автореферат диссертации по энергетическому, металлургическому и химическому машиностроению, 05.04.02, диссертация на тему:Теория и расчет газодинамических процессов в быстроходном 2-х тактном турбопоршневом двигателе

РГй 0[1

МОСКОВСКИЙ ОРДЕНА ЛЕНИНА, ОРДЕНА ОКТЯБРЬСКОЙ РЕВОЛЮЦИИ И ОРДЕНА ТРУДОВОГО КРАСНОГО ЗНАМЕНИ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ им. Н.Э.'БАУМАНА

На правах рукописи УДК 621.436

БЕРЕЗИН СЕРГЕЙ РОМАНОВИЧ

ТЕОРИЯ И РАСЧЕТ ГАЗОДИНАМИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ В БЫСТРОХОДНОМ 2-Х ТАНТНОМ ТУРБОЛОРШНЕВОМ ДВИГАТЕЛЕ

(05.04.02 - Тепловые двигатели)

Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

Москва г 1994

Работа выполнена в Центральном институте авиационного моторостроения им. П.И. Баранова.

Официальные оппоненты «доктор технических наук, профессор БЕКНЕВ B.C.

доктор технических наук, профессор КАШИН СЗ.

доктор технических наук, профессор МАХОВ В.3.

Ведущая организация - ЦНВДИ, г. Санкт-Петербург

*22.»и-мил 1994г. в -/4

Защита состоится " ^^ги^ 1994г. в / П чаем на заседании специализированного совета Д 053.15.10 при Москм ском государственной техническом университете им. Н.Э.Баумана по адресу : Лефортовская набережная,д.I,корп.факультета "Энергомашиностроение",, ауд. 234.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МГТУ.

Отзывы на автореферат в двух экземплярах,заверенные печати просьба направлять по адресу:107005, Москва, &»5 2-я Бауманская ул.,д.5,ЫГ1У, ученому секретари специализированного совета Д.053.15.10.

Автореферат разослан " I J " 1994т»

Ученый секретарь специализированного совета J ,

а.т.н.,доцент aUl^^^L, Иващенко

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. Совершенствование протекания рабочего процесса дизеля требует глубокого проникновения в существо быстропротекающих процессов, составляющих его рабочий цикл. Здесь эффективным методом исследования является математическое моделирование. Поэтому глобальной целью, пока еще не достижимой, является создание программно-методического аппарата математического моделирования рабочего процесса дизеля. Под термином "аппарат моделирования" подразумевается законченная математическая модель, реализованная в виде программы для ЭВМ и прошедшая проверку на адекватность, а также накопленный методический материал, способствующий эффективному использованию программы.

В основе этого аппарата должна лежать численная математическая модель пространственного нестационарного турбулентного движения газокапельной среды с' физико-химическими превращениями. Ввиду сложности проблемы решать ее нужно в несколько этапов. На первом этапе необходимо создать модель пространственного нестационарного турбулентного течения газа в двигателе. Создание такой модели важно с двух позиций. Во-первых, создается основа, на которую в дальнейшем должны накладываться процессы смесеобразования и сгорания. Во-вторых, эта "чисто газодинамическая" модель имеет самостоятельную ценность для исследования процесса газообмена. '

В настоящей работе решается проблема создания "чисто газодинамического" аппарата моделирования на примере 2-х тактно-го двигателя с противоположно движущимися поршнями (1ВД1), а также сделаны определенные шаги по пути моделирования рабочего процесса дизеля в целом.

Кроме математического аппарата для непосредственного газодинамического расчета требуется также иметь возможность теоретического обобщения и распространения опытных данных о протекании газообмена, чтобы учесть совокупное влияние внешних условий и режимных.параметров на показатели газообмена.

Приведенные в работе исследования выполнялись в МГГУ и в ЦИАМ в соответствии с научно-техническими проблемами, возникающими при создании 2-х тахтного авиационного Турбопоршневого

двигателя (ТЦЦ) Рыбинского Конструкторского Бюро Моторостроения (РКБМ) (Генеральный конструктор А.С.Новиков).

