автореферат диссертации по кораблестроению, 05.08.05, диссертация на тему:Процессы локального радиационно-конвективного теплообмена в камерах сгорания судовых дизелей

На правах рукописи

РУДНЕВ Борис Иванович

ПРОЦЕССЫ ЛОКАЛЬНОГО РАДИАЦИОННО-КОНВЕКТИВНОГО ТЕПЛООБМЕНА В КАМЕРАХ СГОРАНИЯ СУДОВЫХ ДИЗЕЛЕЙ

Специальности

Судовые энергетические установки и их элементы (главные и вспомогательные)

Тепловые двигатели

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

Санкт-Петербург - 1998

ч

05.08.05 -05.04.02 -

Работа выполнена в Дальневосточном государственном техническом рыбохозяйственном университете

Научный консультант - доктор технических наук, профессор, академик Академии транспорта России Овсянников М.К.

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор Денисенко Н.И., доктор технических наук, профессор Бурячко В.Р., доктор технических наук, профессор Тузов Л.В.

Ведущее предприятие - ПО "Звезда".

Защита состоится 1998 г. в {Л| часов на заседании

диссертационного Совета Д.101.02.01 при Государственной морской академии имени адмирала С.О.Макарова по адресу: 199^06, Санкт-Петербург,-

ЫэЛ ЖШ1, Ш

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ГМА им. адм. С.О.Макарова.

Автореферат разослан 1998

г.

Ученый секретарь диссертационного Совета

доктор технических наук, профессор (ШйМх/^ Жадобин Н.Е.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. Долгосрочные научные прогнозы подтверждают, что в обозримом будущем дизели по-прежнему будут составлять основу транспортной и стационарной энергетики. Это объясняется их высокой экономичностью и рядом других существенных преимуществ по сравнению с остальными типами тепловых двигателей.

Современные тенденции развития дизелей связаны прежде всего с увеличением их удельной мощности, улучшением экономических и экологических характеристик. Это обуславливает появление целого ряда проблем и одна из наиболее важнейших из них возрастание теплона-пряженности деталей, образующих камеру сгорания (КС). Взаимодействие рабочего тела со стенками КС приводит к крайне неравномерному тепловому нагружению ее деталей. Высокие локальные тепловые потоки на указанных поверхностях являются основной причиной низкой эксплуатационной надежности современных форсированных дизельных двигателей.

Вместе с тем процессы локального радиационно-конвективного теплообмена между рабочим телом и стенками деталей КС все еще остаются недостаточно изученными и являются одним из узких мест в теории ДВС. В связи с этим создание надежных, экспериментально обоснованных расчетно-теоретических методов исследования локального радиационно-конвективного теплообмена в КС дизелей является актуальной проблемой. Ее решение позволяет значительно повысить уровень проектирования дизелей, в том числе с применением системы автоматизированного проектирования (САПР) и получить большой народно-хозяйственный эффект за счет уменьшения затрат на проектирование и экспериментальную доводку двигателей.

Цель к задачи работы. Основная цель диссертационной работы заключается в решении комплекса экспериментальных, теоретических и методических задач, связанных с созданием новых уточненных математических моделей (ММ) и методов расчета локального радиационно-конвективного теплообмена в КС дизелей. В соответствии с поставленной целью решались следующие основные задачи, в значительной мере определившие и методическую последовательность выполнения работы:

1. Теоретический анализ особенностей течения рабочего тела в КС и оценка возможностей использования теории турбулентного пограничного слоя при создании ММ локального конвективного теплообмена в дизелях с полуразделенными КС.

2. Теоретическое исследование условий локального радиационного теплообмена в КС дизелей, обоснование возможности модификации фундаментальной постановки задачи излучения в части учета эффективных радиационных тепловых потоков и разработка метода расчета интегральной степени черноты дизельного пламени.

3. Создание соответствующей аппаратуры и проведение комплекса экспериментальных исследований основных параметров рабочего процесса и локальных характеристик радиационно-конвективного теплообмена в КС высокооборотных дизелей, включающих одновременную в течение рабочего цикла регистрацию следующих величин:

1) колебаний температуры на поверхности КС, обусловленных суммарным тепловым потоком;

2) колебаний температуры, обусловленных радиационным тепловым потоком;

3) колебаний температуры на поверхности КС при отключенной подаче топлива в исследуемый цилиндр;

4) температурь! пламени;

5) концентрации частиц сажи в КС.

4. Разработка алгоритма и численная реализация на ЭВМ задачи потенциального течения рабочего тела в КС в нестационарной постановке для определения полей скорости, температуры, плотности и давления.

5. Разработка ММ локального конвективного теплообмена в КС с использованием основ теории турбулентного пограничного слоя.

6. Создание ММ локального радиационного теплообмена в КС дизелей с применением авторского метода оценки интегральной степени черноты пламени и модифицированной фундаментальной постановки задачи излучения.

7. Проверка адекватности разработанных ММ локального теплообмена в КС дизелем путем сравнения экспериментальных и расчетных данных по локальным конвективным, радиационным и суммарным тепловым потокам.

8. Практическое применение разработанных ММ и расчетных методов для аналитического исследования локальных параметров радиа-ционно-конвективного теплообмена в КС, оценки теплового и напря-женно-деформированпого состояния детален цшпшдропоршневой фуппы (ЦПГ).

Реализация этого комплекса задач рассматривается нами как достижение основной цели работы - решение проблемы создания инженерного метода расчета локальных параметров радиационно-конвективного теплообмена в КС дизелей.

_ -Научная новизна работы состоит в том, что:

- предложен оригинальный подход к решению задачи локального конвективного теплообмена, основанный на использовании фундаментальных законов сохранения, элементов теории турбулентного пограничного слоя и их численной реализации на ЭВМ с помощью МКР;

- рассмотрена и решена задача потенциального течения рабочего тела в КС дизельного двигателя в нестационарной постановке, в результате получены поля температуры, скорости, плотности и давления рабочего тела;

- предложена и реализована математическая модель локального конвективного теплообмена в КС дизелей;

- выполнены анализ взаимодействия потоков излучения в КС дизеля и оценка роли эффективного излучения, что позволило модифицировать фундаментальную постановку задачи радиационного теплообмена;

- предложена и реализована математическая модель локального радиационного теплообмена в КС со сложной геометрией;

- впервые в практике экспериментальных исследований теплообмена в КС дизелей выполнено одновременное измерение суммарных и радиационных тепловых потоков, температуры пламени и концентрации частиц сажи.

Личное участие автора заключается в разработке и определении направления, цели и задач исследования, в проведении комплекса теоретических и экспериментальных исследований от постановки задач до экспериментальной проверки в лабораторных условиях, создании математических моделей и их численной реализации на ЭВМ, в получении

научных результатов, отраженных в опубликованных работах (в том числе и в соавторстве).

Достоверность и обоснованность научных положений м результатов определяются:

- применением общих систем уравнений, выражающих фундаментальные законы сохранения энергии, массы и импульса с соответствующими начальными и граничными условиями, современных численных методов реализации математических моделей;

- использованием для обоснования предложенных математических моделей локального радиационно-конвективного теплообмена достоверных опытных данных, полученных автором на разработанной им специальной экспериментальной установке для измерения основных параметров рабочего процесса дизеля и локальных нестационарных тепловых потоков, температуры пламени и концентрации частиц сажи в КС в широком диапазоне изменения нагрузочных и скоростных режимов;

- использованием достоверных результатов экспериментальных и расчетных исследований, выполненных другими авторами в МГТУ, ЦНИДИ, СПбГТУ, ГМА им. адм. С.О.Макарова (С.-Петербург), ВАТТ (С.-Петербург), ХПИ, МАДИ, ИТТФ АН Украины, в Вискон-синском университете (США), в университете г.Лафборо (Англия), в фирме "Даймлер-Бенц" (Германия) и др.;

- экспериментальным подтверждением достаточной точности разработанных математических моделей конвективного и радиационного теплообмена на примерах распределения нестационарных локальных суммарных, конвективных и радиационных тепловых потоков, а также стационарных температур и их колебаний, замеренных на поверхности крышки цилиндров и других деталей КС при широком диапазоне изменения режимов работы двигателя;

- применением ГОСТов, нормативных актов и соответствующей градуировкой элементов измерительного комплекса при расчетно-экспериментальном исследовании дизелей.

Значимость работы для науки и практики состоит в том, что:

- развиты теоретические и расчетные основы проектирования и доводки дизелей путем дальнейшей разработки теоретических и экспе-

рнментальных методов определения локальных тепловых нагрузок и теплового состояния деталей ЦПГ дизелей;

- разработаны алгоритмы и программы, реализующие математические модели локального радиационно-конвективного теплообмена между рабочим телом и стенками КС и позволяющие с достаточной для практики точностью решать комплексные задачи проектирования перспективных конструкции дизелей, доводки и модернизации существующих;

- при непосредственном участии и по проекту автора в лаборатории ДВС технического университета (С.-Петербург) была создана экспериментальная установка для измерения локальных нестационарных температур, радиационных и суммарных тепловых потоков, температуры пламени и концентрации частиц сажи в КС высокооборотного дизеля. Кроме этого автором созданы оригинальные конструкции поверхностного железоникелевого термоприемника и датчика радиационного теплового потока и в соавторстве предложена и реализована конструкция установки для динамической градуировки поверхностных термоприемников;

- решение ряда теоретических, экспериментальных и методических вопросов определения локальных тепловых нагрузок и теплового состояния деталей КС позволяют значительно сократить затраты на проектирование и доводку высоко- и среднеоборотных дизелей;

- результаты диссертационной работы внедрены на Коломенском тепловозостроительном заводе, в объединении "Кировский завод" (С.Петербург), а также в учебный процесс Дальневосточного государственного технического рыбохозяйственного университета.

На защиту выносятся:

- Обоснованные экспериментально математические модели локального конвективного и радиационного теплообмена в КС дизелей, позволяющие определить:

поля температуры, скорости, плотности и давления рабочего тела в объеме КС;

локальные плотности конвективного, радиационного и суммарного тепловых потоков на поверхностях КС; тепловое состояние деталей ЦПГ дизеля.

- Расчетно-экспериментальный метод определения локальной интегральной степени черноты дизельного пламени;

- Методы численной реализации указанных выше математических моделей и результаты, полученные при этом;

- Результаты определения локальных нестационарных конвективных, радиационных и суммарных тепловых потоков на поверхностях КС дизеля, а также данные по температуре пламени, концентрации частиц сажи в объеме КС и скорости рабочего тела, полученные экспериментальным путем на специальной установке.

