает оказывать существенное влияние на теплообмен в условиях кипения при скоростях потока воды больших 20...30 м/с. Для возникновения парового пузыря необходим некоторый перегрев жидкости выше температуры насыщения ts. Минимальное значение перегрева (tw - ts), при котором начинают возникать паровые пузырьки, зависит от вида и чистоты жидкости, давления и наличия центров парообразования. Факторы, влияющие на составляющую теплового потока, отводимого посредством кипения, определены экспериментально при трёх значениях плотности теплового потока. Эксперименты проводились на стеклянном термостойком канале с электрическим подогревом.

На основании результатов эксперимента предложена зависимость, по которой можно рассчитывать коэффициент теплоотдачи при пузырьковом кипении воды

а = 4,4^(^+1,4-lffV), (30)

где [q] = Вт/м2; [р] = МПа; [а] = Вт/(м2«К). Диапазон использования: р = 0,1.. .20 МПа; q < 0,4 Вт/м2.

Приведены результаты исследования теплового состояния стенки цилиндра дизеля при образовании накипи. Специфические условия работы тепловозных дизелей являются причиной больших температурных и механических напряжений в деталях цилиндро-поршневой группы. Высокие температурные и механические напряжения вызывают появление в гильзах трещин, в том числе в адаптерной зоне (сечение А-А на рис. 21) и надиров на рабочей поверхности.

Коэффициент теплопроводности чугуна, из которого изготовлена втулка цилиндра, при температуре 150 °С равен 1= 50 Вт/(м2-К). Определена температура стенки цилиндра со стороны газа и со стороны каналов охлаждения в сечениях А-А и Б-Б в вариантах без накипи и с накипью толщиной до 2 мм.

А Те- 353 К 0е=4000 Bm/WK)

Те- 353 К ССв- 5000 Bm/И К)

Рис. 21. Схема стенки цилиндра дизеля 10ДН20,7/2.25,4

Приведены результаты расчётов влияния скорости воды на температуру стенки со стороны газа tri и со стороны воды tc2 на различных режимах работы дизеля. На рис. 22 приведена такая зависимость для 15 позиции контролера. Получена зависимость температуры стенки со стороны газа tcj и со стороны воды fe (рис. 23) на 15 позиции к онтролера от скорости течения воды и толщины отложений.

t,°c

250

t,°c

200 150 100 50

.4

t Ci

3

w, м/с

Рис 22 Влияния скорости воды на

температуру стенки со стороны газа 1с1

и со стороны воды на 15 позиции контролера

210 190 170 150 130 110 90

I

-8 = 2 MM

\ MM

N V

\ V4

5 = o.nsr i

8 = 0 ----I____

0,5

1,5

2,5 3 W.rfc

Рис. 23. Изменение температуры стенки цилиндра со стороны воды tc2 на 15 позиции контролера от скорости воды и толщины слоя накипи Исследование температуры поверхности канала охлаждения выявили, что имеются участки в канале охлаждения, на которых возможно кипение воды в по]раничном слое. Процесс пузырькового кипения приводит к образованию на

охлаждаемой поверхности участков с накипью, которая в свою очередь уменьшает теплоотдачу и приводит к интенсификации процесса пузырькового кипения и, как следствие, к более интенсивному процессу образования накипи.

Приведены результаты исследования поля температуры на нестационарных режимах в пограничном слое патока охлаждающей жидкости и в стенке цилиндра дизеля 10ДН20,7/2.25,4. Получено решение задачи нестационарной теплопроводности двухслойной пластины при неоднородных граничных условиях 1-го и 3-го рода.

За основу принята математическая постановка задачи с заменой со стороны жидкости граничных условий 3-го рода на граничные условия 1 -го рода.

. [,:,гМ ^=0, Г„=1); (31)

где: ®(х,Гоу- ^ I~~Т' - относительная избыточная температура; * =—- безразмерная тСГтО\ к

координата; й = х2 - определяющий размер; Ро = число Фурье; Та, ТС2 -

И.

температуры сред; р=тС\~т<к_ . безразмерная температура; - критерий Био;

та~то\ \

- безразмерный „ро„р_ „ - в

Т —Т

коэффициентов температуропроводности; и=-с-—- безразмерная температура;

ТСГТ01

То, - начальная температура.

По аналогии с методом, приведенным в разделе 2 получено решение задачи,

©0/(х,/о)=Ф/(х)+С] ехр(-1//го)^Дх). (г=й) (32)

На рис. 24 приведён график изменения температуры стенки цилиндра со стороны газа при увеличении режима работы дизеля 10ДН20,7/2.25,4 с 0 до 15 позиции контролера. Видно, что температура выходит на стационарный режим примерно за 30...40 секунд. Анализ сходимости экспериментальных данных и результатов расчёта показывает удовлетворительную сходимость. Расхождение значений температур не более 5 %.

Рис. 24. График изменения температуры стенки цилиндра со стороны газа при увеличении режима рабогы дизеля 10ДН20,7/2.25,4 с 0 до 15 позиции контролера: - расчёт по формуле (32) 2 - измерение на дизеле.

В седьмой главе представлены результаты расчётно-экспериментальных исследований конструктивно-технологических путей обеспечения оптимального распределения температуры в элементах тепловых двигателей. В том числе предложены:

• способ определения продолжительности плёночного кипения на стенках топливных каналов;

. метод диагностирования толщины слоя отложений на внутренних поверхностях каналов теплообменников

. система приготовления и подачи в цилиндр дизеля водо-топливной эмульсии;

• способ уменьшение накипи в каналах охлаждения дизеля путём алитирования со стороны охлаждения и покрытия стенок эмалью со стороны газов;

• физико-химические и термический способы восстановления работоспособности элементов топливных систем от углеродистых отложений.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В результате выполненного комплекса теоретических и экспериментальных исследований решена важная научно-техническая проблема повышения эффективности и ресурса тепловых двигателей путём разработки и внедрения методов обеспечения эксплуатационных характеристик теплонагруженных элементов на основе моделирования нестационарной теплопроводности, базирующихся на выявлении, теоретическом и экспериментальном изучении важнейших закономерностей формирования локальных нестационарных температурных градиентов в элементах тепловых двигателей таких как цилиндровая втулка дизеля, топливный коллектор или форсунка, и изучении закономерностей образования углеродистых отложений на стенках топливных каналов.

Основные результаты работы:

1. Получены новые решение задач нестационарной теплопроводности в многослойных конструкциях с несимметричными граничными условиями, таких как цилиндровая втулка дизельного двигателя, топливный трубопровод с теплоизоляцией и т.д.

2. С целью дальнейшего совершенствования приближенных аналитических методов решения нестационарных задач теплообмена и теплопроводности для многослойных конструкций разработан новый метод построения координатных систем точно удовлетворяющих граничным условиям и условиям сопряжения. Координатные системы построены с использованием метода неопределённых коэффициентов.

3. Получены новые приближённые аналитические решения задачи теплопроводности доя многослойных конструкций при переменной во времени температуры среды с линейной, экспоненциальной и гармонической функцией температуры внешней среды. Получены приближённые аналитические зависимости для исследования теплового состояния многослойных элементов топливных систем камер сгорания на нестационарных режимах. На основе полученных зависимостей показана эффективность применения теплоизоляции и интенсификация теплоотдачи со стороны жидкости для сокращения времени переходного процесса при

включении подачи топлива и разработана "Система подачи топлива в дополнительную камеру ГТД" (A.C. №1434873).

4. На основе метода построения координатных систем получены новые приближённые аналитические методы решения задач теплообмена при ламинарном и турбулентном течении жидкости.

5. Разработана математическая модель и впервые получено аналитическое решение для определения скорости изменения концентрации растворённого в топливе кислорода, активных радикалов и микрочастиц твёрдой фазы в зависимости от распределения температуры.

6. Проведено исследование влияния количества включений камеры сгорания и распределения температуры в теплонапряжённых элементах газотурбинного двигателя на образование углеродистых отложений. По результатам исследований разработаны мероприятия по уменьшения времени специальных испытаний по проверке работоспособности камер сгорания при увеличении ресурса газотурбинных двигателей или при изменении марки топлива

7. Для уменьшения отложений накипи и коррозии поверхностей выбраны типы и разработаны методы нанесения защитных покрытий. Экспериментальным путём доказана эффективность покрытия омываемых углеводородами поверхностей эмалью ЭВ-300-60М.

8. Для выявления причины образования трещин выполнено исследование поля температуры на нестационарных режимах в цилиндровой втулке дизеля 10ДН20,7/2*25,4. Анализ сходимости экспериментальных данных и результатов расчёта показывает удовлетворительную сходимость. Разница значений температур не более 5 %. На основании исследований выявлен механизм образования трещин.

Использование методов обеспечения эксплуатационных характеристик теплонапряжённых элементов тепловых двигателей позволило получить годовой экономический эффект только в ОАО «Самарское конструкторское бюро машиностроения» 19 миллионов 850 тысяч рублей в ценах 2004 года. Эффект получен от экономии материальных (в основном топлива) и трудовых ресурсов при уменьшении времени испытания и уменьшения досрочного возвращения на ремонт тепловых двигателей.

Основное содержание и результаты работы отражены в следующих публикациях:

1. Росляков А.Д. Теплообмен в двигателях внутреннего сгорания. - Самара: СамГАПС, 2004. - 157 с.

2. Носырев Д.Я., Скачкова Е.А., Росляков А.Д. Выбросы загрязняющих веществ тепловозными дизелями в условиях эксплуатации. Учебное пособие для студентов специальности 150700-Локомотивы.-Самара: СамГАПС, 2003. -102 с.

3. Экологическая безопасность тепловозных дизелей в эксплуатации. Учебное пособие для студентов специальности 150700 - Локомотивы/ Носырев Д.Я., Сковородников Е.И.,. Скачкова Е.А, Росляков А.Д. -Самара: СамГАПС, 2004. -139 с.

4. Кудинов A.A., Росляков А.Д.,. Жидков A.B. Теплотехнический расчет наружных ограждений на ЭВМ, Методические указания к курсовой работе по строительной теплотехнике и дипломному проектированию. - Ульяновск: УлПИ, 1993.-40 с.

5. Росляков А.Д., Молчанов Н.М., Постников А.М. и др. Способ очистки коллектора дополнительной камеры сгорания газотурбинного двигателя. А.с.1401962 от 8 февраля 1988 г., ДСП.

6. Росляков А.Д., Левичев Н.И., Кудинов В.А. Система подачи топлива в камеру сгорания газотурбинного двигателя. A.c. 1434873 от 24 декабря 1988 г.

7.Росляков А.Д., Аксенов А.Ф., Яновский Л.С. и др. Топливная система летательного аппарата с ВРД. A.c. 295947 от 1 июня 1989 г.