Цели диссертации. В работе преследуются 2 основные цели.

1. Разработка и практическое применение программно-методического аппарата для математического моделирования газодинамических процессов в цилиндре и в смежных системах 2-х тактно-го двигателя.

2. Теоретическое обобщение экспериментальных и расчетных данных о газообмене в 2-х тактном двигателе и создание предпосылок для практического применения этой теории.

Методы исследования. Значительное место в работе уделено теоретической разработке математических йоделей для расчета турбулентного течения в двигателе. Созданный программный комплекс широко используется для численного математического моделирования процессов в двигателе. На первом этапе проверяется адекватность модели путем сопоставления расчета с экспериментом. На втором этапе методом математического моделирования получена информация о протекании газодинамических процессов во вновь разрабатываемом двигателе ДН-200, Учитывая, что наиболее эффективным способом получения информации о протекании процесса является разумное сочетание эксперимента с математическим моделированием, поэтому в работе проводится соответствующий объем экспериментальных исследований на физических моделях и на двигателях.

Теоретическое обобщение экспериментальных и расчетных данных по газообмену производится путем применения методов теории подобия.

Научная новизна. Разработана математическая модель 2-х мерного нестационарного турбулентного движения газа в цилиндре двигателя.

Получена и проанализирована турбулентная структура течения в цилиндре 2-х тактного двигателя с ЦЩ1 в течение газообмена и при сжатии в камере сгорания.

Показана возможность применения 2-х мерной математической модели для расчета течения при впуске и сжатии в 4-х тактном двигателе с несимметричным расположением впускного клапана.

На базе созданной газодинамической модели разработана 2-х мерная модель распространения и испарения турбулентного топлив-

ого факела.

На основе теории подобия впервые получена система крите-иев геометрического, кинематического и динамического подобия азообмена 2-х так-гного двигателя с ЦДД. Впервые получена обобщенная зависимость расхода воздуха и показателей газообмена от ритерия продувки, объединяющего в себе приведенные обороты вигателя и отношение давлений на впуске и на выпуске.

Установлены три основных вида течения в цилиндре при ста-ической продувке с качественно различным распределением осе-ой скорости, а следовательно, и с разным характером распрост-анения фронта продувочного воздуха в цилиндре при газообмене.

Получены данные о влиянии повышенной температуры надцувоч-ого воздуха (до 240 °С) на протекание рабочего процесса 2-х актного дизеля с ЦДЛ.

Практическая ценность. Создан программно-методический ап-арат для математического моделирования нестационарно го течения газообмена в многоцилиндровых 2-х и 4-х тактных ТПД с различными схемами газовоздушного тракта (ГНГ).

Рассчитаны показатели газообмена двигателя ДН-200 на основ ых режимах, определено влияние волновых явлений во впускной и ыпускной систолах на газообмен, оценена неравномерность напол-ения по цилиндрам, получена структура заряда в камере сгорания момент впрыска топлива.

Определены условия для эффективного управления структурой отока внутри цилиндра 2-х тавтноге двигателя путем использования 2-х рядной конструкции пояса круглых впускных окон. Найде-ы оптимальные параметры конструкции 2-х редкого пояса окон.

Проанализировано влияние различных схем течения воздуха о впускной коробке при I- и 2-стороннем подводе воздуха к ци-индраы на пропускную способность окон.

Практическая реализация» Полученные в работе расчетные и кспериментальные материалы использованы при разработке и доводе 2-х тактного .авиационного ТЦД ДН-200 в РНБМ. Полученная обоб-енная зависимость показателей газообмена от критерия продувки рименена для расчета выеотно-скоростных характеристик СВСХ) й-200.

Программный комплекс для расчета течения в циливдре ив йстемах двигателя используется в практике исследования ЩАМ,

НИВД, ВгПИ, ЧОИ, УАИ, МГГУ.