Апробация работы. Научные положения, результаты расчетных и экспериментальных исследований, составляющих основу диссертации, докладывались и обсуждались на международных, всесоюзных и республиканских научно-технических форумах, симпозиумах, конференциях и семинарах: "Тепловыделение, теплообмен и теплонапряженность высокофорсированных ДВС, работа их на неустановившихся режимах", г.Ленинград, 1976 г.; "Рабочие процессы в двигателях внутреннего сгорания", г.Москва, 1978 г.; Научный семинар с международным участием по корабельной энергетике, г.Варна, Болгария, 1979 г.; "Перспективы развития комбинированных двигателей внутреннего сгорания и двигателей новых схем и топлив", г.Москва, 1980 г.; "Development and Manyfacture of Automotive and Tractor Diesel Engines", Varna, Bulgaria, 1980 г.; "Рабочие процессы в двигателях внутреннего сгорания", г.Москва, 1982 г.; "Проблемы совершенствования рабочих процессов в двигателях внутреннего сгорания", г.Москва, 1986 г.; "Перспективы развития комбинированных двигателей внутреннего сгорания и двигателей новых схем и на новых топливах", г.Москва, 1987 г.; XIX International Symposium "Heat and mass transfer in gasoline and diesel engines", Dubrovnik, Yugoslavia, 1987 г.; XIII International Scientific Conference "Specjalized elements of piston type internal combustion engines with high technical and exploatational parameters", KONES'87, Lublin-Kazimierz Dolny, Poland, 1987 г.; Первый Международный форум по тепломассообмену, г.Минск, 1988 г.; XIV International Scientific Conference "Spccjalized elements of piston type internal combustion engines with high technical and exploatational parameters", KONES'88, Poznan-Blazejcwko, Poland, 1988 г.; XV International Scientific Conference "Spccjalized elements of piston type internal

combustion engines with high technical and exploalational parameters", KONES'89, Wroclaw-Polanica zdroj, Poland, 1989 г.; "Повышение надежности и экологических показателей антомобильных двигателей", г.Горький, 1990 г.; "Актуальные проблемы развития двигателей внутреннего сгорания и дизельных установок", г.Ленннград, 1990 г.; XVII International Scientific Conference "Specjalized elements of piston type internal combustion engines with high technical and exploatational parameters", KONES'91, Poznan-Blazejewko, Poland, 1991 г.; "Рабочий процесс, теплообмен, теплонапряженность деталей ДВС", г,Санкт-Петербург, 1991 г.; Второй Международный форум по тепломассообмену, г.Минск, 1992 г.; Second International Symposium on Small Diesel Engines, CIMAC'92, Warsaw, Poland, 1992 г.; Международная науч-техн. конф. "Совершенствование быстроходных дизелей", г.Барнаул, 1993 г.; Вторая Международная науч.-техн. конф. "Актуальные проблемы фундаментальных наук", г.Москва, 1994 г.; Первая Российская национальная конференция по теплообмену, г.Москва, 1994 г.; Pacific International Conference "Mathematical modeling and cryptography", PMMC-95, Vladivostok, 1995 г.; Fourth International Simposium on Small Diesel Engines, CIMAC'96, Warsaw, Poland, 1996 г., а также на ряде межвузовских, краевых, отраслевых и региональных конференций в период с 1977 г. по 1997 г.

Публикации. Основные результаты, изложенные в диссертации, опубликованы в 72 научных трудах, 2 учебных пособиях, 10 научно-технических отчетах по НИР, выполненных в Дальрыбвтузе и техническом университете (г.Санкт-Петербург) в период с 1975 г. по 1995 г.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения и списка литературы. Общий объем работы составляет 411 страниц, в том числе 229 страниц основного текста, 161 рисунок и 3 таблицы. Список литературы включает 487 источников, из них 179 на иностранных языках.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введеннн обоснована актуальность темы диссертации, определены цель и задачи исследований, сформулированы научная новизна и

практическая значимость работы, приведены основные положения, выносимые автором на защиту и дана общая ее характеристика.

В первой главе содержится анализ основных работ по теоретическому и экспериментальному исследованиям процесса локального ра-диационно-конвективного теплообмена в КС дизелей. Отмечается, что большой вклад в изучение различных аспектов этого процесса внесли: Л.М.Белинкий, А.К.Костин, М.К.Овсянников, А.Ф.Шеховцов, Г.Б.Розенблит, М.В.Страдомский, Е.А.Максимов, Н.Д.Чайнов, Р.М.Петриченко, М.Р.Петриченко, В.З.Махов, С.А.Батурин, Б.С.Стефановский, В.С.Семенов, Р.З.Кавтарадзе, Н.А.Иващенко,

B.А.Синицын, Г.А.Давыдов, В.Р.Бурячко и др. За рубежом широкие исследования в этом направлении выполнены: T.Oguri, \У.ГО.Аппапс1, Т.Н.Ма, 1.С.Веп1, Р.Пупп, А.О.Созтап, Т.КагштоЮ, З.Ма15иока,

C.Бикеи D.B.Spalding, ЬШЛУЬкеЬоизе, S.Wisniewski, ОЛУовсЬш, В.Уашаба, Q.B.Zhou. В результате анализа установлено, что в настоящее время для математического описания процесса локального теплообмена между рабочим телом и стенками КС используются в основном два подхода. Первый из них основан на применении общей системы дифференциальных уравнений конвективного теплообмена при турбулентном движении рабочего тела в КС и последующей численной реализации ее на ЭВМ. При этом рабочее тело в КС рассматривается как-сплошная среда с известными теплофизическими характеристиками, а в самих уравнениях выполняются те или иные упрощения и поток рабочего тела не разбивается на ядро (внешнюю область) и пристенную область (область пограничного слоя). В этом подходе используется общепризнанная концепция моделирования широкого класса явлений, связанных с тепломассообменом в движущихся средах по рецепту: фундаментальные законы сохранения + гипотезы замыкания. Для второго подхода характерно использование различных методов теории турбулентного пограничного слоя с целью определения локальной плотности теплового потока, передаваемого от движущейся среды к стенкам КС.

Показано, что в комплексе задач, составляющих проблему создания надежных инженерных методов расчета локальных радиационно-конвективных тепловых потоков в КС дизелей, основными, подлежащими уточнению и дальнейшей разработке, являются следующие:

1) задачи определения локальных температур рабочего тела и локальных концентраций частиц сажи в КС дизелей;

2) задачи определения локальных скоростей рабочего тела;

3) задачи, относящиеся к уточнению ряда положений зонального метода расчета радиационного теплообмена применительно к КС дизелей;

4) группа задач по совершенствованию существующих и освоению новых методик экспериментального исследования локальных параметров теплообмена в дизелях.

Отмечено, что появление и широкое использование в последнее время мощных персональных ЭВМ и соответствующего их математического обеспечения, включая самые разнообразные пакеты и комплексы прикладных программ, в том числе и графических, позволяет определить расчетным путем поля скоростей, температур, плотностей и давлений рабочего тела в КС дизелей. Последние могут служить надежной основой для использования всего комплекса теоретических и экспериментальных результатов, полученных в фундаментальной теории теплообмена, применительно к дизельным двигателям. Именно такой путь избран автором настоящей работы при создании ММ и их численной реализации на ЭВМ с целью получения количественных характеристик локального радиационно-конвективного теплообмена в КС дизелей. Укрупненная схема решения комплекса задач локального радиационно-конвективного теплообмена в КС дизелей с использованием фундаментальных законов сохранения и метода конечных разностей (МКР) представлена на рис. 1.

Вторая глава посвящена математическому моделированию конвективного теплообмена в КС дизелей, конечной целью которого является расчетное определение локальных потоков этого вида переноса теплоты для поверхностей крышки цилиндра, поршня и втулки в функции угла поворота коленчатого вала (ПКВ). При этом рабочее тело в КС дизеля рассматривается условно состоящим из ядра потока и турбулентного пограничного слоя. Выполненными расчетными оценками установлено, что для дизеля типа 8ЧН 13/14 и аналогичных ему скорость звука в КС лежит в пределах 520-880 м/с. В то же время величина скорости рабочего тела в дизелях с КС типа ЯМЗ и им подобных укладывается в диапазон 10-70 м/с. Сопоставление последних со скоростями

Укрупненная схема решения комплекса задач локального радиационно-конвективного теплообмена в КС дизелей с использованием фундаментальных законов сохранения и МКР

Решение комплекса задач локального радиационно-конвективного теплообмена в КС дизелей с использованием фундаментальных законов сохранения и

МКР

Определение ГУ теплообмена между рабочим телом и стенками КС дизеля

ММ локального конвективного теплообмена в КС

Численное решение на ЭВМ < внешней гидродинамической задачи течения рабочего тела в КС с использованием МКР

Использование теории турбулентного пограничного слоя (С.С.Кутателадзе, А.И.Леонтьев)!

ММ локального радиационного теплообмена в КС

Использование модифицированного зонального метода в фундаментальной постановке для расчета локальных потоков излучения в КС

Представление расчетной схемы взаимодействия потоков излучения в КС и оценка роли эффективного излучения поверхностей

Проведение экспериментального исследования локальных характеристик радиационно-конвективного теплообмена в КС дизрля и основных параметров его рабочего процесса

Использование специальной методики для определения локаль- [ ных значений скоростей рабоче-1 го тела в КС на основе экспериментальных данных по колебаниям температуры на поверхности деталей ЦПГ

Получение численных значений локальных ГУ конвективного теплообмена в КС

Оценка локальной интегральной}

степени черноты дизельного пламени и локальных температур объемного излучателя

Определение геометрических и обобщенных угловых коэффициентов излучения

Получение численных значений локальных ГУ радиационного теплообмена в КС

Получение экспериментальных значений локальных плотностей радиационного, конвективного и суммарного тепловых потоков, локальных значений температуры пламени и концентрации частиц сажи

Сравнение и комплексный анализ расчетных и экспериментальных значений локальных ГУ радиационно-конвективного теплообмена. Оценка адекватности ММ.

Использование полученных локальных ГУ радиационно-конвективного теплообмена доя расчета теплового и напряженно-деформированного состояния деталей, образующих КС

Рис. 1

звука показывает, что условие v < 0,25а (здесь а - скорость звука) выполняется во всем диапазоне угла ПКВ, при котором передается основная часть теплоты от рабочего тела к стенкам деталей, образующих КС (процессы сгорания и расширения рабочего тела). Вследствие этого рабочее тело в ядре потока можно считать несжимаемым: р = const. Подробный анализ системы дифференциальных уравнений конвективного теплообмена применительно к КС дизелей, проведенный автором, показал, что течение рабочего тела в ядре потока является невязким, т.е. потенциальным, v = 0. В дизелях, имеющих КС типа ЯМЗ, ЦНИДИ, КАМАЗ и им подобных, движение рабочего тела в ядре потока можно считать осесимметричным и перейти от цилиндрической системы координат (трехмерная постановка задачи - координаты Z, г, <р) к двухмерной, плоской задаче (координаты Z, г). Система координат и область решения двухмерной осесимметричной задачи течения рабочего тела в КС с фигурным днищем поршня показана на рис. 2. На этом рисунке начало координат О лежит на огневой поверхности крышки цилиндра, координата г направлена вдоль радиуса цилиндра, а координата Z совпадает с осью цилиндра. Область решения представлена плоскостью ZOr, причем координата Z однозначно связана с движением поршня в цилиндре через известные кинематические соотношения исследуемого дизеля. При этом система дифференциальных уравнений в частных производных, описывающая фундаментальные законы сохранения массы, импульса и энергии применительно к течению рабочего тела в потенциальном ядре потока в КС дизеля в указанной выше системе координат, запишется следующим образом

(О

(2)

(3)

, ИНа

8.0 6.0 10 го о

"V ■Я.

/ г..

/ / 1 \ <

/ \ \ V

/ ч

т_,/г

2300 1800 1300 800

г,?о

зео вит

но вне <р;

Рис. 2. Область решения двухмерной осесимметричной задачи течения рабочего тела в КС с фигурным днищем

Рис 3. Изменение параметров рабочего тела в цилиндре дизеля 8ЧН 13/14; Рте =0,61 МПа; п = 1700 мин-'

г/о1.

1.3 1.2

0.9 ОТ

о.е

0.5 0.1, 0.5 0.1

• <'////77У77///г777777777Г, |

: \ V '/ / / / <■ / / / / / /

у//////// '//■У////

1 \ \ !

: ) / /

\^^^ /

"Л/

Г| 1111 111 1111 м I 1.11 т/1 и ,,, м /, ,, • ........

о.7 гг 1.1 г./ гл и з.б

Рис. 4. Поле скоростей

рабочего тела в КС, полученное численным методом; 15°ПКВ после вмт; рте = 0,61 МПа; п = 1700 мин'

Рис. 5. Изотермы рабочего тела в КС; цифрами на них указаны значения температуры в тысячах градусов Кельвина; 15°ПКВ после ВМТ. Ргас = 0,61 МПа; п = 1700 мин-1

*.! ♦( II г-Ю',,

где р - плотность рабочего тела в КС; U, v - вертикальная (осевая) и радиальная проекции вектора скорости рабочего тела; t - время; Р - давление рабочего тела; Z, г - вертикальная (осевая) и радиальная координаты цилиндрической системы; Е - внутренняя энергия рабочего тела.