8. Росляков А.Д., Яновский Л.С. и др. Способ химико-термической обработки внутренней поверхности трубопроводов. A.c. 1649825 от 15 января 1991 г.

9. Росляков А.Д., Носырев Д.Я., Скачкова Е.А. Роторно-диспергирующий аппарат. Патент на полезную модель № 35081 от 19 августа 2003 г.

Ю.Росляков А.Д., Носырев Д.Я., Скачкова Е.А.. Перемешивающее устройство. Патент на полезную модель № 38300 от 24 февраля 2004 г.

П.Росляков А.Д., Носырев Д.Я.. Метод и программное обеспечение расчета теплонапряженного состояния элементов машин в условиях циклического нагружения. Интеллектуальный продукт, зарегистрирован ВНТИЦ 25 июля 2002 г, свидетельство №73200200134.-М.: ВНТИЦ. 2002.

12. Росляков А.Д., Носырев Д.Я., Щербицкая Т.В. Методика и программа аэродинамического объемного расчета течения в каналах тепловых двигателей. Интеллектуальный продукт, зарегистрирован ВНТИЦ 25 июля 2002 г, свидетельство №73202100132.-М.: ВНТИЦ. 2002.

1 З.Росляков А.Д., Носырев Д.Я.,. Скачкова Е.А. Физико-химическая модель образования кокса в каналах топливных систем тепловозных машин и программа расчета. Интеллектуальный продукт, зарегистрирован ВНТИЦ 25 июля 2002 г, свидетельство №73200200131.-М.: ВНТИЦ. 2002.

14. Кудинов В.А., Росляков А.Д. Построение координатных систем при решении задач теплопроводности для многослойных конструкций. Изв. вузов "Авиационная техника" - Казань: КАИ, 1986, № 3.

15. Кудинов В.А., Кудинов A.A., Росляков А.Д. Приближённые решения задач теплопроводности для многослойных конструкций при переменных во времени граничных условиях. Инж. физический журнал - Минск: т.51, N1, 1986. деп. ВИНИТИ, №1182-В 86 -18 с.

16.Кудинов В.А., Росляков А.Д. Приближённый расчёт теплообмена при турбулентном кипении жидкости. Сб. Математическое моделирование теплообмена в технологических процессах и установках. - Куйбышев: КПТИ, 1987.

17.Кудинов В.А., Росляков А.Д. Приближённые методы решения, нестационарных задач теплопроводности для многослойных конструкций. Изв. вузов "Энергетика" - Минск, 1987. № 12.

18.Кудинов В.А., Росляков А.Д. Приближённое решение задачи теплообмена при ламинарном течении в плоскопараллельном канале. Высокотемпературные охлаждаемые газовые турбины двигателей летательных аппаратов, Межвузовский сб. - Казань: КАИ, 1987.

19. Росляков А.Д., Савченко В.П., Желюнов С.И. Интенсификация процесса очистки форсунок и коллекторов ГТД. Проектирование и доводка авиационных газотурбинных двигателей: сб. научных трудов, - Куйбышев: КуАИ, 1987.

20. Кудинов В.А., Росляков А.Д., Пеньков В.Ф., Черняева Л.Ф. Метод эквивалентных сопротивлений в задачах теплопроводности для многослойных тел. Инж. физ. журнал т.56 № 1. - Минск: 1989. Деп. ВИНИТИ, № 6160-В88. 15 с.

21.Кудинов В.А., Росляков А.Д., Пеньков В.Ф. Приближённый аналитический метод решения стационарных многомерных задач теплопроводности для тел произвольной формы. Теплообмен и трение в двигателях и энергетических установках летательных аппаратов, - Казань, КАИ, 1988.

22. Кудинов В.А., Росляков А.Д., Смагин Н.В. Приближённое решение нестационарных задач теплопроводности для многослойных тел с переменными свойствами. Инж. физ. журнал, т.56 № 1,- Минск: 1989. Деп. ВИНИТИ, № 6160-В88. 15 с.

23. Кудинов В.А., Росляков А.Д., Пеньков В.Ф., Денисов А.Ю. Приближённые решения двумерных задач нестационарной теплопроводности для многослойных конструкций. Инж. физ. журнал - Минск: т. 56 № 1,1991.

24.Кудинов В.А., Росляков А.Д., Воробьёв Б.В. Денисов Ю.А. Решения нестационарных трёх мерных задач теплопроводности для многослойных тел. Изв. АН СССР, Энергетика и транспорт, - М.: 1991, № 3.

25. Росляков А.Д., Носырев Д.Я. Расчетное исследование теплофизических состояний элементов форсунки дизеля. Исследование и разработка

ресурсосберегающих технологий на железнодорожном транспорте / Межвузовский сборник научных трудов с международным участием. - Вып. 19. - Самара: СамИИТ, 1999. с. 141-143.

26. Росляков А.Д., Носырев Д.Я., Малейкина H.H. Оценка показателей достоверности алгоритмов системы контроля и диагностирования тепловозных дизелей по параметрам рабочих процессов. Исследование и разработка ресурсосберегающих технологий на железнодорожном транспорте / Межвузовский сборник научных трудов с международным участием. - Вып. 19. - Самара: СамИИТ, 1999. с. 144-146.

27.Носырев Д.Я., Росляков А.Д., Керенский A.M. Сглаживание индикаторной диаграммы. Межвузовский сборник научных трудов с международным участием «Исследование и разработка ресурсосберегающих технологий на железнодорожном транспорте». Выпуск 21. - Самара: СамИИТ, 2001. -С. 193-195.

28. Носырев Д.Я., Росляков А.Д. Характеристики процесса самовоспламенения и горения в дизелях. Межвузовский сборник научных трудов с международным участием «Исследование и разработка ресурсосберегающих технологий на железнодорожном транспорте». Выпуск 21. - Самара: СамИИТ, 2001. -С. 195-198.

29.Носырев Д.Я., Росляков А.Д, Щербицкая Т.В. Диагностическая модель системы воздухоснабжения тепловозного дизеля. Межвузовский сборник научных трудов с международным участием «Исследование и разработка ресурсосберегающих технологий на железнодорожном транспорте». Выпуск 21. -Самара: СамИИТ, 2001. -С. 201-204.

30. Росляков А.Д., Носырев Д.Я. Работоспособность резьбовых соединений при термоциклических нагрузках. Исследования и разработки ресурсосберегающих технологий на железнодорожном транспорте: Межвузовский сборник научных трудов с международным участием. Под редакцией д-ра техн. Наук В.Н. Яковлева. -Выпуск 23. - Самара: СамИИТ, 2002. - С.212-215.

31.Росляков А.Д., Носырев Д.Я., Анфилофьев Б.А., СкачковаЕ.А. Обеспечение надёжности и безопасности с учётом циклических нагружений. Безопасность транспортных систем / Труды третьей международной научно-практической конференции. 22-25 мая 2002 г. - Самара: РВО МАНЭБ, 2002. С. 218-223.

32.Росляков А.Д., Носов А.Н. Модель теплоотдачи при кипении. Сб. докладов региональной научно-практической конференции «Новейшие достижения науки и техники на железнодорожном транспорте». - Челябинск, ЮУЖД, 2004. С. 48.. .56.

33.Росляков А.Д., Носов А.Н. Тепловое состояние стенки цилиндра дизеля при образовании накипи. Сборник научных трудов с международным участием. Актуальные проблемы развития транспортных систем Российской федерации. Часть 2. - Самара: СамГАПС, 2004, - С. 56-60.

44

»2587*

34.Росляков А.Д., Носырев Д.Я., Скачкова Е.А. Математическая модель образования слоя углеродистых отложени*4"" тпптшиннх каналов. Сборник научных трудов с международным у

транспортных систем Российской федер

С. 47-51. РНБ Русский фонд

35.Росляков А.Д. Расчёт нестацион!

Сборник научных трудов с междуна О О/С С А

развития транспортных систем Роса ¿¿^УЗиУ)

СамГАПС, 2004, - С. 52-55.

36.Росляков А.Д., Астраханский А.Ю. Некоторые особенности теплоотдачи от рабочего тела к стенкам камеры сгорания. Актуальные проблемы и перспективы развития железнодорожного транспорта: Материалы региональной научно-практической конференции, посвящённой 130-летию Куйбышевской железной дороги. Часть 1. -Самара: СамГАПС, КБШ ж.д., 2004. С. 87-89.

37.Росляков А.Д., Носов А.Н. Уменьшение накипи в каналах охлаждения дизеля путём алитирования и покрытия стенок эмалью. Актуальные проблемы и перспективы развития железнодорожного транспорта: Материалы региональной научно-практической конференции, посвящённой 130-летию Куйбышевской железной дороги. Часть 1. -Самара: СамГАПС, КБШ ж.д., 2004. С. 141-143.

38.Росляков А.Д., Носов А.Н. Очистка каналов охлаждения дизелей от накипи. Актуальные проблемы и перспективы развития железнодорожного транспорта: Материалы региональной научно-практической конференции, посвящённой 130-летию Куйбышевской железной дороги. Часть 1. -Самара: СамГАПС, КБШ ж.д., 2004. С. 160-163.

Кроме перечисленных работ, в диссертации использованы ещё 8 научных публикаций автора.

Росляков Алексей Дмитриевич // /

Методы обеспечения эксплуатационных характеристик теплонапряжённых элементов тепловых двигателей на основе моделирования нестационарной

теплопроводности 05.04.02-Тепловые двигатели

Подписано в печать 29.11.2005. Формат 60x90 Vi6. Бумага писчая. Печать оперативная. Усл. печ. листов 2,5. Тираж 100 экз. Заказ № 172.

Отпечатано в Самарской государственной академии путей сообщения. 443022, г. Самара, Заводское шоссе,18.

дизеля 10ДН20,7/2.25,4 и в погранич!

ВВЕДЕНИЕ

1 • ОБЗОР РАБОТ В ОБЛАСТИ ТЕПЛОМАССОПЕРЕНОСА ПРИМЕНИТЕЛЬНО К ИССЛЕДОВАНИЮ РЕЖИМОВ ^ ТЕПЛОВЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ. Методы решения задач нестационарной теплопроводности в многослойных конструкциях. ' Обзор работ по методам решения задач при течении жидкости в каналах.

Современное состояние вопроса в области исследования образования углеродистых отложений в топливных каналах

ВЫВОДЫ.

2. МЕТОДЫ РЕШЕНИЯ ЗАДАЧ НЕСТАЦИОНАРНОЙ ТЕПЛОПРОВОДНОСТИ В МНОГОСЛОЙНЫХ КОНСТРУКЦИЯХ.

2.1. Общая постановка задачи и применение вариационного метода Канторовича для исследования нестационарных полей в составных телах.

2.2. Способы построения координатных систем для контактных задач при расчёте нестационарной теплопроводности.