Апробация р^иоты. Основные положения работы докладывались на следующих международных и всесоюзных конференциях и семинарах: Мотор-Симпо-86, Высокие Татры, ЧССР, 1986 г.; ШЕ$'89, Вроцлав, Польша, 1989 г.; КОМЕ£'90, Гданск, Польша, 1990 г.; ЧПИ, Челябинск, 1977 г., 1986 г.; УАИ, Уфа, 19В4-1986 гг.; АН ГССР, Тбилиси, 1985 г.; НЩЦ, Москва, 1986 г.; ИТПМ, Новосибирск, 1986 г.; КазГУ, Алма-Ата, 1989 г.; МДЦИ, Москва, 19881994 гг.; МГГУ, Москва, 1961-1986 гг., 1991 г.; ЩАМ, Москва, 1990 г.

Публикации. Основное содержание работы изложено в 26 печатных работах, в 6 отчетах каф. Э-2 МГГУ 1932-1986 гг., в 5 отчетах ЩАМ, 1987-1993 гг., в 7 отчетах НИЦЦ, 1989-1993 гг.

Объем диссертации. Диссертация состоит из введения, 7 глав, общих выводов и списка литературы.

Общий объем работы. 378 страниц, в том числе 214 страниц текста, 132 иллюстрации, 21 таблица, перечень литературы из 219 наименований.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

В I главе диссертации анализируется состояние проблемы, производится обзор экспериментальных и теоретических методов исследования газообмена и турбулентного течения.

Экспериментальные методы. Непосредственное измерение показателей газообмена в 2-х тактных двигателях производится пу тем отбора проб газа из цилиндра при закрытых окнах или из выпускного трубопровода при выпуске. Данный метод отличается сложностью, трудоемкостью и недостаточной точностью, особенно при возрастании быстроходности двигателя. Поэтому часто используют ряд неявных методов: метод присадки горючих газов к продувочному воздуху, метод "трассирующего" газа, метод радио активных изотопов. Нашло применение физическое моделирование газообмена в цилиндре на различных динамических моделях.

Наибольшее распространение'при доводке органов газораспределения получили методы статической продувки вследствие про стоты изготовления моделей, замера параметров, надежности и • наглядности результатов. При статической продувке полагается, что нестационарность течения не. влияет на конечный результат. Неясно также, как соотносятся, например, турбулентность или

степень закрутки заряда в цилиндре на модели и на двигателе.

Важнейшим фактором для рабочего процесса двигателя является турбулентность заряда. При этом имеются в виду следующие характеристики турбулентного движения: осредненная скорость, интенсивность пульсаций и их кинетическая энергия; масштабы временные и пространственные; спектр распределения энергии турбулентности по частотам или размерам вихрей. Измерения обычно проводят на специально препарированных модельных установках. Глобальнее исследование турбулентных характеристик течения в цилиндре проведено группой исследователей в Английском Королевском колледже: Аркуманис К., Вафидис К., УайтлоуДж., Бисен А. и др. Полученные ими.экспериментальные данные широко используются в мировой практике для проверки адекватности математических моделей, описывающих внутрицилиндровую газодинамику. Исследования показали, что основным источником турбулентности является струя воздуха'при впуске. Кроме того, турбулентность генерируется вытеснит§льными потоками в конце такта сжатия, особенно при наличии закрутки. Экспериментально установлена линейная зависимость интенсивности пульсаций от частоты вращения двигателя. Эта важная зависимость объясняет свойство двигателя внутреннего сгорания.работать в широком диапазоне скоростных режимов.

Теоретические методы. Реальная возможность рассчитать течение в цилиндре появилась в 80-х годах в связи с разработкой несколькими независимыми группами исследователей алгоритмов расчета 2-х мерного турбулентного движения в циливдре ДВС. Работы проводятся в исследовательских центрах США, Англии, Австрии • и др. В СССР аналогичные работы начаты автором в МГТУ в начале 80-х годов.

Дальнейшее развитие мощности вычислительной техники создало предпосылки к разработке 3-х мерных газодинамических моделей, как наиболее приближенных к описанию реальных циклов.

Во второй главе приведено описание математической модели нестационарного течения газа в ГВТ двигателя. Течение в цилиндре рассматривается как 2-х мерное осесимметричнов турбулентное.