Рабочее тело в КС дизеля можно считать подчиняющимся законам идеального газа, поэтому

Р = pRT. (5)

Тепловыделение в КС, обусловленное горением топлива, усиливает турбулентность рабочего тела и интенсифицирует теплообмен. Однако непосредственный его учет в уравнении (4) требует по своей сути детального моделирования процессов горения топлива в цилиндре дизеля и всех предшествующих ему процессов. Математическое моделирование турбулентных течений с учетом процессов горения представляет собой отдельную крупную и весьма сложную научную проблему и, как показывают современные исследования, еще далекую от своего полного решения. В связи с отмеченным при определении параметров течения рабочего тела в ядре потока тепловыделение прямым способом в виде отдельного члена в уравнении (4) учесть весьма трудно. Поэтому при расчетах в качестве первого приближения предлагается учитывать тепловыделение в потоке рабочего тела косвенным образом через задание соответствующих начальных условий. В частности, начальные условия по давлению, температуре и скорости рабочего тела для двухмерной задачи течения могут быть приняты по данным, полученным в работах A.D.Gosman, T.Kamimoto, K.Nichida, P.O.Witze, Xie Maozhao, J.Yang. При этом контроль термодинамических (средних для всего объема КС) значений давления и температуры может быть осуществлен по расчетной или экспериментальной индикаторной диаграмме, т.е. из нульмерного описания процессов в КС. Для примера на рис. 3 показано изменение параметров рабочего тела в цилиндре дизеля 8ЧН 13/14, полученное в результате обработки экспериментальной индикаторной диаграммы для режима Р,„е = 0,61 МПа и п = 1700 мин1.

Следует отметить, что двухмерная задача течения рабочего тела в КС дизеля рассматривалась и решалась нами в нестационарной постановке, так как, на наш взгляд, такая постановка задачи в большей сте-

пени соответствует реальной физическом картине течения рабочего тела в период активного тепловыделения и КС. Как хорошо известно, за этот период цикла от рабочего тела к стенкам КС передается от 75 до 90% теплоты. Вместе с тем отметим, что в научной литературе имеются н другие подходы, когда движение рабочего тела в КС дизеля рассматривается в квазистационарной постановке (Р.М.Петриченко, Р.З.Кавтарадзе, В.А.Сипицын). Р.М.Петриченко было показано, что при использовании в числе Струхаля Sh в качестве характерных параметров радиуса цилиндра, средней скорости поршня и времени рабочего цикла его величина для широкой группы двигателей имеет порядок 0(10')- Для исследованного дизеля 8ЧН 13/14 расчеты показывают, что число Струхаля равно 0,116. Это значение соответствует условиям, при которых в качестве характерных приняты ранее указанные параметры. Однако если в качестве характерного времени принять время активного тепловыделения в КС, то для дизеля 8ЧН 13/14 число Sh составит 2,09. При таких условиях процесс движения рабочего тела в КС рассматривать как квазистационарный уже нельзя. Исходя из этого, нами численно решалась нестационарная задача движения рабочего тела в потенциальном ядре потока в КС. Заметим, что к подобным выводам пришли и другие исследователи: A.Amsden, F.Bozza, R.Tuccillo, C.Fort, T.Kageyama, H.Kido, H.Naji, K.Nichida, Xie Maozhao.

Уравнения (1) - (4) решались численно на ЭВМ по специальной программе. В расчетах условий течения рабочего тела в КС дизеля 8ЧН 13/14 использовались регулярные сетки размером 25x20 для плоской поверхности днища поршня и 30x20 для днища со сложным профилем поверхности. Рассмотрение и численное решение задачи течения рабочего тела в КС с плоским днищем поршня были обусловлены необходимостью выяснения ряда как общих закономерностей, так и особенностей такого течения, а также отработкой алгоритма и программы численного решения уравнений на ЭВМ. В результате были получены поля скорости, температуры, плотности и давления рабочего тела в объеме КС при различных углах ПКВ. Некоторые из них представлены на рис. 4-7. Визуализация указанных полей осуществлялась с помощью графических программ для ЭВМ Surfer и Grapher фирмы Golden Software inc., Golden, Colorado, USA.

Рис. 6. Изостеры рабочего тела в КС; цифрами на них указаны значения плотности рабочего тела в кг/м3; 15°ПКВ после ВМТ; Рте = 0,61 МПа; п = 1700 мин-'

Рис. 7. Изобары рабочего тела в КС; цифрами на них указаны значения давления в МПа; 15°ПКВ после ВМТ; Рте = 0,61 МПа; п= 1700 мин-1

Для КС со сложным профилем поверхности поршня типа ЦНИ-ДИ, ЯМЗ, Гессельман л др. возможно, как показали выполненные на ЭВМ расчеты, использование рекомендаций С.Патанкара о блокировке некоторых расчетных областей регулярной конечно-разностной сетки. Полученные расчетные поля скорости, температуры, плотности и давления рабочего тела были затем использованы как входные параметры для расчета локального теплового потока. Расчетная зависимость для локальной плотности конвективного теплового потока построена на интегральном соотношении энергии для турбулентного пограничного слоя и имеет вид

81 = СТ1е

Ут-ЛТ11

|Ч'хЛТи"Мх

-щ>( 1+т)

(б)

Полученное локальное значение критерия Стентона в совокупности с локальными значениями скорости, температуры, плотности и теплоемкости рабочего тела однозначно определяют локальную плотность конвективного теплового потока:

= Срсср00\\'00ДТш+|СКе1^

-пУО+т) ^ ^

|ч/хдт1+шах

-пУ(1+т)

(V

о

здесь Ср^, р„, \уда, Ти - изобарная теплоемкость, плотность, скорость и температура рабочего тела в КС; ДТ = - 'Ги, - температурный напор; Т№ - локальная температура стенки; Ле^ - число Рейнольдса, построенное по характерному размеру поверхности; - коэффициент, учитывающий влияние неизотермичности на теплоотдачу; С - константа; х - относительный радиус крышки цилиндра или поршня.

Выполненные на ЭВМ расчеты с использованием зависимости (7) позволили получить распределение локальной плотности конвективного теплового потока по всем поверхностям КС. На рис. 8-10 представлены некоторые из полученных результатов. В конце второй главы про-

Чк-10~5. Вт/пг

го

ю

ч !// г \

/п \ \

1 7 ! 3 ч

ЦцШ~\ Вт/п'

300 360 но *во у,-

Рис. 8. Расчетные значения локальной плотности конвективного теплового потока на поверхностях деталей КС дизеля 8ЧН 13/14 для точек с координатами р = 0,462 и Ь = 0,071; Рте = 0,61 МПа; п~ 1700 мин-': 1 - поршень; 2 - крышка цилиндров; 3 - втулка цилиндра

о 02 0.4 0.6 об £

Рис. 9. Расчетные значения локальной плотности конвективного теплового потока в функции относительного радиуса крышки цилиндров дизеля

8ЧН 13/14; Рте = 0,61 МПа; п = 1700 мин ': 1 - Ю°ПКВ после ВМТ; 2 - 30°; 3 - 60°

-т'1. вт/м

УУ, м/с

02 0Л 06 Ов р

Рис. 10. Расчетные значения локальной плотности конвективного теплового потока в функции относительного радиуса поршня; остальные обозначения аналогичны рис. 9.

„ / ч

у г

в/ 1Т

Рис. 11. Изменение скорости рабочего тела вблизи огневой поверхности

крышки цилиндров дизеля 8ЧН 13/14; Рте = 0,61 МПа; п = 1700 мин-'; 1 - в окрестности точки с р = 0,462; 2-е р = 0,723

о

анализирован метод определения скорости рабочего тела в цилиндре дизеля по измеренным значениям колебании температуры поверхностей деталей КС, предложенный специалистами фирмы "Даймлер-Бенц" М.Ва^епс1е и Я.РиНег. Использование авторских экспериментальных данных по колебаниям температуры в четырех точках поверхности крышки цилиндров дизеля 8ЧН 13/14 и названного выше метода позволило получить значения локальных скоростей рабочего тела (см. рис. 11). Эти значения скоростей затем были применены для проверки адекватности расчетных полей скорости рабочего тела в КС, полученных при решении на ЭВМ внешней гидродинамической задачи.

Третья глава посвящена разработке ММ локального радиационного теплообмена в цилиндре дизелей, позволяющей расчетным путем оценить локальные потоки излучения на всех поверхностях КС.

Для обоснованного расчета локального радиационного теплового потока, передаваемого от пламени к стенкам КС, необходимо располагать надежными данными по температуре пламени, его интегральной степени черноты, радиационным свойствам поверхностей и оптико-геометрическим характеристикам системы в целом. В результате проведенного в этой главе анализа особенностей излучения пламени в КС дизелей установлено, что основным излучателем в нем являются частицы сажи, имеющие сплошной спектр излучения, и именно этим объясняется светимость дизельного пламени. Излучением конечных продуктов сгорания топлива СО), НзО, МОч и др. можно пренебречь, т.к. они имеют линейчатый спектр излучения и по данным современных исследований их доля составляет 3-5% от общего потока излучения в КС. Показано, что основными факторами, влияющими на интенсивность излучения дизельного пламени,являются: температура, оптическая толщина излучающего слоя, размеры и концентрация излучающих частиц сажи с осредненным диаметром ~ 0,05 мкм.

В основу разработанной автором ММ для расчета локальных радиационных тепловых потоков в КС дизелей положен зональный метод. Установлено, что главными особенностями его применения к КС дизеля являются переменность угловых коэффициентов излучения и весьма значительная неоднородность излучателя по температуре и концентрации частиц сажи. Применение зонального метода для расчета локального радиационного теплового потока в КС дизеля требует знания ло-

кальных температур пламени. Автором было выполнено экспериментальное исследование, в котором регистрировались локальные температуры пламени в КС дизеля 8ЧН 13/14. Результаты этого исследования представлены на рис. 12. Весьма обстоятельные экспериментальные и расчетные данные по локальным значениям температуры пламени и локальным концентрациям сажи в КС дизелей содержатся в работах С.А.Батурина, В.А.Синицына, Д.Д.Матиевского и А.В.Гладышева, Н.А.Баранова, T.Kamimoto, S.Matsuoka, J.Yan, G.Borman, A.Amsden, B.Chen, Q.Zhou. Подробная количественная информация, содержащаяся в названных работах, приведена в диссертации. Указанные данные могут быть использованы в зональном методе с целью определения локальных радиационных тепловых потоков в КС дизелей. При этом кроме локальных температур пламени и локальных концентраций сажи необходимо знание величины интегральной степени черноты дизельного пламени. Для ее определения автором разработан расчетно-экспериментальный метод [24, 29], с помощью которого была получена зависимость для спектральной степени черноты дизельного пламени в виде

Результаты расчета спектральной степени черноты пламени для одного из режимов работы дизеля 8ЧН 13/14 показаны на рис. 13. Для определения радиационной тепловой нагрузки деталей КС необходимо располагать не спектральными, а интегральными параметрами. Используя определение интегральной степени черноты и учитывая, что основная доля энергии излучения дизельного пламени лежит в ближней инфракрасной области спектра,получим

(8)

J l-expf-cir1 -oAilI

Х5[ехр(С2/(/-!))-l]

С,

■dX.

Е =

(9)

Тп.К 2Ш

нов то

то

-тетю зо

Рис. 12. Изменение температуры пламени в КС дизеля 8ЧН 13/14; Рте = 0,61 МПа; п = 1700 мин-'; 1,2,3- номера хорд, по которым измерялась температура пламени; -----след КС в поршне

р.г/н1

гм

2.0 1.6 12 о.ь ОА

-Ю ВИТ 20 40 60 вО 100 <?,'

Рис. 14. Изменение концентрации частиц сажи в КС дизеля 8ЧН 13/14:

1 -Ршс = 0,61 МПа;

2 - Ршс = 0,36 МПа; 3-Рте = 0,12 МПа.

os а* 0.3 02 0.1

\

\

\

о I г з * 5 х,нкп

Рис. 13. Спектральная степень черноты пламени дизеля 8ЧН 13/14

£

0.25 0.20 0.1 В О. ГО 0.0! о

х- 1

ч

¡¡//

1-С 1 N N

5' \ч N

-10 ВПТ 20 Ю ВО 80 100 у,"

Рис. 15. Изменение интегральной степени черноты пламени в КС дизеля 8ЧН 13/14; 1 - Рте = 0,61 МПа; 2-Ртг = 0,49 МПа; 3 - Р™ = 0,36 МПа; 4 - Рте = 0,24 МПа; 5 - Рте = 0,12 МПа.