2.2.1. Многослойная пластина при несимметричных граничных условиях третьего рода. fr 2.2.2. Симметричные граничные условия.

2.3. Приближённые решения задач теплопроводности для многослойных конструкций при переменной во времени температуры среды.

ВЫВОДЫ.

3. МЕТОДЫ РЕШЕНИЯ НЕСТАЦИОНАРНЫХ СОПРЯЖЁННЫХ ЗАДАЧ ТЕПЛООБМЕНА ПРИ ТЕЧЕНИИ ЖИДКОСТИ И ГАЗА В КАНАЛАХ. ф 3.1. Ламинарное течение в плоскопараллельном канале с постоянной по сечению скоростью.

3.2. Ламинарное течение с заданным профилем скорости.

3.3. Теплообмен при турбулентном течении потока с постоянной по сечению скоростью.

3.4. Теплообмен при турбулентном течении жидкости с заданным профилем скорости.

3.5. Расчёт поля температуры в потоке жидкости при переменной температуре стенки канала.

ВЫВОДЫ.

4- ТЕПЛОМАССООБМЕН И ОБРАЗОВАНИЕ УГЛЕРОДИСТЫХ

ОТЛОЖЕНИЙ ПРИ ТЕЧЕНИИ УГЛЕВОДОРОДОВ.

4.1. Механизм и математическая модель процесса образования углеродистых отложений.

4.2. Стационарные и нестационарные задачи окисления углеводородов.

4.3. Метод решения задачи тепломассообмена и образования углеродистых отложений при течении углеводородов.

ВЫВОДЫ.

5. РАСЧЁТНО-ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССА ОБРАЗОВАНИЯ УГЛЕРОДИСТЫХ ОТЛОЖЕНИЙ В ТОПЛИВНЫХ КАНАЛАХ ТЕПЛОВЫХ МАШИН.

5.1. Расчётно-экспериментальное исследование процессов образования углеродистых отложения на установке в модельных условия.

5.1.1. Экспериментальная установка и методика проведения эксперимента.

5.1.2. Исследование влияния состояния поверхности и типа материала внутренней поверхности стенки канала.

Р 5.1.3. Расчетно-экспериментальное исследование влияния режимных параметров на интенсивность образования углеродистых отложений.

Исследование процессов тепло- и массообмена в каналах топливных систем газотурбинных двигателей.

Общие сведения о топливных системах основных и дополнительных камер сгорания газотурбинных двигателей

Экспериментальное исследование теплового состояния каналов ® топливных систем газотурбинных двигателей.

Исследование процессов образования углеродистых отложений на стенках топливных каналов ГТД при использовании топлив * РТиТС-1.

5.4. Расчётно-экспериментальное исследование процесса образования углеродистых отложений в форсунке дизеля.

5.4.1. Особенности теплофизического состояния форсунки тепловозного дизеля.

5.4.2. Расчет поля температуры в поперечном сечении топливного канала распылителя дизеля ПД1М.

ВЫВОДЫ.

6. ИССЛЕДОВАНИЕ ТЕПЛОВЫХ РЕЖИМОВ ОХЛАЖДАЕМЫХ ЭЛЕМЕНТОВ ЦИЛИНДРОВ ДИЗЕЛЕЙ

6.1. Модель теплоотдачи при кипении.

6.2. Тепловое состояние стенки цилиндра при образовании накипи

6.3. Поле температуры на нестационарных режимах в пограничном слое потока охлаждающей жидкости и в стенке цилиндра дизеля 10ДН20,7/2*25,4.

ВЫВОДЫ.

7. КОНСТРУКТИВНО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ПУТИ ПОВЫШЕНИЯ ЭФФЕКТИВНОСТИ ТЕПЛОВЫХ РЕЖИМОВ ЭЛЕМЕНТОВ ТЕПЛОВЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ.

7.1. Работоспособность резьбовых соединений при термоциклических нагрузках.

7.2. Способ определения продолжительности плёночного кипения на стенках топливных каналов.

7.3. Метод диагностирования толщины слоя отложений на внутренних поверхностях каналов теплообменников.

7.4. Система приготовления и подачи водо-топливной эмульсии

7.5. Уменьшение накипи в каналах охлаждения дизеля путём алитирования и покрытия стенок эмалью.

7.6. Способы восстановления работоспособности элементов топливных систем путём удаления углеродистых отложений

7.6.1. Физико-химические способы очистки распылителей форсунок

7.6.2. Термические способы.

• ВЫВОДЫ И ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ.

Программа структурной реформы на железнодорожном транспорте, утверждённая Постановлением правительства РФ от 18 мая 2001 года № 384, констатирует высокую степень износа основных средств отрасли, которая в условиях прогнозируемого спроса на перевозки требует затрат на их текущее содержание и ремонт, создаёт опасность потери технологической устойчивости железнодорожного транспорта. Ключевыми требованиями в сложившихся условиях становятся требования по повышению надёжности и эффективности эксплуатации основных средств [92, 151].

Несмотря на имеющиеся успехи в повышении надёжности основных средств, в том числе локомотивно-энергетических установок [20, 26, 65, 98, 104, 112, 125], в настоящее время остаются нерешёнными некоторые проблемы. По данным ежегодных анализов технического состояния тепловозного парка на детали и сборочные единицы цилиндропоршневой группы приходится до 30% всех неисправностей по дизелю. Основной источник таких неисправностей, характер и особенности их проявления, как показывает практика создания и эксплуатации таких тепловых двигателей, в значительной степени зависят от интенсивности нестационарных тепловых режимов. Доля нестационарных тепловых режимов может достигать 20% от общей наработки в эксплуатации. Температурный режим наиболее нагруженных элементов тепловых двигателей (включая детали и сборочные единицы цилиндропоршневой группы, элементы топливных и масляных систем и т.д.) на нестационарных режимах в значительной степени определяет эффективность их эксплуатации.

Существенный износ элементов имеет место в процессе прогрева тепловых двигателей, а наибольшие напряжения возникают на нестационарных режимах из-за неравномерного прогрева или остывания различных зон элементов.

Под «характеристиками теплонапряжённых элементов» в диссертации принято известное [4] в технике понятие, а именно «взаимосвязь между зависимыми и независимыми переменными, определяющими состояние технического объекта, выраженная в виде текста, таблицы, математической формулы, графика и т.п.»

Повышение эффективности тепловых двигателей идёт по пути повышения температуры рабочего тела в цикле. Температурный режим является существенным фактором, влияющим на ресурс, надёжность и функциональные характеристики наиболее нагруженных элементов тепловых двигателей. Следовательно, цель исследования, заключающаяся в повышении эффективности и ресурса тепловых двигателей, может быть достигнута путём решения частных научных проблем, в том числе в разработке научных методов обеспечения эксплуатационных характеристик теплонагруженных элементов тепловых двигателей на основе моделирования нестационарной теплопроводности и создания методов исследования процессов образования углеродистых отложений на стенках топливных каналов.

Характерной особенностью современных тепловых двигателей, наряду с высокими рабочими параметрами, является частная смена режимов работы за короткие промежутки времени. В связи с этим проблема надёжности современных тепловых двигателей, в основном, связана с циклическим изменением температуры элементов двигателя, в том числе и элементов топливной системы. При включении и выключении дополнительной камеры сгорания газотурбинного двигателя, например, температура топлива у стенки канала может уменьшаться в пределах от 650.700 °С до 40.200 °С. В этом диапазоне температур на стенках каналов и фильтрах накапливаются, как правило, углеродистые отложения, приводящие из-за перекрытия каналов к перераспределению расхода топлива по сечению камеры сгорания. Увеличение неравномерности расхода топлива приводит в свою очередь к неустойчивости горения, повышению вибраций конструкции, местному повышению температуры пламени и стенки камеры сгорания и к снижению работоспособности теплового двигателя в целом.

Таким образом, аналитическое описание температурного состояния является основой для исследования термонапряжённого состояния деталей и сборочных единиц, исследования процессов разложения углеводородных топлив и масел, а также создания автоматизированной системы управления тепловых двигателей. Температурное состояние можно определять экспериментально посредством измерения температуры в ограниченном количестве точек и, как правило, на поверхности исследуемого элемента или аналитическим путём с использованием математических моделей. Экспериментальные и теоретические методы дополняют друг друга и имеют преимущества и недостатки. Существенным недостатком экспериментальных методов, в дополнение к выше сказанному, в условиях роста цен на топливо является их повышенная себестоимость. Теоретические методы на современном этапе развития науки и техники, в том числе и вычислительной техники, имеют значительные преимущества над экспериментальными методами, особенно если исследуются нестационарные процессы. Однако, не смотря на значительное количество работ, посвящённых, конструкции тепловых двигателей, их эксплуатации, техническому обслуживанию и ремонту, вопросы создания и совершенствования методов обеспечения эксплуатационных характеристик теплонапряжённых элементов тепловых двигателей, которые основаны на моделировании нестационарной теплопроводности, не получили должного развития.

Теоретическое и экспериментальное исследование явлений переноса теплоты и массы вещества имеют большое практическое значение не только для тепловых двигателей, но и для теплотехнического оборудования. Обеспечение надёжной работы теплотехнического оборудования также предполагает глубокое исследование нестационарных теплофизических процессов, протекающих в них.

В последнее время при решении задач теплопроводности в многослойных конструкциях получили распространение численные методы благодаря их универсальности и развитию средств вычислительной техники. Однако, решения, полученные этими методами, носят частный характер и неудобны для их последующего использования и анализа. Эти недостатки носят принципиальный характер в случаях, когда нахождение температурного поля является не конечной стадией какого-либо исследования, а промежуточной. Для многих задач, особенно нелинейных с неоднородными граничными условиями, точные решения получить невозможно, а полученные решения даже для тел трёх простых классических форм выражаются сложными и громоздкими зависимостями. Эти трудности приобретают принципиальный характер, когда определение полей потенциалов переноса является лишь промежуточной задачей при исследовании более сложных проблем. Например, исследования важных для современной теплотехники задач окисления топлива в каналах тепловых машин зависит, главным образом, от простоты представления функциональной зависимости температуры в объёме тела или в потоке жидкости.

Недостатки аналитических решений в некоторой степени устраняются при применении приближённых аналитических методов расчёта, которые сводят решения дифференциальных уравнений в частных производных к решению систем алгебраических уравнений.

Применительно к методам Канторовича и Бубнова-Галёркина в работе предлагается способ построения координатных систем для решения нестационарных контактных задач для любого числа контактирующих тел при несимметричных и симметричных граничных условиях.

Разработан метод аналитического решения задачи конвективного теплообмена, который состоит из комбинации интегрального метода теплового баланса и метода Канторовича. Интегральным методом теплового баланса получено решение на начальном (нерегулярном) этапе нестационарного процесса. Методом Канторовича температурное поле определено в регулярном тепловом режиме.