Линиями расчетной сетки в меридиональной плоскости рабочий объем разбивается на ячейки размерами А X и Д % соот-

ветственно по беи цилиндра и по радаусу. Ряд ячеек, непосредственно примыкающих к поршню, имеет подвижную внешнюю границу. Поток в ячейках характеризуется тремя компонентами осреднен-ной скорости по осям X »Я t цульсационной скоростью U.' , одинаковой по всем координатам, значением концентрации продувочного воздуха и параметрами, связаннши уравнением состояния давлением, температурой и плотностью. Газ рассматривается как ньютоновская жидкость с коэффициентом вязкости V* , изменяющимся в пространстве и во времени. Величины U,' и У^ связаны между собой и определяются через параметры модели турбулентности: турбулентную кинетическую энергию (ТНЭ) - К и скорость диссипации ТКЭ - В . Используемая К-в модель турбулентности учитывает влияние характера сжатия заряда на генерацию и диссипацию ТНЭ.

Все уравнения системы имеют общий вид:

d(Fjt) д(Ргг) d(F*t)_df< .Bf2+A т

где _ ,

F3=[j>^j>u^, p+jr*,j>vw,fLyfctf,fvk, jve],

А '[о,0, 0; (Р, *P2+P3)-J£,

faP^cJP^cfPJ+fsD-Ctj'jf].

В этих уравнениях: 1Ь - время; Т - текущий радиус; Р/У) у С) и, V"; IV - соответственно осредненные значения давления, плотности, температуры,'полной энтальпии, относительной концентрации и составляющих скорости по осям X , Я > Ф ; (эк , ()£ - турбулентные числа Прандтля-Шмидта; - турбулентные напряжения Рейнольдса; С^-, С^,'V , Рр Р£, Р3 - параметры, входящие в К-£ модель. Алгоритм решения системы уравнений (перехода от состояния потока в момент ~Ь к следующему моменту времени + основан на методе Годунова I порядка, примененном для уравнений, содержащих вязкие члены. Структура уравнений (I) позволяет применить для расчета переноса всех субстанций ) один и тот же алгоритм, методика использования которого проиллюстрирована на примере решения уравнения движения вдоль оси X • Посл'е интегрирования уравнения, замены интегралов по объему интегралами по поверхности, перехода к конечноразност-ной форме для отдельной ячейки в течение времени & Ъ , получено следующее выражение:

■AV* W^J tvu^w V W LA^/WMVi ^

(j)U)j^&z&tAXi-f P+J)U2'2rxx)j^ ZaZA£ +

1+aZ

AXAV =0.

2

(2)

Газодинамические параметры, входящие во второй и третий члены уравнения (2), полагаются постоянными в течение всего временного интервала . Физически эти члены представляют 'собой потоки импульса через границы ячейки и включает в себя конвективную и диффузионную составляющие. Конвективная составляющая находится из расчета распада произвольного разрыва (РПР) на границах ячейки, производимого по .линеаризированным формулам. После расчета РПР определяется перетекающая через каждую границу масса, несущая с собой конвективную составляющую полного импульса ( Р + 2 ). Конвективные составляющие субстанций: j^JW^t* J>K ,tP£> С определяются с учетом значений этих параметров в "донорской" ячей:се. Диффузионные составляющие потоков через границы ячейки находятся по градиент-

ному механизму, который в силу аналогии Рейнольдса распространяется на все субстанции. Турбулентные напряжения определяются как произведение турбулентной вязкости и градиента средней скорости, записанного в конечноразностном виде. В результате конвективного и диффузионного переноса на гранях ячейки количество субстанции к моменту + становится равным

где /7/ - поток субстанции £ через границы ячейки.

Уравнение (3) однозначно разрешается относительно параметров и, V, % С, К, Е .