вит

Рис. 16. Зональная модель излучающей системы в цилиндре дизеля с полуразделенной КС

Отличительной особенностью предлагаемой оценки интегральной степени черноты по уравнению (9) от ранее предложенных является то, что она получена на строгой физической основе и учитывает важнейшие параметры, определяющие излучательную способность дизельного пламени: температуру, концентрацию частиц сажи и их оптические характеристики.

Данные о величинах температур пламени и концентрации частиц сажи в функции угла ПКВ были получены автором экспериментальным путем при испытании дизеля 8ЧН 13/14 (см. рис. 12 и 14). Расчетные значения интегральной степени черноты пламени для этого двигателя, полученные с использованием уравнения (9), представлены на рис. 15. Основным излучателем в дизелях являются частицы сажи, в общем случае неравномерно распределенные по объему КС. Температура пламени также имеет локальный характер. Эти две важнейшие особенности процесса радиационного теплообмена в КС дизелей до последнего времени не учитывались при его математическом моделировании. В предлагаемой автором ММ для расчета локальных радиационных тепловых потоков в КС дизелей используется итерационно-зональный метод исследования и расчета теплообмена излучением, предложенный Ю.А.Суриновым. Реальная излучающая система для условий КС дизелей представляется как состоящая из четырех зон: трех поверхностных -поверхность крышки цилиндра Б), втулки Бг и поршня Из, а также одной объемной зоны V, заполненной сажегазовой средой. Проведенный автором анализ взаимодействия основных потоков излучения в такой системе позволил установить, что результирующий поток излучения для точки поверхности КС формируется при взаимодействии двух потоков: собственного потока излучения объемной зоны Есоб\'(М,) и собственных потоков излучения поверхностей, образующих граничную поверхность Есобг(М(). При этом собственные потоки излучения граничной поверхности и объемной зоны однозначно определяются по зависимостям

Есобп = ОоБрТр, ЕсобУ = а0ЕуТу. (10)

В результате сложного взаимодействия рассмотренных выше потоков излучения между объемной зоной к соответствующими точками граничной поверхности в замкнутой системе формируются результи-

рующие потоки, определяющие радиационную тепловую нагрузку деталей КС. Этот процесс взаимодействия основных потоков излучения описывается известной системой интегральных уравнений излучения, подробный анализ которой приводится в диссертации. Ю.А.Суриновым показано, что итерационно-зональный метод обобщает все основные постановки задач о радиационном теплообмене, имеющих единственное решение и различающихся способом задания граничных условий и характеристик поля излучения. Математическую основу этого метода составляет конечная система линейных алгебраических уравнений, аппроксимирующих соответствующую систему интегральных уравнений излучения. Указанная система алгебраических уравнений запишется следующим образом:

П , П\

Е™.,(Мк)= 2Есо6(Му)ф(му,Рк)+ 2Есо6(Му)Ф(Му,Рк);

7=1

Е,ф(Мк)=

соб

у=1

(1-ек)2Есо6(му)ф(М7,Рк) +

Г=1

т

+('-ек)1Есо6(Му)ф(Му,Рк);

У=1

Еря(Мк) = ек

2]Есо6(Му)Ф(М7,Ру

,у=1

т

п

+ ^Есо6(Му,Рк)- Х^о6(Мк)ф(мк,Ру

У=1 у=|

(11)

Уравнения (Л) пол учены в предположении, что излучающая система состоит из п граничных и т объемных зон. Их решение позволяет определить мгновенное локальное распределение но элементам граничной поверхности всех видов потоков излучения. Известно также, что в КС дизелей температура объемного излучателя Ту намного превышает температуры поверхностей крышки цилиндра, поршня н втулки. Вследствие этого собственный поток излучения объемной зоны также

+

значительно больше собственного потока излучения соответствующих поверхностей.

Расчеты показывают, что при температурах крышки цилиндра н поршня в пределах 550-620 К, втулки цилиндра 430-450 К Есобу(М,) на два порядка больше Есобр(Мп). При этом безразмерные температурные факторы, определяющие взаимодействие потоков излучения в КС дизелей, имеют порядок 10 3. Поэтому можно считать, что роль эффективных потоков излучения поверхностей, образующих КС.в формировании результирующих потоков незначительна и укладывается в пределах 15-20%, т.е. сопоставима с погрешностью экспериментального определения температуры объемного излучателя (пламени) и концентрации частиц сажи в цилиндре дизеля. Тогда для точки Мк граничной поверхности Р можно приближенно считать Еэфр,(М1) = Еэф^М:;) = Е,фр.(Мз) « 0. Учитывая приведенные выше положения, автором предлагается использовать зональную модель, показанную на рис. 16. В рамках этой ММ в КС дизеля рассматривается взаимодействие только собственного потока излучения объемных зон V¡ и соответствующих граничных (поверхностных) зон р1, Бг и Бз. Основные положения предлагаемой ММ сводятся к следующему. Процесс радиационного теплообмена в цилиндре дизелей с неразделенной КС на установившемся режиме работы рассматривается нами на адекватной физической модели, представленной на рис. 16. Она представляет из себя замкнутую осе-симметричную цилиндрическую излучающую систему. Первая из особенностей этой системы заключается в том, что она состоит из трех граничных (поверхностных) зон: 1 - крышка цилиндра, 2 - боковая поверхность втулки цилиндра, 3 - днище поршня и нескольких объемных зон. Вторая особенность излучающей системы заключается в нестационарном положении зоны 3 вдоль координаты Ъ. Проведенная аппроксимация исходных интегральных уравнений, описывающих фундаментальную постановку задачи радиационного теплообмена, соответствующей системой алгебраических уравнений и ее модификация в части учета эффективного излучения позволили предложить для расчета падающих на поверхности крышки цилиндра, втулки и поршня радиационных потоков систему уравнений следующего вида:

*им,) = Есоб(м У| )у (м V,, Р,) + Е^ (м у2 )V (м V,, Ц ) + '

+Есоб(Му3)Ч/(Му3,Р]);

^ал(м2) = Есо6(му, )ч/(м V, ,Р2) + Есо6(му, )ч»(м V,, Иг) +

(12)

Епад(м 3) = Есоб (м v, (м У), Рз ) + Есо6 (м у2 (м V,,

Рз) +

+ЕСОб(Му,)ч/(Му},Рз).

Обобщенные угловые коэффициенты излучения от ло-

кальных объемных зон в системе уравнений (12) представлены в ММ как произведение угловых коэффициентов и параметра Бугера, учитывающего поглощение излучения в объеме КС:

1|/(Му,Рк)=ф(Му,Рк)-ехр(-кЬ), (13)

где ф(Му,Рк) - угловой (геометрический) коэффициент излучения; к -коэффициент ослабления; Ь - эффективная длина пути луча.

Переменность угловых коэффициентов излучения, вызванная перемещением поршня в цилиндре, учитывалась с помощью известных кинематических соотношений для кривошинно-шатунного механизма двигателя. В разработанной ММ для объемного излучателя рассматривались три зоны, представляющие собой коаксиальные цилиндры соответствующего радиуса, ось которых совпадала с осью КС,и модифицированная фундаментальная постановка задачи радиационного теплообмена. Как известно, при фундаментальной постановке задаются оптические и энергетические характеристики всех зон, т.е. их степени черноты и температуры. Модификация фундаментальной постановки задачи состоит в том, что эффективные потоки излучения от поверхностных зон р1, Рг и Рз не учитываются и рассматривается процесс радиационного теплообмена между объемными зонами , составляющими объем V, и соответствующими поверхностными зонами. Современные экспе-

риментальные данные и расчетные методы позволяют задавать локальные значения оптических и энергетических характеристик объемных зон V,. Система уравнений (12) с соответствующими краевыми условиями решалась на ЭВМ по специальной программе в квазистационарном представлении. В силу принятого в ММ допущения

Ера(М0 ~ Епад(М0; Ера(М2) ~ Епал(Мз); Ерез(Мз)« Е,шЛ(Мз). (14)

В итоге были получены локальные радиационные тепловые потоки для всех поверхностей КС. Некоторая часть этих результатов, а также изменение угловых коэффициентов излучения от объемных зон V, на поверхности втулки цилиндра и поршня представлены на рис. 17-21.

В четвертой главе рассмотрены методики экспериментального исследования основных параметров радиационно-конвективного теплообмена и рабочего процесса в КС дизеля, приведено краткое описание экспериментальной установки с дизелем 8ЧН 13/14 и комплекса измерительной аппаратуры, представлены методики обработки опытных данных и оценка погрешностей основных измеряемых величин.

Экспериментальное исследование процессов локального радиационно-конвективного теплообмена в КС дизеля было выполнено с помощью специального измерительного комплекса, созданного при непосредственном участии автора и показанного на рис. 22. Его оборудование включало: дизель 8ЧН 13/14 с обслуживающими его системами, гидротормоз и контрольно-измерительный комплекс. Последний позволял во время испытаний вести одновременную запись на лету осциллографа Н-115 следующих параметров: 1 - давление газов в цилиндре; 2 - подъем иглы форсунки; 3 - давление топлива перед форсункой; 4, 5 - интенсивность свечения пламени на длинах волн: А.1 = 0,397 мкм и Х.2 = 0,634 мкм; 6 - метки углов ПКВ через 10 градусов и метка ВМТ; 7 -частота вращения ротора турбокомпрессора; 8, 9, 10, И - колебания температуры на поверхности крышки цилиндров в четырех точках; 12 -отметки времени. В этой главе также приведены описания созданных автором конструкций поверхностного железоникелевого термоприемника, датчика радиационного теплового потока и установки для определения эффективной глубины горячего спая термоприемников. Кратко изложена методика определения температуры пламени и концентрации

Зт/п*

1 /

1 / \

! г\

|1

\А \

360 Ш Щ' ВПТ

Рис. 17. Расчетное значение локальной плотности результирующего радиационного теплового потока на поверхности деталей КС дизеля 8ЧН 13/14 для точек с координатами р = 0,462 и Ь = 0,071; Р„с = 0,61 МПа;

п = 1700 мин-': I - поршень; 2 - крышка цилиндров; 3 - втулка

Рис. 18. Расчетное значение локальной плотности результирующего радиационного теплового потока на поверхности крышки цилиндров дизеля 8ЧН 13/14 в функции относительного радиуса, Ртс = 0,61 МПа;

п = 1700 мин': 1 - ВМТ ; 2 - 60°ПКВ после ВМТ; 3 - 30°

Ере] /О'', Вт/п'

О 02 06 05 р

Рис. 19. Аналогичное рис. 18 значение Ери по поверхности поршня

О I 2 Ерч-Ю'*, Вт/.-,2

\

\ г \

\ }

Рис. 20. Аналогичное рис. 18

и 19 значение Ерп на поверхности втулки цилиндра: I - ВМТ ; 2 - 30°ПКВ после ВМТ; 3 - 60°

0.8

06

0<>

ог

вмг го т

60

во ч;

Рис. 21. Изменение угловых коэффициентов излучения от объемных зон на поверхности втулки цилиндра и поршня;

-<р(Муш.Р2);----<р(мУш,р3):

1 - VI при п = 10 мм; 2 - VI при гг = 30 мм; 3 - Уз при гз = 57 мм

Рис. 22. Принципиальная схема измерительного комплекса

Рис. 23. Зависимости максимального размаха колебаний температуры поверхности крышки цилиндров дизеля 8ЧН 13/14 от нагрузки, п= 1700 мин-'

0./ 0.2 0.3 ОЛ 0.5 0.6 Рте.ППа

г

з

частиц сажи в цилиндре дизеля в функции угла ПКВ с использованием лазера. Температура пламени определялась по интенсивности его излучения на двух длинах волн ).1 = 0,397 мкм и X? = 0,634 мкм. Концентрация частиц сажи определялась с помощью лазера ЛГ-28 на длине волны X - 0,630 мкм.