Для исследования нестационарных температурных полей в турбулентном потоке жидкости с заданным профилем скорости получено приближённое аналитическое решение задачи. Задача в данном случае решена как сопряжённая. В данной работе приведена зависимость эквивалентного коэффициента теплопроводности от числа Рейнольдса при турбулентном течении жидкого углеводородного топлива в круглой трубе, полученная на основе экспериментальных данных путём решения обратной задачи теплообмена.

В общем случае скорость образования углеродистых отложений зависит от целого ряда параметров, важнейшими из которых являются как уровень температуры топлива в ядре потока жидкости, так и на стенке канала, концентрация растворённого в топливе кислорода, давление, скорость потока топлива и состояние контактирующих с топливом поверхностей. В настоящей работе представлен метод расчёта скорости образования отложений из углеводородных топлив, полученный на основании аналитического и численного решения задач. Приведены также результаты экспериментальных исследований влияния покрытия внутренней поверхности слоем эмали ЭВ-300-60М на интенсивность процесса образования углеродистых отложений в трубопроводах.

Объектом исследования является процесс совершенствования конструкции тепловых двигателей, их эксплуатации, техническому обслуживанию и ремонту.

Предметом исследования выступают тепловые двигатели и конструктивнотехнологическая система обеспечения эффективности совершенствования и эксплуатации тепловых двигателей (модели, методы, методики, средства).

Тема настоящего исследования соответствует тематике приоритетных программ открытого акционерного общества «Российские железные дороги» по техническому перевооружению железнодорожного транспорта («Энергетическая стратегия железнодорожного транспорта на период до 2010 года и на перспективу до 2020 года», «Программа энергосбережения на железнодорожном транспорте в 1998-2000, 2005 годах»).

Целью исследования является повышение эффективности и ресурса тепловых двигателей путём разработки и внедрения методов обеспечения эксплуатационных характеристик теплонагруженных элементов на основе моделирования нестационарной теплопроводности. В рамках проведенных исследований выявлены, теоретически и экспериментально изучены важнейшие закономерности формирования значительных нестационарных температурных градиентов в элементах тепловых двигателей таких как стенка цилиндра дизеля, топливный коллектор или форсунка, и изучены закономерности образования углеродистых отложений на стенках топливных каналов.

Методологической и теоретической основами исследования послужили концепции повышения эффективности тепловых двигателей в целом и обеспечения работоспособности их отдельных элементов, изложенные в трудах отечественных и зарубежных авторов. Исследования проводились методами математической физики, вычислительной математики и экспериментальной теплофизики. Математическое описание моделей базируется на современных представлениях о физических и химических процессах, протекающих в отдельных элементах систем тепловых двигателей в нестационарных условиях. Для нахождения параметров подобия в процессах использованы методы подобия и размерностей, а для получения количественных результатов современная вычислительная техника. Экспериментальные исследования проводились на специально созданных стендах и при доводке реальных тепловых двигателей.

Информационную базу исследования составляют программы реорганизации и развития локомотивного хозяйства железных дорог, рекомендации научно-практических конференций, аналитическая информация, опубликованная в специализированных научных изданиях, официальные статистические данные, оригинальные фактические материалы, собранные автором в процессе исследования.

Научная новизна работы заключается в том, что впервые получены следующие основные результаты:

1. Разработаны методы и получены аналитические решения задач нестационарной теплопроводности в многослойных конструкциях с переменными коэффициентами теплообмена при смешанных граничных условиях и нестационарных сопряжённых задач теплообмена при течении жидкости в каналах. С использованием разработанных методов выявлены новые особенности температурного состояние элементов тепловых двигателей, которые влияют на работоспособность отдельных элементов и тепловых двигателей в целом.

2. Разработана физико-химическая модель образования углеродистых отложений в элементах топливных и масляных систем, учитывающая неравномерность температурных полей по сечению и длине каналов. В основу модели положен процесс окисления углеводородов растворённым в них кислородом. С использованием разработанной модели и на основании проведенных экспериментов выявлены новые и обобщены имеющиеся данные по динамике физико-химических процессов и получены количественные оценки влияния температуры, расхода углеводородной среды и содержания кислорода в ней на скорость образования углеродистых отложений.

3. Обоснован выбор конструкторских и технологических решений, направленных на повышение эффективности эксплуатации тепловых машин, в том числе автор диссертации был инициатором и занимал ведущее положение в создании новых разработок, на часть из которых получены авторские свидетельства на изобретения или патенты:

•S способ определения продолжительности плёночного кипения на стенках топливных каналов;

•S метод диагностирования толщины слоя отложений на внутренних поверхностях каналов теплообменников

S система приготовления и подачи в цилиндр дизеля водо-топливной эмульсии;

•S способ уменьшение накипи в каналах охлаждения дизеля путём алитирования и покрытия стенок эмалью;

•S физико-химические и термические способы восстановления работоспособности элементов топливных систем от углеродистых отложений.

На защиту выносятся:

Метод построения координатных систем, удовлетворяющих граничным условиям и условиям сопряжения для решения задач нестационарного теплообмена и теплопроводности для многослойных конструкций. В настоящее время рекомендации, облегчающие выбор координатных систем, которые носят частный характер или основаны на предварительном решении соответствующей стационарной задачи.

Метод решения задач нестационарной теплопроводности для многослойных конструкций при переменной во времени температуре среды с линейной, экспоненциальной и гармонической функцией изменения температуры внешней среды.

Методы решения задач теплообмена при ламинарном и турбулентном течении жидкости с использованием метода построения координатных систем.

Методика исследования температурного состояния теплонапряжённых элементов на нестационарных режимах работы тепловых двигателей.

Физико-химическая модель процесса образования углеродистых отложений на стенках каналов с учётом распределения температуры по сечению канала.

Методика расчётных и экспериментальных исследований процессов окисления топлива и образования углеродистых отложений на стенках топливных каналов.

Методика исследования процессов образования углеродистых отложений в топливных каналах газотурбинных двигателей при использовании топлив с различными термостабильными свойствами.

Принципы формирования методики ускоренных испытаний тепловых двигателей по проверке мероприятий по уменьшению интенсивности процессов образования углеродистых отложений.

Методика исследования теплового состояния цилиндровой втулки дизеля при образовании накипи.

Типовые схемы конструкции трубопроводов подачи топлива в тепловые двигатели.

Методика исследования работоспособности резьбовых соединений топливных трубопроводов при термоциклических нагрузках.

Новые конструкции элементов систем приготовления и подачи водо-топливной эмульсии в цилиндры дизеля.

Достоверность полученных решений и результатов исследований обеспечивается обоснованностью использованных теоретических зависимостей, допущений и ограничений, корректностью постановки задач, применением рациональных математических методов решения задач. Подтверждается также качественным и количественным согласованием результатов теоретических исследований с экспериментальными данными, полученными как лично автором, так и другими исследователями, а также с результатами натурных испытаний тепловых двигателей и положительным опытом внедрения разработанных методов и средств, повышающих эффективность и ресурс тепловых двигателей.

Практическая ценность работы состоит в реализации и внедрении результатов исследования. Разработанные и усовершенствованные физические и математические модели реализованы в методах, алгоритмах, программах расчёта и технических решениях. На технические решения, физико-химические модели и программы получены патенты и авторские свидетельства на изобретения и интеллектуальную собственность. Материалы диссертации используются в учебном процессе при подготовке студентов по специальности 05.17.00 - Локомотивы. Разработанные и усовершенствованные методы и средства, повышающие надёжность тепловых двигателей, используются в локомотивном депо Самара и в других предприятиях, серийно выпускающих и эксплуатирующих тепловые двигатели. Использование разработанных методов позволило получить годовой экономический эффект в ОАО «Самарское конструкторское бюро машиностроения» 19 миллионов 850 тысяч рублей в ценах 2004 года. Эффект получен от экономии материальных (в основном топлива) и трудовых ресурсов при уменьшении времени испытания и возвращения на ремонт тепловых двигателей.

Соискатель выражает благодарность В.А. Кудинову и Л.С. Яновскому за помощь и консультации при разработке ряда вопросов диссертации.

1. ОБЗОР РАБОТ В ОБЛАСТИ ТЕПЛОМАССОПЕРЕНОСА ПРИМЕНИТЕЛЬНО К ИССЛЕДОВАНИЮ ТЕПЛОВЫХ НЕСТАЦИОНАРНЫХ РЕЖИМОВ ДВИГАТЕЛЕЙ

Изучению процесса передачи тепла в элементах современных теплоэнергетических машин посвящено значительное количество теоретических и экспериментальных работ. В настоящем обзоре рассмотрены только те работы, которые были использованы при исследовании нестационарных тепловых режимов и процессов тепломассопереноса в условиях образования углеродистых отложений в топливных каналах тепловых двигателей.

Методы решения нестационарных задач рассматриваются и классифицируются в работах Беляева И.М. и Рядно А.А., Коздобы Л.А., Лыкова

А.В. [8, 57,58,81,82, 83].

Разработке и развитию точных аналитических методов решения краевых задач посвящены работы Диткина В.А., Лыкова А.В. и других исследователей [34,

35, 81, 82, 83]. Однако, при получении точных аналитических решений возникают большие математические трудности. В случаях нестационарных задач теплопроводности для многослойных конструкций решения сложны и малопригодны для практического применения.

Широкое распространение за последние годы получают численные методы

6, 30, 31, 85, 90] . Интерес к численным методам значительно повысился в связи с широким внедрением в научную практику ЭВМ. Однако численные метода решения задач тепломассопереноса при их универсальности требуют, как правило, значительных затрат машинного времени, трудоемки и сложны для анализа теплофизических процессов.

Разработке приближенных аналитических методов решения задач посвящены работы Акеева А.А., Галеркина Б.Г., Канторовича JI.B., Когана М.Г., Кудинова В.А., Цоя П.В. и др. исследователей [1, 48, 49, 50, 54, 55, 56, 69, 129, 140, 141, 142]. Из приближенных аналитических методов интенсивно разрабатываются и внедряются в расчетную практику прямые методы (вариационные и взвешенных невязок). Эти методы решения задач математической физики сводят решения систем дифференциальных и интегральный уравнений к решению систем алгебраических уравнений.

Приближенные аналитические методы удобны с точки зрения анализа получаемых решений и их дальнейшего использования, когда определение температурного поля является промежуточной стадией другого исследования, в котором требуется аналитическое описание поля температуры (расчет скорости химических реакций, определение термических напряжений и др.). Однако применение этих методов для исследования полей температур на нестационарных режимах в многослойных конструкциях требует их дальнейшего развития.