Значения параметров потока в ячейках на границе рабочего объема определяются по условию "непротекания" газа из рассматриваемой ячейки. Касательное напряжение на стенке находится с помощью логарифмического "закона стенки". Величина удельного теплового потока на стенке определяется через касательное напряжение с помощью аналогии Рейнольдса. Граничные условия в области окон задают потоки массы и энтальпии втекающего воздуха, а также составляющие импульса по осям У ,Д , V . Здесь используются полученные в работе экспериментальные данные для коэффициентов расхода в окнах, а также для углов действительного направления вектора скорости в окнах. Осесимметричная модель цилиндра предполагает, что в расчете площадь окон равномерно "размазана" по всей окружности цилиндра с плотностью, определяемой коэффициентом использования периметра окон. Расчет скорости струи производится по перепаду давления внутри и вне цилиндра. Абсолютная скорость на входе в циливдр раскладывается на составляющие по осям X » К . Ч* •

На базе созданной 2-х мерной модели разработана математическая модель движения и испарения 2-х мерного турбулентного топливного факела в дизеле, учитывающая основные закономерности движения газокапельной среда. Линиями расчетной сетки в меридиональной плоскости пространство вокруг факела разбивается на ячейки размером АХ и А1 соответственно вдоль оси факеле и по радиусу. Система уравнений описывает турбулентное движение газа и ряда фракций капель. Структура уравнений аналогичш

описанной ранее. Здесь используется К-£ модель турбулентности, учитывающая наличие дисперсной фазы. Данная модель должна быть дополнена следующими механизмами взаимодействия капельной и газовой фаз:

1. Распыл струи на капли ряда фракций;

2. Дробление капель под действием аэродинамических сил;

3. Коагуляция капель;

4. Сопротивление движению капель в газе;

5. Турбулентная диффузия капель;

6. Тепломассообмен между каплей и газом;

7. Поправка в К-В модель вследствие 2-х фазности потока.

Модель не привязана к конкретным механизмам взаимодействия капель и газа. Они могут с течением времени заменяться на более совершенные, это будет способствовать уточнению модели.

Важно отметить одно обстоятельство, которое значительно упрощает расчет факела. Метод Годунова основан на обмене массы, импульса и энергии между ячейками. Учет движения и испарения капель также приводит к обмену массы, импульса и энергии между каплями и газом в ячейке. В алгоритмическом плане это означает, что расчет движения и испарения капель учитывается путем включения добавочных членов в баланс массы, импульса и энергии для каждой ячейки. Тестовые расчеты показали, что численное решение устойчиво при числе Куранта ^ 0,25.

Для расчета течения во впускной и выпускной системах принята 1-мерная модель течения газа. Модель В1<лючает в себя расчет течения в протяженных участках трубопровода и сопряжение параметров потока на стыках трубопроводов, где размещаются следующие элементы ГВГ: диафрагма, газораспределительные органы, узел трубопроводов, турбина и компрессор. Расчет протяженных участков трубопровода производится 1-мерным явнда методом Годунова 1-го порядка с учетом трения и теплообмена со стенками. Сопряжение параметров потока на стыках трубопроводов производится на основе теории РПР. Конфигурация РПР, образующаяся при отражении волн от турбины и от компрессора, включает в себя зону отбора или подвода энтальпии к потоку. Количество отбираемой или подводимой энтальпии определяется по характеристике турбины или компрессора.

В главе 3 описывается созданный автором программный комп-

леке "Газодинамика ТЦД". Комплекс предназначен для газодинамического расчета любой возможной схемы ГБТ 2-х и 4-х тактных ТЦД. Это достигается открытой модульной структурой, когда каждый модуль предназначен для расчета определенного элемента ГБТ. Используя эти модули, легко самостоятельно построить из них управляющую программу (УП), соответствующую конструктивным особенностям исследуемого двигателя. При создании комплекса реализовано стремление к уменьшению труда пользователя на составление УП. Это выразилось, в частности, в создании специальной системы диагностики, встроенной в каждый модуль. Заголовок модуля имеет диагностический параметр. При определенном его значении на печать выводятся все входные и выходные параметры модуля. При неприемлемом сочетании входных параметров происходит останов с выдачей на печать диагностической информации. Комплекс легко реализуется на любой ЭВМ. В работе приведено описание банка модулей. Приведены рекомендации по составлению и отладке УП, рассмотрен конкретный пример по составлению УП для газодинамического расчета 6-ти цилиндрового двигателя.