Обработка экспериментальных данных по колебаниям температуры с целью получения локальных суммарных и радиационных тепловых потоков = Дф) и Яг = Дф) была выполнена на ЭВМ по специально созданной программе. Выполненные оценки показали, что относительная погрешность экспериментального определения суммарного теплового потока Цг составляет ~ 9-10%, а радиационного теплового потока 15-20%.

В пятой главе представлены результаты расчетно-экспериментального исследования параметров локального радиацион-но-конвективного теплообмена в КС дизелей, приведены опытные данные по основным параметрам рабочего процесса и температурному состоянию деталей ЦПГ.

Анализ экспериментальных данных по параметрам рабочего процесса, полученных при испытании дизеля 8ЧН 13/14, показал, что они являются типичными для дизелей с полуразделенной КС. Это в полной мере относится и к температурному состоянию деталей ЦПГ. Отмечена существенная неравномерность распределения температур и тепловых потоков по огневой поверхности крышки цилиндра. Максимальная величина колебаний температуры, равная 14,4 градуса, зафиксирована в точке 1 с радиусом г = 30 мм на режиме максимального крутящего момента (п = 1200 мин1). При этом в точках 2, 3 и 4 с радиусами 47,53 и 56 мм колебания температуры соответственно равны 6,9; 6,5 и 6,0 градусов. В то же время величина колебаний температуры в указанных выше точках крышки цилиндров на режиме Рте = 0,61 МПа и п = 1700 мин-' составляют 54,2; 6,7; 4,8 и 3,8 градуса. Изменение максимального размаха колебаний температуры поверхности крышки цилиндров дизеля 8ЧН 13/14 от нагрузки при п = 1700 мин1 показано на рис. 23. Его анализ показывает, что интенсивность теплообмена возрастает с увеличением нагрузки во всех точках замера, однако темп роста в различных местах крышки цилиндров неодинаков. Наиболее сильное увеличение

амплитуды колебаний температуры наблюдается в центральной части крышки, к периферии темп увеличения колебаний снижается. При "чистом" сжатии (при отключенной подаче топлива в исследуемый цилиндр) колебания температуры в четырех точках крышки цилиндров при л = 1700 мин'1 равны 5,1; 3,3; 3,0 и 1,7 градуса.

Анализ осциллограмм температурных колебаний показывает, что характер протекания кривых Т = Т(х, I) зависит от места расположения термоприемника. Для термоприемника, расположенного в точке 1, кривые Т = Т(х, I) имеют крутой передний фронт и, как правило, острые вершины в месте своего максимума (18-20 градусов ПКВ после ВМТ). В то же время'кривые Т = Т(х, I), полученные от термоприемников, расположенных дальше от оси цилиндра (за кромкой КС в поршне), имеют менее крутой передний фронт и достигают своего максимума в пределах 25-35 градусов ПКВ после ВМТ. Учитывая, что динамические свойства термоприемников, обусловленные величиной эффективной глубины расположения горячего спая примерно одинаковы (величина х » 20 мкм), снижение крутизны кривой Т = Т(х, I), характер протекания ее в течение цикла и величины размаха колебаний в зависимости от места термоприемника можно объяснить различными условиями взаимодействия рабочего тела с отдельными участками тепловос-принимающей поверхности, температурным состоянием этих участков и их ориентацией относительно топливных факелов. Результаты проведенных расчетов с определением полей скорости, температуры, плотности и давления рабочего тела в КС убедительно показывают значительное отличие локальных величин указанных параметров. Это в свою очередь определяет различие в локальных колебаниях температуры поверхности, а следовательно, и различие в локальных величинах плотности теплового потока в деталях КС. Величина температурных колебаний по отношению к средней температуре крышки цилиндров для центральной части (район точки 1) составляет 5,5%, для периферийной зоны (район точек 3 и 4) 2,2%. Данные приведены для режима Рте = 0,61 МПа, п= 1700 мин-'.

На рис. 24 представлены колебания температур, обусловленных радиационным тепловым потоком qr, на двух режимах работы. Кривые Тг = Т(х, I) имеют крутой передний фронт и начинают резко возрастать при 5-8 градусах ПКВ после начала видимого сгорания.

лТг, град.

0.5 О

0.5

1

1 г

О во 160 0 320 Ш чао 560 бЬО ч>,'

ват

Рис. 24. Колебания температуры, обусловленные радиационным тепловым потоком, дизель 8ЧН 13/14". п = 1700 мин-'; 1 - Рте = 0,61 МПа; 2-Рте = 0,36 МПа

03

2Л 1.8 12 0.6 о

\ .3

5

/ 6 1

Рис. 26. Распределение плотности теплового потока по поверхности крышки цилиндров дизеля 8ЧН 13/14, при "чистом" сжатии, п = 1700 мин-1

15 3! 1,5 55 Г, МП ■

Рис. 27. Изменение средней за цикл плотности

Рис. 25. Распределение плотности теплового потока по поверхности

крышки цилиндров дизеля 8ЧН 13А Р~ = °'61 МПа'» = 1700 —

мин-'; 1-Р™ = 0,61 МПа; 2 - Р™=0,49 МПа; 3 - Рте=0,36 МПа; 4-Рте=0,24 МПа; 5-Рте= 0,12 МПа; 6 - "чисгоЛжатие

Амплптуды колебаний температуры составляют ~ 0,4 цэадуса для режима Рше = 0,36 МПа, п = 1700 мим 1 и ~ 0,6 градуса для режима Рше = 0,61 МПа и п = 1700 мин1. Величина колебаний температуры, обусловленная суммарным тепловым потоком в той же точке на указанных выше режимах работы,соответственно равна 2,7 и 3,8 градуса и превышает колебания температуры, вызванное qr, примерно в 6 раз. Некоторые результаты по локальным тепловым потокам в четырех точках крышки цилиндров при испытании дизеля 8ЧН 13/14 по нагрузочной характеристике, а также при "чистом" сжатии показаны на рис. 25 и 26. Для точки 1 кривые я у = фр, г) имеют, как и Т = Т(х, I), крутой передний фронт и достигают своего максимума в пределах 10-20 градусов ПКВ после ВМТ, причем этот угол практически сохраняется независимо от величины нагрузки и частоты вращения. Тепловой поток меняет свое направление в районе 260-280 градусов ПКВ, цЕтах = 34,22-Ю5 Вт/м2 зарегистрирована в точке 1 на режиме Ргас = 0,61 МПа, п = 1700 мин1. С удалением от центра КС Цьпах быстро снижается и для указанного выше режима в точке 4 составляет ~ 6,15-Ш5 Вт/м2. При этом кривые - Дф, г) для периферийных точек имеют пологий передний фронт и достигают своего максимального значения в районе 30-40 градусов ПКВ после ВМТ. Увеличение нагрузки от Рте = 0,12 МПа до 0,61 МПа вызывает рост плотности теплового потока для точки 1 от 15,08-105 до 34,22-105 Вт/м2, в то же время для периферии крышки цилиндров (точка 4) изменение составляет от 1,86-105 до 6,15-Ю5 Вт/м2. Изменение частоты вращения коленчатого вала от 1200 мин-1 до 1700 мин-' приводит к увеличению для точки 1 в пределах от 27,84-105 до 34,22-105 Вт/м2. Максимальное значение плотности теплового потока, полученное при "чистом" сжатии (п = 1700 мин1),составляет для точки 1 8,58-Ю5 Вт/м2. Изменение средних за цикл тепловых потоков для крышки цилиндров от нагрузки и радиуса представлено на рис. 27. Из него видно, что наблюдается падение значений <5 у от центра крышки цилиндров к периферии, с ростом нагрузки характер изменения локального теплового потока по радиусу практически остается постоянным.

Влияние нагрузки на локальную плотность теплового потока показано на примере точки 1 крышки цилиндров (см. рис. 28). Экспериментальное значение локальной плотности радиационного теплового

га 21 го 13 12 в 4 О

л

Г

[■ л

4

\

\ Г1 > * \ \

5Я7 \ \ - .

зоо 350 ко ш у;

Рис. 28. Влияние нагрузки на локальную плотность теплового потока в точке 1 на поверхности крышки цилиндров дизеля 8ЧН

13/14, п- 1700 мин-': 1 _ рте = 0,61 МПа; 2 - Р™ = 0,36 МПа; 3 - "чистое" сжатие

1500

-ЮВНГЮ 30 50 70 90

Рис. 30. Изменение температуры пламени при испытании дизеля

8ЧН 13/14: 1-Р™ = 0,61 МПа; 2 - Р™ = 0,49 МПа; 3 - Ртг = 0,36 МПа; 4 - Рте = = 0,12 МПа

2Ю 300 350 ¡>20 Ш

Рис. 29. Изменение полной плотности радиационного теплового потока, дизель 8ЧН 13/14, п = 1700 мин ': 1 - Рте = = 0,61 МПа; 2- Рше = 0,36 МПа

у!

/ \ К

/ > г к

/ / ч» ч

и

300 360 КО Ш Ц, •

Рис. 31. Сравнение экспериментальной и расчетной локальных плотностей конвективного теплового потока на поверхности крышки цилиндров дизеля 8ЧН 13/14для точки с р = = 0,862; Рте = 0,61 МПа; п = 1700 мин'; 1 - эксперимент; 2 - расчет

Ереь- 10'5,Вт/пг

к 1

\ \

1 \ \

360

420 //>,'

Рис. 32. Аналогично рис. 31, но для радиационного теплового потока

потока для точки 4 крышки цилиндров представлено на рис. 29. При этом Ягтзх = 2,55-Ю5 Вт/м2 и 2,09-Ю5 Вт/м2. Продолжительность радиационного теплообмена по углу ПКВ составляет около 90 градусов. Отношение qr шах / Че пмх практически одинаково на обоих исследованных режимах и составляет - 0,4. Величина Ц, !<\г в пределах точности определения г не зависит от нагрузки и равняется ~ 0,19^0,20.

На рис. 30 представлены изменения температуры пламени по углу ПКВ при испытании дизеля 8ЧН 13/14 по нагрузочной характеристике. Анализ температурных условий в КС при увеличении нагрузки показывает, что индикаторная температура газов существенно повышается по абсолютным значениям на всем участке изменения в цикле. В то же время увеличение температуры пламени происходит с меньшей интенсивностью. Так,при росте нагрузки от Рте - 0,24 до 0,61 МПа Тщах возросла на 300 градусов, а температура пламени лишь на 80 градусов. Отмеченное можно объяснить незначительным изменением локальных коэффициентов прямой и обратной диффузии горючего газа, кислорода воздуха и продуктов сгорания. Индикаторная же температура отражает результат одновременно идущих во всем объеме КС процессов тепло- и массопереноса и изменяется пропорционально количеству выделяющейся в процессе сгорания топлива теплоты.

Проверка адекватности предложенных во второй и третьей главах математических моделей локального конвективного и радиационного теплообмена в КС дизелей осуществлялась путем сравнения полученных на ЭВМ расчетных и экспериментальных данных. Следует заметить, что непосредственное сравнение расчетных и экспериментальных данных как по конвективному, так и по радиационному тепловым потокам возможно лишь для небольшого количества точек поверхности КС. Это связано с малым числом точек, в которых проводились измерения локальных радиационных тепловых потоков. Вследствие этого экспериментальная информация по локальным конвективным тепловым потокам в КС дизелей очень ограничена. В настоящей работе измерение радиационного теплового потока было выполнено в точке 4, расположенной на периферии крышки цилиндров дизеля 8ЧН 13/14. В этой же точке проводились измерения и суммарного теплового потока. Таким образом, для точки 4 были получены экспериментальные данные по

суммарному тепловому потоку Ят, радиационному qr и конвективному Як = Яе - Яг • На рис. 31 показано сравнение экспериментальной и расчетной локальных плотностей конвективного теплового потока для точки 4 (с относительным радиусом р = 0,862) при работе дизеля на номинальной нагрузке. Отличие расчетных и экспериментальных данных по конвективным тепловым потокам составляет около 6%. На рис. 32 представлено сравнение экспериментальной и расчетной локальных плотностей радиационного теплового потока для условий, аналогичных сопоставлению конвективных тепловых потоков. Отличие в радиационных тепловых потоках для точки 4 составило около 10%.