1.1. Методы решения задач нестационарной теплопроводности в многослойных конструкциях

Вопросам теоретического исследования нестационарной теплопроводности в многослойных конструкциях посвящены работы Беляева Н.М. и Рядно А.А., Идельсона A.M., Канторовича JT.B., Когана М.П. , Пеховича А.И. и Жидких В.М. и др. [8, 42, 48, 49, 55, 56, 104]. Однако имеется ограниченное число решенных задач указанного типа.

Вопрос о рациональном выборе координатных функций для метода Канторовича рассмотрен в работах [8, 12, 48, 55, 59, 140, 141]. В работе [8] приводится способ, позволяющий получать координатные функции, удовлетворяющие в среднем уравнению и граничным условиям, В ряде других работ приводятся координатные функции для частных случаев постановки задач. Сложность определения координатных функций состоит в том, что они должны удовлетворять следующим условиям: быть линейно независимыми, непрерывными и дифференцируемыми в рассматриваемой области, удовлетворять граничным условиям (или исходному дифференциальному уравнению). В случае решения контактных задач они должны удовлетворять ещё условиям сопряжения.

Кроме того, для построения координатных систем, дающих решение при использовании минимального количества приближений, необходимо привлекать физические соображения, т.е. определять функции в соответствии с особенностями задачи [141].

Тем не менее, несмотря на большое количество работ по выбору координатных систем, вопрос применения координатных систем с вышеперечисленными свойствами исследован недостаточно полно для составных тел, состоящих из трех слоев и более.

В монографии [122] для построения координатных систем используются асимптотические решения исследуемых краевых задач. При таком выборе координатных функций приближенное решение нестационарной задачи теплопроводности при больших значениях числа Фурье совпадает с точным решением. Это позволяет уже в первом приближении получать решения, хорошо совпадающие с точными результатами для Fo > 0,05. Однако при исследовании начального этапа нестационарного процесса при значениях числа Фурье менее 0,05 требуются приближения более высокого порядка, которые влекут за собой увеличение объема вычислительных работ.

1.2. Обзор работ по методам решения задач при течении жидкости в каналах

При решении задач теплообмена при турбулентном течении жидкости в каналах применяют полуэмпирические теории, связанные с развитием идей Прандтля и Кармана. Для получения замкнутой системы уравнений, определяющей турбулентное движение жидкости, используют соотношения, которые связывают турбулентные соотношения и среднюю скорость потока.

Вводя в рассмотрение путь смешения С , Прандтль вывел зависимость т = р ■£-— ду

Путь смешения для пограничного слоя принимают пропорциональным расстоянию от стенки С = к*у, где к - универсальная (к = 0,4).

Турбулентный тепломассоперенос зависит от касательного напряжения. Однако, в соответствии с выведенной зависимостью, для турбулентного напряжения турбулентный обмен в ядре канала, где незначительны градиенты скоростей, должен вырождаться. Это противоречит экспериментальным данным в соответствии с которыми в ядре потока турбулентность имеет место.

В работах Кейса В.М., Эккерта Э.Р. и Дрейка P.M. [53, 148] используется так называемая трехслойная схема, согласно которой все сечение потока условно разделяется на три участка: ламинарный подслой, где турбулентностью можно пренебречь, промежуточный слой, где учитывается как вязкое, так и турбулентное трение, и турбулентное ядро. В случае трехслойной схемы коэффициенты теплопроводности, вязкости и диффузии в переходной зоне и в турбулентном ядре определяются на основе экспериментов.

Недостатком трехслойной схемы является некоторая неопределенность в назначении по экспериментальным данным соотношения между значениями коэффициентов турбулентного обмена в переходной зоне и турбулентном ядре.

Теории пограничного слоя, тепломассообмену и трению в турбулентном пограничном слое посвящены работы Шерстюка А.Н., Шлихтинга Г. [145, 146]. В частности, в этих работах приведены зависимости для расчета толщины ламинарного и турбулентного пограничного слоя. Эти зависимости выведены без учета влияния температуры на вязкость и, как следствие, на распределение скорости потока по сечению канала.

Физические основы и методы расчёта температурных полей в турбулентных и ламинарных потоках жидкости, в том числе при наличии фазовых переходов, рассматриваются в работах Алдошина Г.Т., Богатыренко К.И., Бирюка В.В., Булева Н.И., Капиноса В.М., Кейса В.М., Лыкова А.В., Петухова Б.С., Цоя П.В. [2, 9, 10, 14, 15, 51, 53, 81, 82, 83, 102, 140, 141]. Из ряда работ, посвященных исследованию методов расчета тепломассопереноса при течении жидкостей в каналах, следует выделить работу Цоя П.В. [141]. В этой работе автор приводит приближенный метод расчета конвективного теплообмена при стабилизированном течении жидкости в трубах и других каналах, позволяющий сравнительно просто находить распределение температуры в потоке жидкости при разнообразных заданных температурных режимах на внутренней поверхности трубы. Путем введения функции распределения температуры ф (х, Fo) на смачиваемой поверхности трубы сопряженная задача сводится к решению задачи нестационарной теплопроводности относительно Т](х, у, z. Fo) для стенки трубы и внутренней задачи конвективного теплообмена относительно Т2(х, у, z. Fo) для потока жидкости при граничных условиях первого рода. Представление температурных полей по толщине стенки трубы и в потоке жидкости простыми аналитическими зависимостями позволило разработать эффективный метод решения сопряженных задач теплообмена. Для получения простых аналитических зависимостей при решении нестационарных задач теплообмена эффективным является метод совместного применения интегрального преобразования Лапласа и ортогональной проекции. Разработанными методами были решены задачи нестационарного теплообмена при стабилизированном течении жидкости в условиях скачкообразного изменения температуры стенки. С учетом различных входных функций внешнего температурного возмущения задачи решены для системы; внешняя среда, стенка канала, поток жидкости. Такие решения получены без учета аккумуляции тепла в стенках каналов. При таком допущении решения не могут быть использованы при исследовании прогрева потока жидкости в процессе запуска камеры сгорания, т.к. температура стенки в такой системе зависит от аккумулирующих свойств материала стенок и, как правило, изменяется по экспоненциальному закону.

1.3. Современное состояние вопроса в области исследования образования углеродистых отложений в топливных каналах

К настоящему времени объем достоверных сведений о термохимических механизмах разложения углеводородных топлив незначителен.

Общие вопросы физико-химических основ применения углеводородных топлив рассмотрены в работах Большакова Г.Ф., Дубовкина Н.Ф., Пискунова В.А., Русакова М.М., Саблиной З.А., Черткова Я.Б. и др. [11, 37, 105, 112, 118, 143]. Приводятся [37] фактические данные по термоокислительной стабильности топлив, характеризуемой массой образующихся осадков и смол, и данные по скорости забивки топливных фильтров, В области температур 160. 180 °С имеет место максимум по образованию осадков. При определении термоокислительной стабильности топлив в динамических условиях в при стенном слое при дальнейшем повышении температуры образуются пары топлива, в которое диффундирует растворенный в топливе кислород, и это, вероятно, приводит к уменьшению осадка. Образование осадков в большой степени зависит от концентрации растворенного в топливе кислорода и уменьшается при замещении кислорода азотом.

Вопросы окисления и стабилизации реактивных топлив рассматриваются в работе Денисова Е.Т, и Ковалева Г.И. [29] . Авторами изучен и доказан на примере целого ряда индивидуальных углеводородов цепной механизм жидкофазного окисления углеводородов. Изложена кинетика окисления топлив, предложена система кинетических характеристик окисляемости. Однако результаты этих исследований носят фундаментальный характер и требуют дальнейшей разработки и детализации с целью обеспечения возможности их применения в конкретных условиях.

Экспериментальное исследование процесса постепенного закоксовывания трубопроводов топливной системы при повышенных температурах выполнено А. Дж. Джиованетти и Г. Дж. Сетела [32]. Показано, что скорость образования углеродного слоя существенно зависит от температуры. На основе полученных экспериментальных результатов приведена схема кинетики окисления топлива и образования углерода. Вопросы непосредственного проектирования топливных систем с учетом устойчивости к протеканию процессов образования углеродистых отложений в литературе практически не рассматриваются.

ВЫВОДЫ

В целом по проделанному обзору можно сделать следующие выводы:

1. Точные аналитические решения задач нестационарной теплопроводности при сложных граничных условиях, как правило, приводят к громоздким и малопригодным для практического применения выражениям или же получаются при таких упрощающих допущениях, что точность решения оказывается неприемлемой.

2. Конечно-разностные методы решения задач теплообмена при их универсальности требуют значительных затрат машинного времени и объема памяти ЭВМ, сложны для анализа процесса теплообмена,

3. Для исследования нестационарных процессов теплообмена удобны с точки зрения анализа получаемых решений и их дальнейшего использования приближенные аналитические методы.

4. Эффективным с точки зрения получения простых аналитических зависимостей при решении нестационарных задач теплообмена является метод совместного применения интегрального преобразования Лапласа и ортогональной проекции.

5. При использовании вариационных методов для решения контактных задач теплопроводности в телах состоящих из трех слоев и более недостаточно глубоко проработан вопрос выбора координатных систем, точно удовлетворяющих граничным условиям и условиям сопряжения.

6. В настоящее время недостаточно глубоко выполнены исследования влияния нестационарных и стационарных режимов работы авиационного двигателя на образование кокса во внутренних полостях каналов топливной системы.

В соответствии с этими выводами в настоящей работе были поставлены следующие задачи:

1. Выполнить анализ методов решения нелинейных краевых задач нестационарной теплопроводности и получить решения задач нестационарной теплопроводности в многослойных конструкциях с несимметричными граничными условиями, таких как цилиндр дизельного двигателя, топливный трубопровод с теплоизоляцией и т.д. путём применением вариационного метода Канторовича.

2. Предложить метод построения координатных систем точно удовлетворяющих граничным условиям и условиям сопряжения при решении нестационарных задач теплообмена и теплопроводности для многослойных конструкций с использованием метода неопределённых коэффициентов.

3. Получить приближённое аналитическое решение задачи теплопроводности для многослойных конструкций при переменной во времени температуры среды с линейной, экспоненциальной и гармонической функцией температуры внешней среды.

4. На основе метода построения координатных систем предложить приближённые аналитические методы решения задач теплообмена при ламинарном и турбулентном течении жидкости.

5. Разработать математическую модель и получить аналитическое решение для определения скорости изменения концентрации растворённого в топливе кислорода, активных радикалов и микрочастиц твёрдой фазы в зависимости от г распределения температуры.

6. Провести исследование влияния параметров, таких как количество включений камеры сгорания и распределения температуры в теплонапряжённых элементах газотурбинного двигателя, на образование углеродистых отложений. На этой основе разработать мероприятия по уменьшения времени специальных испытаний по проверке работоспособности камер сгорания при увеличении ресурса газотурбинных двигателей или при изменении марки топлива;

7. Выбрать типы и разработать методики нанесения защитных покрытий омываемых поверхностей от отложений накипи и коррозии. Провести экспериментальные исследования влияния на образование углеродистых отложений покрытия омываемых углеводородами поверхностей эмалью ЭВ-300-60М;

8. Выполнить исследования поля температуры на нестационарных режимах в стенке цилиндра дизеля 10ДН20,7/2*25,4.