Глава 4 посвящена экспериментальным исследованиям на мо-мелях и на двигателе, проведенным с участием автора. Модель впускной коробки й цилиндру двигателя с ПДП, используемая для статической продувки, включает в себя цилиндр, в выточке которого устанавливаются сменные продувочные пояса окон. Вдоль оси по резьбе передвигается шток поршня, перекрывающего окна. Снаружи цилиндр охватывает тонколистная впускная коробка, в •которой, можно устанавливать ширмы, изменяющие способ подвода воздуха к окнам. Выход воздуха из цилиндра оформлен аналогично. Замер параметров потока в цилиндре проводился в плоскости форсунок с помощью 3-х точечного насадка, установленного на координатном устройстве. Измерения проводились по всему диаметру цилиндра. В каждой точке насадок устанавливался по направлению, при котором достигался максимальный перепад давле- . ния в трубке пьезометра. Это позволяет определить абсолютную скорость в точке и ее направление.

Опыты на статической модели показали, что пропускная способность окон сильно зависит от схемы течения в коробке, от угла между направлением потока в коробке и *в окнах, а также

от отношения суммарной текущей площади окон к поперечному сечению коробки.

Яри конструировании впускной системы габаритные ограничения вынуждают конструктора прибегнуть к одностороннему подводу воздуха к цилиндрам. В этом случае необходимо оценить, как такое решение повлияет на пропускную способность. Выяснено, что односторонний подвод ухудшает на ** 1/4 расход воздуха через цилиндр. Односторонний подвод приводит также к сильно выраженной асимметрии эпюр осевой и тангенциальной скорости в цилиндре .

Анализ результатов продувок позволил выделить три типа течения в цилиндре, рис. 1.2. При малом тангенциальном угле наклона окон образуется слабозакрученное течение, характеризуемое низкими значениями тангенциальной скорости. При этом центральная зона цилиндра продувается интенсивно, что благоприятно сказывается на качестве продувки. Однако, недостаточная для организации рабочего процесса тангенциальная скорость заставляет увеличить тангенциальный угол наклона окон. В этом случае образуется течение с интенсивной закруткой, но с плохо продуваемой центральной зоной.

По предложению Л.С.Ронинсона применена схема впускного пояса с двумя рядами круглых окон, нижний ряд которых направлен радиально, а верхний - под тангенциальным углом . В этом случае удалось достичь приблизительного постоянства осевой скорости по сечению цилиндра и высокой закрутки заряда. Экспериментально найдено и подтверждено расчетом оптимальное соотношение площадей окон верхнего и нижнего рядов, оптимальный угол закрутки ^о . Опыты показали более высокое гидравлическое совершенство круглых окон по сравнению с прямоугольными.

Прй втекании воздуха в цилиндр струя отклоняется от направления, заданного геометрическими углами наклона окон %0 и

0 соответственно в меридиональном и тангенциальном направлениях. Опыты, проведенные на увеличенной модели впускного окна, выявили зависимость углов отклонения струй и от геометрических параметров круглых и прямоугольных окон. Величина этих углов зависит от отношения ширины и высоты окна (или диаметра) к его глубине, от относительной величины открытия окон, а также от углов наклона оков. Углы и $а не завис«» от перепада

Н'-Щ.

:?ИС. I.Профили осевой скорости в цилиндре

I- слабозакрученное течение; 2- сильноэакрученное течение; 3- течение с постоянной осевой скоростью

- _ 44

V/ - Щ>

Рис.2, профили тангенциальной скорости в цилиндре

I- слвбозакрученное течение; 2- сильнозакрученное течение; 3- течение с постоянной осевой скоростью

давления на окнах.

Визуализация протекания газообмена в двигателе с ВД1 проведена на гидравлической одноцикловой установке. Поршни модели совершают возвратно-поступательное движение на уровне окон с учетом угла заклинки. Структура течения в меридиональной плоскости цилиндра фиксируется через прозрачные стенки модели с помощью скоростной кинокамеры при освещении методом "светового ножа". В жидкость, моделируюпую продувочный воздух, добавляются пластмассовые частицы размером 0,1...О,2 мм. Скорость движения фронта продувочного агента определяется по кинограмме, замеряется также объемный расход.