Наиболее представительными по объему имеющейся экспериментальной информации являются данные по локальным суммарным тепловым потокам для поверхностей КС дизелей различных типов. Расчетное значение локальной плотности суммарного теплового потока определялось нами по принципу аддитивности. Экспериментальные и расчетные значения локальной плотности суммарного теплового потока в функции угла ПКВ представлены на рис. 33 и 34, а мгновенные распределения расчетных суммарных тепловых потоков по поверхностям крышки цилиндров, поршня и втулки - на рис. 35 и 36. Сравнение экспериментальной и расчетной локальных плотностей суммарного теплового потока для одной из точек, расположенных в центральной части крышки цилиндров (р = 0,462) дизеля 8ЧН 13/14 при работе на номинальной нагрузке, иллюстрируется рис. 37. Анализ этого рисунка позволяет сделать вывод, что соответствие экспериментальных и расчетных данных по локальным суммарным тепловым потокам достаточно хорошее. Отличие в максимальных значениях составляет в зависимости от точки измерения от 15 до 20%, средних за цикл значений суммарных тепловых потоков 12-17%. Сравнение экспериментальных и расчетных средних за цикл локальных плотностей суммарного теплового потока на поверхности крышки цилиндров исследованного дизеля 8ЧН 13/14 показано на рис. 38. В среднем для этой поверхности КС отличие экспериментальных и расчетных данных в зависимости от нагрузки составляет от 8 до 15%.

Проведенное сравнение экспериментальных и расчетных данных по конвективным, радиационным и суммарным тепловым потокам позволяет сделать вывод о приемлемой дтя проектирования и доводки ди-

Рис. 33. Экспериментальное значение локальной плотности суммарного теплового потока в крышке цилиндров дизеля 8ЧН 13/14, Рте = 0,61 МПа; п = 1700 мин-'; 1,2, 3,4 - номера точек на поверхности крышки цилиндров в соответствии с рис. 23

Рис. 35. Расчетное значение локальной плотности суммарного теплового потока по поверхности крышки цилиндров дизеля 8ЧН 13/14 в функции относительного радиуса; Рте = 0,61 МПа; п = 1700 мин-'; I -ВМТ;2 - 30°ПКВ после ВМТ; 3 - 60°

Рис. 34. Расчетное значение локальной плотности суммарного теплового потока на поверхности деталей КС дизеля 8ЧН 13/14 для точек с координатами

р = 0,462 и Ь =0,071; Рте = 0,61 МПа; п = 1700 мин1

Рис. 36. Аналогично рис. 35 для поверхности днища поршня дизеля 8ЧН 13/14

9г'

25

го

15 10 5-О

зоо зво ко <*ао у;

Рис. 37. Сравнение экспериментальной и расчетной локальных плотностей суммарного теплового потока на поверхности крышки цилиндров дизеля 8ЧН 13/14 для точки с р = 0,462;

Ргае= 0,61 МПа;п = 1700 мин1; 1 - эксперимент; 2 - расчет

фгЮш'.Вт/м'

2А 1.6 и

0.6

о о.г оа об оя р

Рис. 38. Сравнение экспериментальной и расчетной средних за цикл локальных плотностей суммарного теплового потока на поверхности крышки цилиндров дизеля 8ЧН 13/14; п = 1700 мин1; 1 - эксперимент при Рте = 0,61 МПа; 2 - эксперимент при Рте = 0,24 МПа; 3,4 - расчет

37

ГО. Ш/п'

л

11 \\ VI ,2 1 1 {

\ \ \ \ 1 1 1

\ у \ ! Ч >

и Ч>|

----

♦ ч

\

7 г ч]

N

зелен точности разработанных ММ и рекомендовать их для практического использования.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Представленная диссертационная работа посвящена решению крупной научно-технической проблемы, имеющей важное практическое значение; дальнейшему развитию теории ДВС в области изучения процессов радиационно-конвективного теплообмена между рабочим телом и стенками КС и задания локальных граничных условий при оценке теплового и напряженно-деформированного состояния деталей ЦПГ. Использование научных результатов и практических рекомендаций работы позволяет значительно повысить уровень проектирования дизелей, в том числе с применением САПР и получить большой народно-хозяйственный эффект за счет уменьшения затрат на проектирование и доводку двигателей.

Основные научные и прикладные результаты работы заключаются в следующем

1. Предложена укрупненная логическая схема решения комплекса задач локального радиационно-конвективного теплообмена в КС дизелей с использованием фундаментальных законов сохранения и МКР.

2. Предложена и реализована ММ для определения полей скорости, температуры, плотности и давления рабочего тела при его потенциальном течении в КС дизелей в нестационарной постановке. В основе модели лежат фундаментальные законы сохранения энергии, импульса и массы, а также реальная геометрия полуразделенных КС современных и перспективных дизелей.

3. Разработана и реализована ММ локального конвективного теплообмена в КС дизелей, основанная на использовании интегрального соотношения энергии для турбулентного пограничного слоя и результатов решения задачи внешнего потенциального течения рабочего тела в цилиндре. Получена зависимость для суммарного осредненного по поверхности крышки цилиндров теплового потока в функции ПКВ, принципиально отличающаяся от ранее предложенных уравнений ме-

тодом определения радиационного теплообмена и позволяющая более надежно решать вопросы моделирования рабочего процесса в высокооборотных дизелях.

4. Использование расчетно-экспериментального метода определения скорости рабочего тела в цилиндре дизеля позволило получить надежные данные по этому важному параметру. Значения локальных скоростей, определенные с помощью названного метода, служили базой для проверки адекватности ММ внешнего потенциального течения рабочего тела в КС.

5. Предложена и реализована ММ локального радиационного теплообмена в КС дизелей. По своему содержанию она представляет собой зональную модель излучения, учитывающую локальные энергетические характеристики рабочего тела, реальную геометрию КС и ослабление потока излучения в объеме цилиндра. При этом используется модифицированная фундаментальная постановка задачи излучения. Предложен расчетно-экспериментальный метод определения локальной интегральной степени черноты дизельного пламени и дана оценка роли эффективного излучения в КС.

6. Разработана методика экспериментального исследования, отличающаяся от существующих возможностью одновременной записи основных параметров рабочего процесса, суммарного и радиационного тепловых потоков, температуры пламени и концентрации частиц сажи в функции угла ПКВ.

7. На основании анализа и экспериментальной проверки различных конструкций поверхностных термоприемников автором создана надежная конструкция железоникелевого термоприемника, показавшего высокую работоспособность в условиях КС высокооборотного дизеля. С использованием этого термоприемника разработан также датчик для измерения радиационного теплового потока.

8. Предложена и реализована оригинальная конструкция, размещенная в головке цилиндров и позволяющая быстро вставлять и вынимать датчик радиационного теплового потока и один из термоприемников, не прибегая к ее разборке и даже не снимая крышки газораспределительного механизма.

9. Автором сконструирована и создана установка для определения эффективной глубины горячего спая поверхностных термоприемников

х. В результате серии опытов, проведенных на этой установке, получена зависимость для х, учитывающая неравномерную толщину пленки никеля на рабочей поверхности термоприемников. На основании результатов выполненного на ЭВМ расчетного исследования сделан выбор числа гармоник, подлежащих учету при аппроксимации эксперимен-. тальных кривых колебаний температуры рядом Фурье.

10. Создана оригинальная экспериментальная установка, позволившая впервые в практике исследований теплообмена в ДВС выполнить одновременное измерение основных параметров рабочего процесса, суммарных и радиационных тепловых потоков, температуры пламени и концентрации частиц сажи в КС.

11. Разработаны алгоритмы и программы, позволяющие численно решать задачи локального радиационно-конвективного теплообмена между рабочим телом и стенками КС и прогнозировать тепловое состояние деталей ЦПГ.

12. Результаты диссертационной работы внедрены на Коломенском тепловозостроительном заводе и в объединении "Кировский завод" (С.-Петербург), а также в учебный процесс в Дальневосточном государственном техническом рыбохозяйственном университете. По материалам работы автором изданы два учебных пособия, которые используются в ряде вузов для подготовки специалистов соответствующего профиля.

Основное содержание диссертации опубликовано в работах:

1. Руднев Б.И. Математическое моделирование и экспериментальное исследование радиационно-конвективного теплообмена в камере сгорания дизелей: Учеб. пособие. - Владивосток: Изд-во Дальневост. ун-та, 1995. - 120 с.

2. Руднев Б.И. Теплообмен в камерах сгорания дизелей промысловых и рыбоперерабатывающих судов: Учеб. пособие. - Владивосток: Дальрыбвтуз, 1994. - 49 с.

3. Костин А.К., Михайлов Л.И., Руднев Б.И. Методика задания граничных условий при моделировании температурных полей поршней ДВС // Тез. докл. Всесоюзной научной конф. "Тепловыделение, теплообмен и теплонапряженность высокофорсированных ДВС, работа их на неустановившихся режимах". - J1.: ЛПИ, 1976. - С. 42.

4. Костнн А.К., Михайлов Л.И., Руднев Б.И. Термоприемник для исследования колебаний температуры в деталях ДВС // Двигатели внутреннего сгорания. - М.: НИИинформтяжмаш, 4-77-16, 1977. - С. 16-19.

5. Костнн А.К., Руднев Б.И., Степанов В.Н. Тепловой поток в головку цилиндров при пуске быстроходного дизеля II Двигатели внутреннего сгорания. - М.: НИИинформтяжмаш, 4-78-19,1978. - С. 11-13.

6. Костин А.К., Руднев Б.И., Степанов В.Н. Экспериментальное исследование лучистого теплового потока в цилиндре быстроходного дизеля //Двигатели внутреннего сгорания. - М.: НИИинформтяжмаш. -1978.-4-78-14.-С. 7-10.

7. Руднев Б.И. Экспериментальное исследование теплового потока в головку цилиндров высокооборотного дизеля // Научные тр. Хаб. полит. ин-та "Вопросы совершенст. работы диз. на неустанов. реж. и при высокой форсировке. - Хабаровск, 1979. - С. 109-120.

8. Квасов Е.Е., Костин А.К., Руднев Б.И., Степанов В.Н. Исследование теплового потока в головку цилиндров при пуске быстроходного дизеля //Двигателестроение. - 1979. - №4. - С. 5-7.

9. Костин А.К., Степанов В.Н., Руднев Б.И. Исследование рабочего процесса и теплообмена при пуске высокооборотного дизеля // Двигателестроение. - 1979. - № 8. - С. 6-9.

10. Руднев Б.И. Экспериментальное исследование процессов сгорания и теплообмена в цилиндре высокооборотного дизеля, форсированного наддувом // Тез. докл. Всесоюз. н/т конф. "Перспективы развития комбинированных двигателей внутреннего сгорания и двигателей новых схем и на новых тошшвах". - М.: МВТУ, 1980. - С. 58-59.

11. Руднев Б.И., Господинова М.Н. Экспериментальное исследование процессов сгорания и теплообмена в цилиндрах автотракторных дизелей // Тез. докл. Междунар. конф. "Развитие и производство авто-моб. и тракт, диз. дв-лей". - Варна, Болгария, 1980. - С. 3.

12. Костин А.К., Михайлов Л.И., Руднев Б.И., Степанов В.Н. Исследование нестационарного теплообмена в камере сгорания дизеля // Рабочие процессы компрессоров и двигателей внутреннего сгорания. -Тр. ЛПИ № 370. - Л.: Л ПИ, 1980. - С. 73-78.