ВЫВОДЫ И ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ В результате выполненного комплекса теоретических и экспериментальных исследований решена важная научно-техническая проблема повышения эффективности и ресурса тепловых двигателей путём разработки и внедрения методов обеспечения эксплуатационных характеристик теплонагруженных элементов на основе моделирования нестационарной теплопроводности, в том числе получено:

1. С целью совершенствования приближенных аналитических методов решения нестационарных задач теплообмена и теплопроводности для многослойных конструкций разработан новый метод построения координатных систем точно удовлетворяющих граничным условиям и условиям сопряжения. Координатные системы построены с использованием метода неопределённых коэффициентов и с учётом симметричных и несимметричных граничных условий первого, второго и третьего рода.

2. Усовершенствованы приближённые аналитические методы решения задач теплопроводности для многослойных конструкций при переменной во времени температуры среды с линейной, экспоненциальной и гармонической функцией температуры внешней среды. Получены аналитические зависимости для исследования теплового состояния многослойных элементов топливных систем тепловых двигателей на нестационарных режимах при конкретных теплофизических и геометрических параметрах. Результаты расчёта сравнены с известными тестовыми решениями. Разница результатов решения не более 5 %.

3. На основе теоретических исследований с применением метода построения координатных систем усовершенствованы приближённые аналитические методы решения задач теплообмена при ламинарном и турбулентном течении жидкости. Получены универсальные характеристики в безразмерных координатах зависимости избыточной относительной температуры от относительной координаты. Установлено, что при малых значениях безразмерной координаты (О < z < 0,02) целесообразно использовать интегральный метод теплового баланса, а для значений 0,02 < z < ос - вариационный метод JI.B. Канторовича.

4. На основе теоретических и экспериментальных исследований установлен механизм образования углеродистых отложений на стенках топливных каналов. Разработана математическая модель и впервые получено аналитическое решение для определения скорости изменения концентрации растворённого в топливе кислорода, активных радикалов и микрочастиц твёрдой фазы в зависимости от распределения температуры.

5. Проведено исследование влияния количества включений камеры сгорания и распределения температуры в стенках каналов и в потоке топлива на образование углеродистых отложений. По результатам исследований разработаны рекомендации по созданию методик проведения специальных кратковременных испытаний, предназначенных для проверки работоспособности тепловых двигателей при увеличении ресурса, при внедрении изменений в конструкцию или при изменении марки топлива.

6. Выявлен механизм зарождения центров и дальнейшего развития процессов образования отложений накипи и углеродистых отложений. Существенным фактором при этом является наличие процесса пузырькового кипения. В зонах отрыва пузырьков происходит интенсификация подвода среды, из которой формируются отложения на охлаждаемой поверхности. Участки с накипью, в свою очередь, уменьшают теплоотдачу и приводят к дальнейшей интенсификации процесса пузырькового кипения и, как следствие, к более интенсивному процессу образования накипи.

7. Для уменьшения углеродистых отложений обоснованы типы и разработаны методы нанесения защитных покрытий. Экспериментальным путём доказана эффективность покрытия омываемых углеводородами поверхностей эмалью ЭВ-300-60М или покрытия тонким слоем алюминия путём алитирования. Скорость образования углеродистых отложений на поверхности покрытой эмалью при температуре стенки 100.300 °С в 8. 10 раз меньше, а при температуре 650.750 °С - в 50.60 раз меньше, чем на образцах без покрытия. Алитирование внутренней поверхности также повышает устойчивость трубопровода к процессам образования углеродистых отложений в 2.2,5 раза.

8. Разработана методика расчёта поля температуры в цилиндровой втулке дизеля на нестационарных и стационарных режимах с учётом реально существующих толщин накипи. Анализ сходимости экспериментальных данных и результатов расчёта температуры цилиндровой втулки дизеля 10ДН20,7/2*25,4 показывает удовлетворительную сходимость. Разница значений температур на нестационарных режимах не более 5 %. На основании исследований выявлен механизм образования трещин на цилиндровой втулке дизеля 10ДН20,7/2*25,4. Из-за образования отложений накипи возникают большие градиенты температуры в районе адаптерных отверстий и, как следствие, возникают высокие термические напряжения, которые приводят к возникновению трещин.

9. Разработаны схемы трубопроводов подачи топлива в тепловые двигатели, устойчивые к процессам образования углеродистых отложений. Совместное применение теплоизоляции и организации закрутки потока топлива приводит к сокращению времени процесса при температуре топлива более 135 °С и соответственно уменьшению количества углеродистых отложений в 4 раза.

10. Разработана методика исследования теплового состояния корпуса распылителя топливной форсунки дизеля. Выявлены причины и предложены мероприятия по снижению интенсивности образования углеродистых отложений в полости распылителя, которые в свою очередь приводят к заклиниванию иглы. Внешнюю поверхность корпуса распылителя, которая находится в цилиндре дизеля, целесообразно покрывать эмалью, а внутреннюю поверхность распылителя алитировать.

11. Разработаны типовые конструкции элементов системы приготовления и подачи водо-топливной эмульсии в цилиндры дизеля. Применение водо-топливной эмульсии на режимах приработки при реостатных испытаниях дизеля позволяют снизить теплонапряжённость и механические нагрузки на цилиндро-поршневую группу. Это позволяет сократить время приработки в 1,5.2 раза.

1. Акаев А.А., Дульнев Г.Н. К вопросу о повышении точности первых приближений вариационного метода Л.В. Канторовича в применении к краевым задачам стационарной теплопроводности. Изв. АН СССР, Энергетика и транспорт, 1972, №1, с. 154. 158.

2. Алдошин Г.Т., Жук К.П„ Шляхина В.И. Сопряженная задача теплообмена при течении-жидкости в канале. В кн.: Тепло- и массоперенос. М.: 1968. т. I, с. 577.589.

3. Алифанов О.М. Обратные задачи теплообмена, М.: Машиностроение. 1988. -280 с.

4. Бабенкова Л.И. Математическое моделирование и исследование процессов теплообмена в движущихся средах применительно к нагревательным устройствам и аппаратам: Дис. на соиск. учен, степени канд. техн. наук. -Куйбышев, 1979.-211 с.

5. Бабенкова Л.И., Темников А.В. Исследование температурных полей в электронагревателях при турбулентном течении газа. В сб. Моделирование задач теплофизики, ин-т мат-ки АН СССР. Киев: 1973.

6. Бахвалов Н.С., Жидков Н.П., Кобельков Г.М. Численные методы; Учебное пособие. -М.: Наука. Гл. ред. физ. -мат, лит., 1987. 600 с.

7. Велик Р,В., Тапилин В.М. О механизме и кинетике процесса образования пироуглерода. ХТТ, 1974. №1, с. 141.

8. Беляев И.М„ Рядно А.А. Методы нестационарной теплопроводности. М.: Высш. школа, 1978. - 328 с.

9. Бирюк В.В. Математическая модель теплообменника-газификатора криогенного топлива. Труды СНТК им. Н.Д. Кузнецова. Самара: ИПО СГАУ, 2001. С. 133.169.

10. Богатыренко К.И., Ильченко О.Т., Прокофьев В.Е. К решению задач нестационарного теплообмена тела и обтекающего его потока жидкости. ИФЖ, 1972. 23,4, с. 727.

11. Большаков Г.Ф., Гулин Е.И., Торичиев Н.И. Физико химические основы применения моторных, реактивных и ракетных топлив. - JL: Химия, 1965. -272с.

12. Бровкин JI.A., Гузов JI.A. Инженерный расчет нагрева многослойной пластины при граничных условиях 1ш -рода. Изв. вузов СССР Энергетика, 1985, №9, с. 94.97.

13. Булавин П.Е., Кащеев В.М. Решение неоднородного уравнения теплопроводности для многослойных тел. ИФЖ, 1964, 7, с.71 .77.

14. Булеев Н.И. и др. Расчет температурного поля в турбулентном потоке жидкости в круглой трубе на термически начальном участке. Теплофизика высоких температур, 1966, т. 4, с. 540.555.

15. Булеев Н.И. Теоретическая модель механизма турбулентного обмена в потоках жидкости, -;Сб. Теплопередача, изд-во АН СССР, 1962.

16. Бутковский А.Г. Теория оптимального управления системами с распределенными параметрами. М.: Наука, 1965, - 474с.

17. Вапник В.Н, Восстановление зависимостей по эмпирическим данным. М.: Наука, 1979.

18. Варгафтик Н.Б. и др. Теплопроводность газов и жидкостей. М.: Стандарты, 1970.-156 с.

19. Видин Ю.В., Пшеничников В.А. Теплопроводность многослойного плоского тела в стадии регулярного режима. Изв. АН СССР, Энергетика и транспорт, 1973, №4, с. 148. 151.

20. Володин А.И. Научные основы и пути повышения качества технического обслуживания и ремонта тепловозов. Дис. докт. техн. наук. Омск, 1990.497 с.

21. Волынский В.А., Бухман В.Е. Модели для решения краевых задач. -М.: Физматгиз, 1960. 451 с.

22. Вулис JI.A. О взаимоналожениях молекулярных и молярных эффектов в переходной области течения. В кн. Тепло- и массоперенос, т. 3, М. -Д.: Госэнергоиздат, 1963. с. 35.40.

23. Галин Н.М. Расчет температурного режима труб с неравномерным обогревом по внешнему периметру. Теплоэнергетика, 1978. №2, с. 10. 12.

24. Галин Н.М., Кириллов Л.П. Тепломассообмен (в ядерной энергетике): Учеб. Пособие для вузов. М.: Энергоатомиздат, 1987. - 376 с.

25. Гинзбург И.П. Анализ и пути развития полуэмпирических теорий турбулентного пограничного слоя. Тепло- и массоперенос, т. II, Материалы дискуссии на III всесоюзном совещании по тепло- и массообмену. -Минск, 1969, с. 34.60.

26. Грищенко А.В. Повышение производительности и топливной ЭКОНОМИЧНОСТИ тепловозов средствами микропроцессорной техники. Автореф. дис. докт. техн. наук. Санкт-Петебург, 1995.-362 с.

27. Гухман А.А. Применение теории подобия к исследованию процессов тепло- массообмена. Изд. 2-е, перераб. И доп. М.: Высшая школа, 1974. -328 с.

28. Девятов Б.Н. Теория переходных процессов в технологических аппаратах с точки зрения задач управления. Новосибирск: СО АН СССР. 1964. - 322 с.