Анализ кинограмм показывает, что в цилиндре при впуске образуется интенсивное закрученное течение с обратным током на уровне впускных окон. Вследствие турбулентных пульсаций центральная зона с большой частотой совершает колебательное движение. Максимум расхода жидкости^ достигается при угле заклинки У3 = II...12°.

В работе приведены результаты исследования рабочего процесса экспериментального 1-цилиндроЕого дизеля с ДЕД 1ДН12/2х12. Испытания заключались в замерах выходных параметров двигателя на установившемся режиме при различных сочетаниях следующих исходных параметров: давление и температура наддувочного воздуха, давление на выпуске, частота вращения, угол опережения впрыска. В опытах исследовались различные схемы подвода воздуха к цилиндру. Ьдесь выявилось качественное отличие от результатов, полученных при статической продувке: направленный поток при 1-стороннем подводе привел не увеличению пропускной способности, а к дальнейшему ее уменьшению. Объяснение этому заключается в том, что в двигателе коробка с каналом для поступления воздуха и цилиндр являются колебательной системой. В этих условиях неучет нестационарности привел к качественно различным результатам при статической продувке и на двигателе.

Повышение литровой мощности связано с повышением давления наддува. При отсутствии охлаждения температура наддувочного воздуха может достигать высоких значений. Это приводит к существенному изменению условий воздухеснабжения, смесеобразования и сгорания. В работе исследуется рабочий процесс двигателя при повышении температуры на входе до £ = 240 °С. Получены данные

о периоде задержки воспламенения при разных углах опережения впрыска. Установлено, что изменение периода задержки воспламенения для исследованного диапазона температур может прогнозироваться с помощью известных методик.

В пятой главе проводится проверка адекватности математической модели. Вначале проведена идентификация параметров 2-х мерной модели. Оптимальное разбиение расчетной сетки составляет 13...15 ячеек на радиусе цилиндра, число Куранта равно 0,3. Начальное значение закрутки потока в цилиндре практически не влияет на результаты расчета.

Методом установления во времени рассчитывалось стационарное течение воздуха в цилиндре модельной установки. Получено адекватное описание полей скорости для слабозакрученного, сильнозакрученного и течения с постоянным значением осевой скорости.

Детальная проверка модели в части описания турбулентной структуры потока проводилась путем сравнения расчетов с экспериментальными данными, полученными в Английском Королевском Колледже. Эти данные получены на модельном двигателе с осе-зим-метричной конфигурацией рабочего объема и газораспределительных органов. Получено хорошее качественное и количественное соответствие данных для среднего течения, интенсивности и масштаба турбулентности на тактах впуска и сжатия в следующих случаях: а) плоский поршень, наличие и отсутствие закрутки; б) осесимметрично расположенная цилиндрическая камера сгорания в поршне, наличие и отсутствие закрутки.

На рис. 3 приведены некоторые расчетные и экспериментальные результаты.

Разработанная осесимметричная модель применена для расчета течения в реальном двигателе с несимметричным расположением клапанов. Эксперименты показывают, что структура заряда к моменту окончания впуска близка к осесимметричной, а интенсивность турбулентности определяется скоростью впускной струи. Это позволило при соответствующем задании параметров впуска адекватно рассчитать структуру течения в процессе сжатия в реальном двигателе. Хорошая сходимость результатов наблюдается при отсутствии и при наличии закрутки в цилиндре.

Проверка 2-х мерной модели в части расчета показателей

О Ю 20 ¿0

аа за Г/имх

Рис.3. Профили (а) осевой скорости и (б) интенсивности турбулентности в цилиндре с плоским поршнем при 90°ПКВ - » ■ эксперимент -**— расчет

газообмена проводилась путем сравнения с экспериментальными данными, полученными рядом авторов на 2-х тактных двигателях с ЦцП типа Д100, 5ТДФ, 6ДН12/2х12. Сопоставление расчетных и экспериментальных показателей газообмена показало их хорошее соответствие.