13. Руднев Б.И. Экспериментальное и теоретическое исследование рабочего процесса и радиационного теплообмена в цилиндре высокооборотного дизеля // Тез. докл. Всесоюз. науч. конф. "Рабочие процессы в двигателях внутреннего сгорания". - М.: МАДИ, 1982. - С. 67.

14. Костин А.К., Руднев Б.И. Количественные характеристики нестационарного теплообмена в цилиндре высокооборотного дизеля с наддувом//Двигателестроение. - 1986. -№ 11. - С. 6-10, 11.

15. Руднев Б.И. Оценка влияния параметров рабочего процесса на основные показатели интегральной степени черноты пламени дизеля, форсированного по наддуву II Тез. докл. Всесоюз. науч. конф. "Проблемы совершенствования рабочих процессов в двигателях внутреннего сгорания". - М.: МАДИ, 1986. - С. 93-94.

16. Руднев Б.И., Господинова М.Н. Особенности протекания рабочего процесса и теплообмена в полуразделенных камерах сгорания высокооборотных дизелей // Там же. - С. 95.

17. Руднев Б.И. Анализ точности решения системы интегральных уравнений радиационного теплообмена применительно к камерам сгорания дизелей // Тез. докл. Всесоюз. н/т конф. "Перспективы развития комбинированных ДВС и двигателей новых схем и на новых топливах".

- М.: МВТУ им. Н.Э.Баумана, 1987. - С. 26-27.

18. Руднев Б.И. Экспериментальная и теоретическая оценка условий радиационного теплообмена в камерах сгорания форсированных дизелей II Труды Междунар. конф. по двигателям внутреннего сгорания. КОНЕС'87. - Люблин, Польша, 1987. - С. 309-312.

19. Руднев Б.И. Экспериментальная и теоретическая оценка условий формирования радиационной тепловой нагрузки деталей камеры сгорания высокооборотных дизелей II Тез. докл. Всесоюз. н/т конф. "Персп-вы разв. комбинир. ДВС и дв-лей нов. схем и на нов. топливах".

- М.: МВТУ им. Н.Э.Баумана, 1987. - С. 5.

20. Руднев Б.И. Комбинированный теплообмен в камере сгорания транспортного дизеля // Тез. докл. Минского Междунар. форума по тепломассообмену. Секция 2. - Минск, 1988. - С. 115-117.

21. Руднев Б.И. Анализ влияния параметров рабочего процесса дизеля на радиационную тепловую нагрузку деталей камеры сгорания // Тез. докл. на Всес. н/т конф. "Актуал. пробл. развития ДВС и дизел. установок" /ЛКИ. - Л., 1990. - С. 89-90.

22. Руднев Б.И. Теплообмен в камере сгорания высокооборотного дизеля // Тез. докл. Всесоюз. н/т конф. "Повышение надежности и экол. пок-лей автомоб. дв-лей". - Горький, 1990. - С. 22.

23. Руднев Б.И. Основы метода расчета процесса теплообмена в камере сгорания дизеля // Тез. докл. на Всес. н/т конф. "Актуал. пробл. развития ДВС и дизел. установок" / ЛКИ. - Л., 1990. - С. 90-91.

24. Руднев Б.И. Определение излучателыюй способности дизельного пламени // Динамика судовых энергетических установок и их систем. - М.: В/О "Мортехинформреклама", 1991. - С. 57-62.

25. Руднев Б.И. Разработка зонально-узлового метода совместного решения уравнений гидродинамики и радиационного теплообмена с использованием различных моделей турбулентности применительно к камере сгорания транспортного дизеля // Труды Междунар. конф. по ДВС. -КОЫЕ8'91, Познань, Польша, 1991.-С. 115-122.

26. Руднев Б.И. Расчет локальных тепловых потоков в камере сгорания транспортного дизеля с использованием зонального метода. - 2 Мин. Междунар. форум. - Т.2 - Минск, 1992. - С. 93-95.

27. Руднев Б.И. Использование различных моделей турбулентности при расчете процесса теплообмена в камере сгорания транспортного дизеля // Мат-лы 12 Всес. межотр. н/г сем. "Рабочий процесс, тепл. и теплонапр. деталей ДВС". - С.-Петербург, 1992. - С. 30-31.

. 28. Руднев Б.И. Анализ результатов численного решения уравнений радиационного теплообмена в камере сгорания дизеля во взаимосвязи с отдельными параметрами рабочего процесса // Совер. быстр, диз.: Тез. докл. Междунар. н/т конф. - Барнаул, 1993. - С. 55-56.

29. Руднев Б.И. Расчетно-экспериментальная оценка интегральной степени черноты дизельного пламени // Двигатели внутреннего сгорания. - Вып. 53. - Харьков: ХПИ, 1993. - С. 49-56.

30. Руднев Б.И. Моделирование локального теплообмена в камере сгорания быстроходного дизеля // Соверш. быстроход. дизелей: Тез. докл. Междунар. науч.-техн. конф. - Барнаул, 1993. - С. 53-55.

31. Руднев Б.И. Разработка и анализ математической модели сложного теплообмена в камере сгорания транспортного дизеля // Тр. 1 Рос. нац. конф. по теплообмену. -Т. 9. - М., 1994. - С. 175-178.

32. Руднев Б.И. Анализ численного решения уравнений радиационного теплообмена в камере сгорания дизельного двигателя и влияние на него параметров рабочего процесса // Тр. Второй Международной н/т конф. "Актуальные проблемы фундаментальных наук". - Т. 1, часть 1.-М.: Техносфера - Информ, 1994.-С. 141-142.

33. Руднев Б.И. Расчетный метод оценки локального теплового нагружения деталей камеры сгорания транспортных дизелей // Тез. докл. Дальневосточной науч.-практ. конф. "Проблемы транспорта Дальнего Востока". - Владивосток, 1995. - С. 7.

34. Руднев Б.И., Израильский Ю.Г. Определение локального конвективного теплового потока в камере сгорания дизельного двигателя // Иссл-я Вл-го отд. Рос. о-ва тепломассообмена в 1995-1996 гг. / Инф. сб.

- Владивосток: ДВО РАН, 1997. - С. 17-18.

35. Израильский Ю.Г., Руднев Б.И. Математическое моделирование конвективного теплообмена в камере сгорания дизельного двигателя//Там же.-С. 18-19.

36.Костин А.К., Руднев Б.И., Господинова М.Н. Експериментално изследване на топлообмен между работното тяло и главата на цилин-дъра на высокооборотни дизели // Резюмета на докладите от 3 семинар по "Корабна енергетика". - Варна, Болгария, 1979. - С. 12-13.

37. Slawinski Z., Kostin А.К., Rudniew B.I. i in.Badania wimiany ciepla w komorze spalania szybkoobrotowego silnika wysokopreznego // Silnika Spalinowe. - 1979. - Nr. 1. - S. 22-26.

38. Kostin A.K., Rudnev B.I. Radiative heat transfer in a diesel cylinder an experiment and method of calculation // Proceedings 19th International Symposium "Heat and mass transfer in gasoline and diesel engines". - Dubrovnik, Yugoslavia, 1987. - P. 439-448.

39. Rudnev B.I. Estimation method for heat transfer in diesel combustion chambers II Proceedings International Conference of 1С Engines.

- KONES'88. - Poznan, Poland, 1988. - P. 336-339.

40. Rudnev B.I. Numerical-experimental value of total conditions of heat transfer in a combustion of a transport diesel // Proceedings International Conference of 1С Engines. - KONES'89. - Wroclaw, Poland, 1989.-P. 304-308.

41. Rudnev B.I. A zonal method of calculation of local heat fluxes in a combustion chamber of a high speed diesel engine II Proceedings Second International Symposium on small diesel engines. - Warsaw, Poland, 1992. -P. 22-28.

42. Bespalov V.M., Izrailsky Yu. G., Rudnev B.I., Tsitsiashvili G. Sh. The numerical simulation of convective heat transfer in combustion of diesel engine // Abstracts Pacific International Conference "Mathematical modeling and Cryptography". -PMMC-95, Vladivostok, Russia, 1995. - P. 22.

43. Rudnev B.I., Bespalov V.M., Izrailsky Yu.G., Tsitsiashvili G.Sli. A simple model of convective heat transfer in the combustion chamber of diesel engine II Fourth International Symposium on Small Diesel Engines. - Journal of Polish CIMAC. - Vol. 2. - No. 1. - Warsaw, Poland, 1996. - P. 177-182.

ОСНОВНЫЕ УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ.

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА 1. АНАЛИЗ ОСНОВНЫХ РАБОТ ПО ИССЛЕДОВАНИЮ ЛОКАЛЬНОГО РАДИАЦИОННО-КОНВЕКТИВНОГО ТЕПЛООБМЕНА В КС ДИЗЕЛЕЙ.

1.1. Условия протекания процесса радиационно-конвектив-ного теплообмена в КС дизелей.

1.2. Расчетно-экспериментальные оценки локальных скоростей, температур рабочего тела и концентрации частиц сажи в КС.

1.3. Локальный радиационно-конвективный теплообмен между рабочим телом и стенками КС.

1.4. Основные задачи исследования.

ГЛАВА 2. МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ЛОКАЛЬНОГО КОНВЕКТИВНОГО ТЕПЛООБМЕНА В КС ДИЗЕЛЕЙ.

2.1. Анализ и особенности системы дифференциальных уравнений конвективного теплообмена применительно к КС дизелей.

2.2. Численное решение системы дифференциальных уравнений конвективного теплообмена в КС.

2.2.1. Одномерная постановка задачи.

2.2.2. Конечно-разностная аппроксимация дифференциальных уравнений при одномерной постановке задачи.

2.2.3. Двумерная постановка задачи.

2.2.4. Конечно-разностная аппроксимация дифференциальных уравнений при двумерной постановке задачи.

2.3. Использование методов теории турбулентного пограничного слоя для расчета локальных конвективных тепловых потоков в КС.

2.3.1. Некоторые положения теории турбулентного пограничного слоя и его интегральные соотношения.

2.3.2. Расчетная зависимость для определения локального конвективного теплового потока в КС.

2.4. Расчетно-экспериментальный метод определения скорости рабочего тела в цилиндре дизеля по измеренным значениям колебаний температуры поверхностей деталей КС.

Выводы.

ГЛАВА 3. МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ЛОКАЛЬНОГО РАДИАЦИОННОГО ТЕПЛООБМЕНА В КС ДИЗЕЛЕЙ.

3.1. Особенности излучения пламени в КС дизелей.

3.2. Температура пламени, концентрация частиц сажи в КС и радиационные характеристики поверхностей.

3.3. Расчетно-экспериментальный метод определения интегральной степени черноты дизельного пламени.

3.4. Некоторые предварительные положения к математическому описанию процесса локального радиационного теплообмена в КС дизелей.

3.5. Математическая модель локального радиационного теплообмена в КС дизелей.

Выводы.

ГЛАВА 4. МЕТОДИКИ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОГО ИССЛЕДОВАНИЯ ОСНОВНЫХ ПАРАМЕТРОВ РАДИАЦИОННО-КОНВЕКТИВНОГО ТЕПЛООБМЕНА В КС ДИЗЕЛЯ.

4.1. Колебания температуры в деталях КС и локальный суммарный тепловой поток.

4.2. Локальный радиационный тепловой поток.

4.3. Температура пламени и концентрация частиц сажи в объеме КС.

4.4. Краткое описание экспериментальной установки и комплекса измерительной аппаратуры.

4.4.1. Экспериментальная установка.

4.4.2. Комплекс измерительной аппаратуры.

4.4.3. Методика обработки опытных данных.

4.5. Оценка погрешностей основных измеряемых величин.

ГЛАВА 5. РЕЗУЛЬТАТЫ РАСЧЕТНО-ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОГО ИССЛЕДОВАНИЯ ПАРАМЕТРОВ ЛОКАЛЬНОГО РА-ДИАЦИОННО-КОНВЕКТИВНОГО ТЕПЛООБМЕНА В КС ДИЗЕЛЕЙ.