29. Денисов Е.Т., Ковалев Г.К. Окисление и стабилизация реактивных топлив. М.: Химия, 1983.-269 с.

30. Демидович К.А. и др. Численные методы анализа. -М.: "Наука", 1967. -368 с.

31. Демидович Б.П., Марон И.А. Основы вычислительной математики. -М.: "Наука", 1966.-664 с.

32. Джованетти А.Дж., Спадаччини Л.Дж., Сетела Г.Дж. Аэрокосмическая техника, 1986, №6, с. 164. Л72.

33. Дилигенский Н.В., Бабенкова Л.И. Об одной сопряжённой задаче теплообмена для подвижных сред В сб.: Теплофизика и оптимизация тепловых процессов. Куйбышев, КПтИ, 1976, вып. 2, с. 19.22.

34. Диткин В.А., Прудников А.П. Операционное исчисление. -М.: Высшая школа, 1975. -407 с.

35. Диткин В.А., Прудников А.П. Интегральные преобразования и операционное исчисление. -М.: Физматгиз, 1962. 524 с.

36. Драйцер Г.А., Кузьминов В.А. Расчет разогрева и охлаждения трубопроводов. -М.: Машиностроение, 1977. - 126 с.

37. Дубовкин Н.Ф. и др. Физико-химические и эксплуатационные свойства реактивных топлив. Справочник. М.: Химия, 1985. - 240 с.

38. Жук И.П. К расчету температурного поля в многослойной стенке. ИФЖ, 1962, №10, с. 100. 103.

39. Заболоцкая Н.С., Коваль Ю.Б., Шарнопольская Е.Т. Продольный перенос тепла в стенке компактного теплообменника. Изв. вузов. Машиностроение, 1979. №8, с. 76.80.

40. Зайцев В.Ф., Полянин А.Д. Справочник по обыкновенным дифференциальным уравнениям: Точные решения. М.: Физматлит, 1995. -560 с.

41. Зенкевич 0. Метод конечных элементов в технике. М.: Мир, 1975. - 541 с.

42. Идельсон A.M., Ильин В.М. К вопросу об имитации нестационарного теплового состояния элементов турбины при стендовых циклических испытаниях. // Вестник СГАУ / Серия: Проблемы и перспективы развития двигателестроения, часть 2. Самара, 1999. С. 200.204.

43. Исаченко В.П., Осипова В.А., Сукомел А.С. Теплопередача. Изд. 2-е. -М.: Энергия, 1969. -440 с.

44. Кавтарадзе Р.З. Локальный теплообмен в поршневых двигателях: Учеб. Пособие для вузов. М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2001. - 592 с.

45. Калинин Э.К. и др. Методы решения сопряженных задач теплообмена. М.: Машиностроение, 1983. - 232 с.

46. Камке Э. Справочник по дифференциальным уравнениям в частных производных первого порядка, М.: Наука, 1973. - 320 с.

47. Камке Э. Справочник по обыкновенным дифференциальным уравнениям. -М.: Наука, 1976, 576 с.

48. Канторович JI.B. Использование идеи метода Галёркина в методе приведения к обыкновенным дифференциальным уравнениям. Прикладная мат. и мех. 6, № 1, 1942, с. 31.40.

49. Канторович J1.B., Крылов В.И. Приближенные методы высшего анализа. -М.: Физматгиз, 1962. 707с.

50. Канторович J1. В. Функциональный анализ и прикладная математика. -УМН, Ш, № 6 /28/, 1948. С.50.53.

51. Капинос .В.М., Слитенко А.Ф., Тарасов А.И. Исследование нестационарного конвективного теплообмена в каналах. Теплоэнергетика, 1977, №7, с. 68.70.

52. Карташев А.П., Рождественский Б.Л. Обыкновенные дифференциальные уравнения и основы вариационного исчисления. М.: Наука, 1976. - 255 с.

53. Кейс В.М. Конвективный тепло- и массообмен. М.: Энергия , - 448 с.

54. Келдыш М.В. О методе Б.Г. Галёркина для решения краевых задач, Изв. АН СССР, сер. матем., 1942, 6, № 6, с. 253.255.

55. Коган М.Г. Применение методов Галёркина и Канторовича в теории теплопроводности. В сб.: Исследование нестационарного тепло- и массообмена, Минск, с. 42.51.

56. Коган М. Г. .Нестационарная теплопроводность в слоистых телах. -Журнал технической физики, 1957, 27,.№ 3, -с. 522.531.

57. Коздоба. Л.А. Методы решения нелинейных задач теплопроводности. М.: Наука, 1975.-223 с.

58. Коздоба Л.А. .Решение нелинейных задач теплопроводности. Киев: Наук. Думка, 1967. 136 с.

59. Коноплев И.Д. и др. Математическое моделирование процессов тепло- и массопереноса в теплотехнических объектах. "Применение машинных методов для решения инженерных задач теории поля", Наукова думка, Киев, 1976. с. 155.162.

60. Копелев С.З., Куров С.В. Тепловое состояние элементов конструкций авиационных двигателей. -М.: Машиностроение, 1978. -208 с.

61. Корн Г., Корн Т. Справочник по математике для научных работников и инженеров. М.: Наука. Гл. ред. физ.-мат. лит., 1984. - 831 с.

62. Корольков Б.П. Специальные функции для исследования динамики нестационарного теплообмена. М.: Наука, 1976. - 166 с.

63. Коссов Е.Е. Оптимизация работы тепловозного дизель-генератора //Тр. Моск. ин-т инж. ж.-д. транспорта. -1982.-Вып.700.- С. 8.22.

64. Коссов Е.Е., Сухапаров С.И. Оптимизация режимов работы тепловозных дизель-генераторов. -М.: Интнкст, 1999. -184 с.

65. Кошкин В.К., Калинин Э.К. Теплообменные аппараты и теплоносители. -М.: Машиностроение, 1971. 250 с.

66. Кошляков Н.С. и др. Уравнения частных производных математической физики. Учеб. пособие для мех.-мат. фак. ун-тов. М.: «Высшая школа», 1970. -712 с.

67. Кудинов В.А., Карташов Э.М., Калашников В.В. Аналитические решения задач тепломассопереноса и термоупругости для многослойных конструкций: Учеб. пособие для вузов. -М.: Высш. шк., 2005. 430 с.

68. Кудинов В.А., Калашников В.В., Карташов Э.М. и др. Тепломассоперенос и термоупругость в многослойных конструкциях. М.: Энергоатомиздат, 1997. - 426 с.

69. Кудинов В.А., Росляков А.Д. Построение координатных систем при решении задач теплопроводности для многослойных конструкций, Изв. вузов. Авиационная техника, 1986, №3, с. 66.69.

70. Кудинов В.А., Росляков А.Д. Приближенные методы решения нестационарных задач теплопроводности для многослойных конструкций. -Изв. ВУЗов, Энергетика, 1987, № 12, с. 63.67.

71. Кудинов В.А.„ Росляков А.Д. Приближенный расчет теплообмена при турбулентном течении жидкости. В кн.: Математическое моделирование теплообмена в технологических процессах и установках. /Сб. науч. труд. КПтИ, Куйбышев: 1987. с. 21.30.

72. Кудинов В.А., Росляков А.Д. Приближенное решение задачи теплообмена при ламинарном течении в плоскопараллельном канале. В кн. Высокотемпературные охлаждаемые газовые турбины двигателей летательных аппаратов: Межвуз. сб. Казань: КАИ, 1987. с. 31.37.

73. Кудинов В.А., Кудинов А.А., Росляков А.Д. Приближённые решения задач теплопроводности для многослойных конструкций при переменных во времени граничных условиях. Инж. физический журнал Минск: т.51, N1, 1986. деп. ВИНИТИ, №1182-В 86 -18 с.

74. Кудинов В.А., Росляков А.Д., Смагин Н.В. Приближённое решение нестационарных задач теплопроводности для многослойных тел с переменными свойствами. Инж. физ. журнал, т.56 № 1.- Минск: 1989. Деп. ВИНИТИ, № 6160-В88. 15 с.

75. Кудинов В.А., Росляков А.Д., Воробьёв Б.В. Денисов Ю.А. Решения нестационарных трёх мерных задач теплопроводности для многослойных тел. Изв. АН СССР, Энергетика и транспорт, М.: 1991, № 3.

76. Кудинов В.А., Росляков А.Д., Пеньков В.Ф., Денисов А.Ю. Приближённые решения двумерных задач нестационарной теплопроводности для многослойных конструкций. Инж. физ. журнал Минск: т. 56 № 1, 1991.

77. Литвин A.M. Теоретические основы теплотехники, изд. 6-е, перераб. и доп. М.: Энергия, 1969. - 328 с.

78. Лыков А.В., Перельман Т.П. О нестационарном теплообмене между телом и обтекающим его потоком жидкости. В кн. : Тепло- и массообмен тел с окружающей средой. Минск, 1965. с. 2.4.

79. Лыков А.В. Теория теплопроводности. -М.: Высшая школа, 1967. 599 с.

80. Лыков А.В. Тепломассообмен. Справочник. М.: Энергия, 1978. - 480 с.

81. Лыков А.В., Михайлов Ю.А. Теория тепло- и массопереноса -М.: Госэнергоиздат, 1963. 535 с.

82. Магарил Р.З. Теоретические основы химических процессов переработки нефти. Л.: Химия, 1985. - 260 с.

83. Марчук Г.И. Методы вычислительной математики: Учебн. пособие. — 3-е изд., перераб. и доп. М.: Наука Гл. ред. Физ.-мат. лит., 1989. - 608 с.

84. Мацевитый Ю.М. Эффективность методов и средств решения ряда важных промышленных тепловых задач. Применение машинных методов для решения инженерных задач теории поля. "Наукова думка", Киев: 1976. с. 58.63.

85. Митчелл Э., Уэйт Р. Методы конечных элементов для уравнений с частными производными. М.: Мир, 1981. - 216 с.

86. Михеев М.А., Михеева И.М. Основы теплопередачи. -М.: Энергия, 1977. -344 с.

87. Михлин С.Г., Смолицкий Х.Л. Приближенные методы решения дифференциальных и интегральных уравнений. М.: "Наука", 1965. - 250 с.

88. Михлин С.Г. Численная реализация вариационных методов. М.: Физматгиз, 1966. - 430 с.

89. Михлин С.Г. Вариационные методы в математической физике. М.: Наука, 1970.- 540 с.

90. Мишарин А.С. Основные направления развития научно-технического прогресса отрасли. //Железнодорожный транспорт. 2000. № 3, С.

91. Мучник Г.Ф., Рубашов И.Б. Методы теории теплообмена, ч. I. Теплопроводность. М.: Высшая школа, 1970. 288 с.