5.1. Основные параметры рабочего процесса, динамика тепловыделения и температурное состояние деталей

5.2. Экспериментальные характеристики локального нестационарного радиационно-конвективного теплообмена между рабочим телом и стенками КС дизеля при испытании на различных режимах работы.

5.2.1. Колебания температуры на поверхности деталей

5.2.2. Локальная плотность теплового потока на поверхностях деталей, значения температуры пламени и скорости рабочего тела в КС.

5.3. Расчетные характеристики локального нестационарного конвективного теплообмена в КС дизелей.

5.3.1. Изотермы, изостеры и изобары рабочего тела в

5.3.2. Поля скоростей рабочего тела.

5.3.3. Локальная плотность конвективного теплового потока на поверхностях деталей КС.

5.4. Расчетные характеристики локального нестационарного радиационного теплообмена в КС дизелей.

5.5. Сравнение расчетных и экспериментальных локальных конвективных, радиационных и суммарных тепловых потоков по поверхностям КС.

5.6. Некоторые практические рекомендации для расчета локальных конвективных и радиационных тепловых потоков в КС дизелей.

Выводы.

Долгосрочные научные прогнозы подтверждают, что в обозримом будущем дизели по-прежнему будут составлять основу транспортной и стационарной энергетики. Это объясняется их высокой экономичностью и рядом других существенных преимуществ по сравнению с остальными типами тепловых двигателей.

Современные тенденции развития дизелей связаны прежде всего с увеличением их удельной мощности и улучшением экономических характеристик. Это обуславливает появление целого ряда проблем и одна из наиболее важнейших из них возрастание теплонапряженности деталей, образующих КС. Взаимодействие рабочего тела со стенками КС приводит к крайне неравномерному тепловому нагружению ее деталей. Высокие локальные тепловые потоки на указанных поверхностях являются основной причиной низкой эксплуатационной надежности современных форсированных дизельных двигателей.

Вместе с тем процессы локального радиационно-конвективного теплообмена между рабочим телом и стенками деталей КС все еще остаются недостаточно изученными и являются одним из узких мест в теории ДВС. В связи с этим создание надежных экспериментально обоснованных расчетно-теоретических методов исследования локального радиационно-конвективного теплообмена в КС дизелей являются актуальной проблемой. Ее решение позволяет значительно повысить уровень проектирования дизелей, в том числе с применением САПР и получить большой народнохозяйственный эффект за счет уменьшения затрат на проектирование и экспериментальную доводку двигателей.

Цель работы. Основная цель работы заключается в решении комплекса экспериментальных, теоретических и методических задач, связанных с созданием новых уточненных математических моделей и методов расчета локального радиационно-конвективного теплообмена в КС дизелей.

Научная новизна работы состоит в том, что:

- предложен оригинальный подход к решению задачи локального конвективного теплообмена, основанной на использовании фундаментальных законов сохранения, элементов теории турбулентного пограничного слоя и их численной реализации на ЭВМ с помощью МКР;

- рассмотрена и решена задача потенциального течения рабочего тела в КС дизельного двигателя в нестационарной постановке, в результате получены поля температуры, скорости, плотности и давления рабочего тела;

- предложена и реализована математическая модель локального конвективного теплообмена в КС дизелей;

- выполнены анализ взаимодействия потоков излучения в КС дизеля и оценка роли эффективного излучения, что позволило модифицировать фундаментальную постановку задачи радиационного теплообмена;

- предложена и реализована математическая модель локального радиационного теплообмена в КС со сложной геометрией;

- впервые в практике экспериментальных исследований теплообмена в КС дизелей выполнено одновременное измерение суммарных и радиационных тепловых потоков, температуры пламени и концентрации частиц сажи.

Достоверность и обоснованность научных положений определяются:

- применением общих систем уравнений, выражающих фундаментальные законы сохранения энергии, массы и импульса с соответствующими начальными и граничными условиями, современных численных методов реализации математических моделей;

- использованием для обоснования предложенных математических моделей локального радиационно-конвективного теплообмена достоверных опытных данных, полученных автором на разработанной им специальной экспериментальной установке для измерения основных параметров рабочего процесса дизеля и локальных нестационарных тепловых потоков, темпе

16 Ч ратуры пламени и концентрации частиц сажи в КС в широком диапазоне изменения нагрузочных и скоростных режимов;

- использованием достоверных результатов экспериментальных и расчетных исследований, выполненных другими авторами в МГТУ, ЦНИДИ, СПбГТУ, ГМА им. адм. С.О.Макарова (С.-Петербург), ВАТТ (С.Петербург), ХПИ, МАДИ, ИТТФ АН Украины, в Висконсинском университете, в университете г.Лафборо (Англия), в фирме "Даймлер-Бенц" и др.;

- экспериментальным подтверждением достаточной точности разработанных математических моделей конвективного и радиационного теплообмена на примерах распределения нестационарных локальных суммарных, конвективных и радиационных тепловых потоков, а также стационарных температур и их колебаний, замеренных на поверхности крышки цилиндров и других деталей КС при широком диапазоне изменения режимов работы двигателя;

- применением ГОСТов, нормативных актов и соответствующей градуировкой элементов измерительного комплекса при расчетно-экспериментальном исследовании дизелей.

Значимость работы для науки и практики состоит в том, что:

- развиты теоретические и расчетные основы проектирования и доводки дизелей путем дальнейшей разработки теоретических и экспериментальных методов определения локальных тепловых нагрузок и теплового состояния деталей ЦПГ дизелей;

- разработаны алгоритмы и программы, реализующие математические модели локального радиационно-конвективного теплообмена между рабочим телом и стенками КС и позволяющие с достаточной для практики точностью решать комплексные задачи проектирования перспективных конструкций дизелей, доводки и модернизации существующих;

- при непосредственном участии и по проекту автора в лаборатории ДВС технического университета (С.-Петербург) была создана экспериментальная установка для измерения локальных нестационарных температур, радиационных и суммарных тепловых потоков, температуры пламени и концентрации частиц сажи в КС высокооборотного дизеля. Кроме этого автором созданы оригинальные конструкции поверхностного железо-никелевого термоприемника и датчика радиационного теплового потока и в соавторстве предложена и реализована конструкция установки для динамической градуировки поверхностных термоприемников;

- решение ряда теоретических, экспериментальных и методических вопросов определения локальных тепловых нагрузок и теплового состояния деталей КС позволяют значительно сократить затраты на проектирование и доводку высоко- и среднеоборотных дизелей;

- результаты диссертационной работы внедрены на Коломенском тепловозостроительном заводе, в объединении "Кировский завод" (С.Петербург), а также в учебный процесс Дальневосточного государственного технического рыбохозяйственного университета.

Апробация работы. Результаты расчетных и экспериментальных исследований, составляющих основу диссертации, докладывались на: краевых и отраслевых научно-технических конференциях Приморского краевого Правления НТО пищевой промышленности (Владивосток, 1977 г.), НТО судостроительной промышленности им. А.Н.Крылова (Владивосток, 1977 Г.); отраслевой научно-технической конференции "Вопросы повышения надежности и эффективности судовых энергетических установок" (Владивосток, 1985 г.); Дальневосточной научно-практической конференции "Проблемы транспорта Дальнего Востока" (Владивосток, 1995 г.); межвузовской научно-технической конференции "Проблемы развития морского транспорта на Дальнем Востоке" (Владивосток, 1997 г.); Всесоюзной научной конференции "Тепловыделение, теплообмен и теплонапряженность высокофорсированных ДВС, работа их на неустановившихся режимах" (Ленинград, 1976 г.); Всесоюзной научной конференции "Рабочие процессы в двигателях внутреннего сгорания" (Москва, 1978 г.); научном семинаре с международным участием по корабельной энергетике (Варна, Болгария, 1979 г.); Всесоюзной научно-технической конференции "Перспективы развития комбинированных двигателей внутреннего сгорания и двигателей новых схем и топлив" (Москва, 1980 г.); национальной научно-технической конференции с международным участием "Развитие и производство автомобильных и тракторных дизельных двигателей" (Варна, Болгария, 1980 г.); Всесоюзной научной конференции "Рабочие процессы в двигателях внутреннего сгорания" (Москва, 1982 г.); Всесоюзной научной конференции "Проблемы совершенствования рабочих процессов в двигателях внутреннего сгорания" (Москва, 1986 г.); Всесоюзной научно-технической конференции "Перспективы развития комбинированных двигателей внутреннего сгорания и двигателей новых схем и на новых топливах" (Москва, 1987 г.); 19-ом Международном симпозиуме МЦТМ "Тепло- и массообмен в бензиновых и дизельных двигателях" (Дубровник, Югославия, 1987 г.); Международной конференции по двигателям внутреннего сгорания, KONES"87 (Люблин, Польша, 1987 г.); Первом Международном форуме по тепломассообмену (Минск, 1988 г.); Международной конференции по двигателям внутреннего сгорания, KONES"88 (Познань, Польша, 1988 г.); Международной конференции по двигателям внутреннего сгорания, KONES 89 (Вроцлав, Польша, 1989 г.); Всесоюзной научно-технической конференции "Повышение надежности и экологических показателей автомобильных двигателей" (Горький, 1990 г.); Всесоюзной научно-технической конференции "Актуальные проблемы развития двигателей внутреннего сгорания и дизельных установок" (Ленинград, 1990 г.); Международной конференции по двигателям внутреннего сгорания, KONES'91 (Познань, Польша, 1991 г.); 12-ом Всесоюзном межотраслевом научно-техническом семинаре "Рабочий процесс, теплообмен, теплонапряженность деталей ДВС" (С.-Петербург, 1991 г.); Втором Международном форуме по тепломассообмену (Минск, 1992 г.); Втором Международном симпозиуме по малым дизельным двигателям, CIMAC92 (Варшава, Польша, 1992 г.); Международной научно-технической конференции "Совершенствование быстроходных дизелей" (Барнаул, 1993 г.);

Второй Международный научно-технической конференции "Актуальные проблемы фундаментальных наук" (Москва, 1994 г.); Первой Российской национальной конференции по теплообмену (Москва, 1994 г.); Тихоокеанской Международной конференции "Математическое моделирование и криптография", РММС-95 (Владивосток, 1995 г.); 4-ом Международном симпозиуме по малым дизельным двигателям, CIMAC 96 (Варшава, Польша, 1996 г.).

Публикации. Основные материалы диссертации изложены в двух учебных пособиях [196, 197], в отдельных научных и периодических изданиях [13-15, 30, 36,76,100-115,198-233,246, 323, 395,434-437], а также в отчетах по госбюджетным и хоздоговорным темам Дальрыбвтуза и Государственного технического университета (С.-Петербург) за 1975-1995 гг. [80, 81, 93, 175,176,180,184-186].

Автор защищает:

- Экспериментально обоснованные математические модели локального конвективного и радиационного теплообмена в КС дизелей, позволяющие определить:

- поля температуры, скорости, плотности и давления рабочего тела в объеме КС;

- локальные плотности конвективного, радиационного и суммарного тепловых потоков на поверхностях КС;

- тепловое состояние деталей ЦПГ дизеля.

- Расчетно-экспериментальный метод определения локальной интегральной степени черноты дизельного пламени;

- Методы численной реализации указанных выше математических моделей и результаты, полученные при этом;

- Результаты определения локальных нестационарных конвективных, радиационных и суммарных тепловых потоков на поверхностях КС дизеля, а также данные по температуре пламени, концентрации частиц сажи в объе

20 ме КС и скорости рабочего тела, полученные экспериментальным путем на специальной установке.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, 5 глав и заключения. Глава 1 содержит краткий анализ работ по исследованию локального радиационно-конвективного теплообмена в дизелях и основные задачи исследования. Главы 2-5 содержат материалы по разработанным математическим моделям локального конвективного и радиационного теплообмена, методики экспериментального определения основных параметров теплообмена в КС дизеля, результаты проведенных исследований и основные выводы.