92. Модель теплоотдачи при кипении. Росляков А.Д., Носов А.Н. Сб. докладов региональной научно-практической конференции «Новейшие достижения науки и техники на железнодорожном транспорте». Челябинск, ЮУЖД, 2004. С. 48.56.

93. Нестационарный теплообмен. Кошкин В.К., Калинин Э.К., Драйцер Г.А., Ярхно С.А. -М.: Машиностроение, 1973. -326 с.

94. Никулин В.А. Модель теплообмена в турбулентном пограничном слое с регулярной микроструктурой. В сб. "Высокотемпературные охлаждаемые газовые турбины летательных аппаратов", Казань: 1986. с. 57.64.

95. Носырев Д.Я., Скачкова Е.А., Росляков А.Д. Роторно-диспергирующий аппарат. Патент на полезную модель № 35081 от 19 августа 2003 г.

96. Носырев Д.Я., Скачкова Е.А., Росляков А.Д. Выбросы загрязняющих веществ тепловозными дизелями в условиях эксплуатации. Учебное пособие для студентов специальности 150700 Локомотивы. - Самара: СамГАПС, 2003. -102 с.

97. Носырев Д.Я., Скачкова Е.А., Росляков А.Д. Перемешивающее устройство. Патент на полезную модель № 38300 от 24 февраля 2004 г.

98. Петухов Б.С. Теплообмен и сопротивление при ламинарном течении жидкости в трубах. М.: Энергия, 1967. - 412 с.

99. ЮЗ.Петраковский С.С. Снижение расхода энергоресурсов принесет большой доход //Локомотивы. -1998.- №3. С. 4.6.

100. Пехович А.И., Жидких В.М. Расчеты теплового режима твердых тел. Л.: Энергия, 1976. - 362 с.

101. Пискунов В.А., Зрелов В.Н. Влияние топлив на надежность реактивных двигателей и самолётов. М.: Машиностроение, 1978. 270 с.

102. Попов B.C. Переходные процессы в конвективных теплообменниках с параллельным током теплоносителя. ИФЖ, 1981, т. 40, № 1, с. 95.96.

103. Похоример В.Л. О расчете динамики прогрева элементов термического оборудования. Теплоэнергетика, 1974, № 8, с. 53.55.

104. Похоример З.Л., Викулов В.А. Моделирование прогрева деталей энергетического оборудования, имеющих цилиндрическую конфигурацию. -Теплоэнергетика, 1971, №1, с. 46.52.

105. Росляков А.Д. Разработка приближённых методов расчёта и экспериментальное определение эффективных тепловых режимов топливной системы газотурбинного двигателя: Дис. на соиск. учен, степени канд. техн. наук. Куйбышев, 1990. - 149 с.

106. Проблемы теплообмена, под ред. П.Л. Кириллова. - М.: Атомиздат, 1976. С. 41 .57.

107. Просвиров Ю.Е. Проблемы совершенствования систем диагностирования тепловозных дизелей. Дис. д-р техн. наук. Самара, СамИИТ, 1999. -120 с.

108. Русаков М.М., Павлов Д.А. Окисление СО и СН в сильнозабалластированных отработавших газах ДВС подачей вторичного воздуха. XIII Симпозиум по горению и взрыву. Черноголовка: Российская АН, Институт проблем химической физики (ИПХФ), 202. - С. 212.

109. Росляков А.Д. Теплообмен в двигателях внутреннего сгорания. Самара: СамГАПС, 2004.-157 с.

110. Росляков А.Д., Левичев Н.И., Кудинов В.А. Система подачи топлива в камеру сгорания газотурбинного двигателя. А.с. 1434873 от 24 декабря 1988 г.

111. Росляков А.Д., Яновский Л.С. и др. Способ химико-термической обработки внутренней поверхности трубопроводов. А.с. 1649825 от 15 января 1991 г.

112. Росляков А.Д., Левичев и др. Система подачи топлива в форсажную камеру сгорания двухконтурного газотурбинного двигателя. А.с. 1633892 от 8 ноября 1990 г.

113. Росляков А.Д., Яновский Л.С. и др. Топливный трубопровод газотурбинного двигателя. А.с. 1520961 от 8 июля 1987 г.

114. Саблина З.А. Состав и химическая стабильность моторных топлив. М.: «Химия», 1972. - 592 с.

115. Серов Е.П., Корольков Б.П. Динамика процессов в тепло-массообменных аппаратах. М.: Энергия, 1967. - 167 с.

116. Симбирский Д.Ф. Температурная диагностика двигателей. Киев: изд. "Техника", 1976.-208 с.

117. Смольский Б.П., Сергеева Л.А., Сергеев В.П. Нестационарный теплообмен. Минск: Наука и техника, 1974. -157с.

118. Спэрроу Е.М., Хаджи-Шейх А. Исследование нестационарного и стационарного процессов теплопроводности в телах произвольной формы с произвольно заданными начальными и граничными условиями. Теплопередача, 1968, № I, с. 109. 115.

119. Структура турбулентного потока и механизм теплообмена в каналах. Ибрагимов М.Х., Субботин В.П., Бобков В.П. и др. М.: Атомиздат, 1978. -238 с.

120. Сукомел А.С., Величко В.И., Абросимов Г.А. Теплообмен и трение при турбулентном течении газа в коротких каналах. М.: Энергия, 1979. - 216 с.

121. Тартаковский Э.Д. Совершенствование технологии технического обслуживания локомотивов. //Железнодорожный транспорт. -1981.- № 9. -С. 52.54.

122. Темкин А.Г. Обратные задачи теплопроводности. М.: Энергия, 1973. -464 с.

123. Темников А.В., Игонин В.И., Кудинов В.А. Приближенные методы решения задач теплопроводности: / Учебное пособие/ Куйбышев, 1982. - 90 с.

124. Темников А.В. Современные методы математического моделирования и решения задач теплопроводности: Учебное пособие. Куйбышев: 1984. - 90 с.

125. Теплофизические свойства некоторых авиационных топлив в жидком и газообразном состоянии. Сб. статей. Под ред. Н.Б. Варгафтика. -М.: Оборонгиз, 1961. вып. 132. 160 с.

126. Тепло- и массообмен. Теплотехнический эксперимент: Справочник/ Под общ. ред. В.А. Григорьева и В.М. Зорина. М.: Энергоиздат, 1982. 546 с.

127. Теснер П.А. Кинетика образования пироуглерода. ХТТ, 1983. №5, с. 111.118.

128. Тихонов А.Н., Самарский А.А. Уравнения математической физики. Изд. 5-е, стереотипное, учеб. пособие для высших уч. заведений, Гл. ред. Физ.-матем. лит. изд. «Наука», М.: 1977. 736 с.

129. Тепловозные двигатели внутреннего сгорания: Учебник для вузов / А.Э. Симеон, А.З. Хомич, А.А. Куриц и др. М.: Транспорт, 1987. -536 с.

130. Фаин А.М, Применение вариационного метода для решения задач теплопроводности с внутренними источниками тепла. ИФЖ, 1969, 16, № 5, с. 668.675.

131. Федоткин И.М., Айзен A.M. Об одном способе решения задач теплопроводности с неидеальным тепловым контактом. Изв. вузов АН СССР, Энергетика и транспорт, 1973. № I, с. 158. 162.

132. Физико-химические и эксплуатационные свойства реактивных топлив: Справочник/ Дубовкин Н.Ф., Маланичева В.Г., Массур Ю.П., Федоров Е.П. -М.: Химия, 1985.-240 с.

133. Хинце И.О. Турбулентность. Пер. с англ. М.: Физматгиз, 1963. — 360 с.

134. Хорольский В.М„ Ильин В.М. Интегральный метод расчета температурных полей в твердом теле с нелинейными граничными условиями. В сб.: Теплофизика технологических процессов. Куйбышев, КПтИ, 1980. - с. 21 .28,

135. Цой П.В. Методы расчета отдельных задач теплопереноса. М.: Энергия, 1971.- 383 с.

136. Цой П.В. Методы расчета задач тепломассопереноса. М.: Энергоатомиздат, 1984.-423 с.

137. Цой П.В., Негматов Т.Н. Теплообмен при ламинарном и турбулентном течениях жидкости в круглой трубе. В сб. АН УССР, Теплофизика и теплотехника, 1977. вып.ЗЗ, изд. Наукова думка, с. 54. .60.

138. Чертков Я.Б., Спиркин В.Г. Применение реактивных топлив в авиации. М.: Транспорт, 1974. 160 с.

139. Швец М.Е. О приближенном решении некоторых задач гидродинамики пограничного слоя. -"Приклад, матем. и мех.", т. 13, №3, 1949. с. 21.28.

140. Шерстюк А.Н. Турбулентный пограничный слой. -М.: Энергия, 1974.-272с.

141. Шлихтинг Г. Теория пограничного слоя. Пер. с англ. М.: Наука, 1974. -711 с.

142. Шлыков Ю.П., Галун Е.А., Царевский С.Н. Контактное термическое сопротивление. М.: Энергия, 1977. 328 с.

143. Эккерт Э.Р., Дрейк P.M. Теория тепло- и массообмена. Пер. с англ. под ред. А.В. Лыкова. М.-Л.: Госэнергоиздат, 1961. 680 с.

144. Экологическая безопасность тепловозных дизелей в эксплуатации: Учебное пособие для студентов специальности 150700 Локомотивы/ Д.Я. Носырев, Е.И. Сковородников, Е.А. Скачкова, А.Д. Росляков - Самара: СамГАПС, 2004. - 139 с.

145. Энергетическая стратегия железнодорожного транспорта на период до 2010 года и на перспективу до 2020 года. М.: Открытое акционерное общество «Российские железные дороги». 2004. 14 с.

146. Е. Янке, Ф. Эмде, Ф. Лёш. Специальные функции. Формулы, графики, таблицы. М.: «Наука», 1977. - 344 с.

147. Яновский Л.С. и др. Горюче-смазочные материалы для авиационных двигателей. /Казанский Государственный Технический Университет им. А.Н. Туполева, Казань. 2002. 400 с.

148. Яновский Л.С., Сапгир Р.Б., Росляков А.Д. Моделирование эксплуатационных характеристик топливных коллекторов ГТУ. Материалы всесоюзной межвузовская конференции по газотурбинным и комбинированным установкам, М.: МВТУ им. Баумана, 1991.

149. Szetele E.J., Giovanetti A.J. ASME Paper, № 85, GT-130, Presented at. The 1985. Beijend International Gas Turbine Symposinm and Exposition, September 1.7, 1985.

150. Spadacieni L.G., Szetele E.J.,"Approaches to the Prevaporized Premixed Combustor Concept for Gas Turbines" ASME paper 75 GT-85, 1975.

151. Szetela E., Giovanetti A. Fuel Deposit Characteristics at Low Velocity. ASME Paper. № 85, 1985.