Комплексная проверка 1-мерной модели заключалась в сопоставлении экспериментальных и расчетных диаграмм давления, полученных в разных точках впускной и выпускной систем развернутого двигателя 6ДН12/2х12. Модель достаточно хорошо описывает волновые процессы в системах.

Шестая глава посвящена практическому применению разработанного программно-методического аппарата для анализа газообмена в авиационном дизеле ДН-200. Математическое моделирование позволило получить данные по следующим направлениям:

- показатели газообмена в цилиндре на основных режимах;

- подтверждение оптимальности конструкции впускных окон, найденной при статической продувке модели цилиндра;

- определение структуры течения в цилиндре при продувке и при сжатии. Определение вихревого отношения и параметров турбулентности в камере- сгорания в момент впрыска топлива;

- оценка амплитуды колебаний давления и определение средней скорости газа во впускной и выпускной системах;

- сценка степени неравномерности расхода воздуха по цилиндрам .

Численное моделирование позволяет выяснить основные особенности процесса газообмена в цилиндре (рис. 4). При открытии выпускных-окон в них устанавливается сначала надкритический, а затем докритический режимы истечения или так называемый режим свободного выпуска. Этот режим длится ^ 20 °ПКВ, и из цилиндра вытекает 30 % отработавших газов. При открытии впускных окон обычно вначале имеет место обратный заброс газов бо впускную систему, который затем сменяется процессом впуска. При втекании воздуха вблизи оси цилиндра на уровне впускных окон образуется зона-интенсивного вращения. Это связано с тем, что частицы воздуха, проникая с периферии к оси цилиндра, испытывают ускорение .Кориолиса и увеличивают свою угловую скорость. В зоне интенсивного вращения происходит повышенная генерация

Рис. 4. Структура заряда в цилиндре при продувке в НМТ ( У? =180°пкв)/ закрытии окон ( Ф =240°пкв) ;

а) поле скорости в меридиональной плоскости;

б)поле тангенциальной скорости и интенсивности турбулентности;

в) поле концентрации свежего заряда

турбулентности. Вследствие наличия центробежных сил в месте наибольшей закрутки на уровне окон образуется разрежение, и вдоль оси цилиндра развивается обратное течение. Наличие центробежных сил препятствует проникновению более плотного продувочного воздуха к оси цилиндра, и там образуется непродаваемая вихревая' зона в виде конуса, обращенного своей вершиной к впускному поршню. Размер этой зоны, в основном, определяет величину показателей газообмена. Расчеты показывают, что при отсутствии закрутки непродуваемая зона образуется у стенки цилиндра, а основная масса продувочного воздуха проходит через центр цилиндра, обеспечивая послойное вытеснение отработавших газов. Уровень турбулентности в цилиндре невысок, поскольку отсутствует мощный источник генерации турбулентности в виде тангенциального вихря. Несмотря на неплохие значения показателей газообмена, данный способ продувки не обеспечит качественного смесеобразования и сгорания вследствие малого уровня турбулентности.

Продолжение расчета 2-х мерного течения в цилиндре после закрытия окон позволяет определить структуру заряда в процессе сжатия. На большей части хода сжатия наблюдается пологое уменьшение тангенциальной скорости и интенсивности турбулентности. В конце сжатия появляются вытеснительные потоки к центру камеры. Частицы газа перемещаются вдоль радиуса в условиях неравномерного поля тангенциальной скорости и тем самым вызывают генерацию турбулентности. Наличие вытеснительных потоков совместно с высоким уровнем турбулентности м/с) способствует вы-

равниванию по объему камеры полей концентрации, температуры и турбулентности. Интегральный масштаб турбулентности в камере составляет 1,4...1,7 мм. Профиль тангенциальной скорости в пределах камеры сгорания близок к закону вращения твердого тела, а в периферийной области - к закону потенциального вихря. Вихревое отношение двигателя, вычисленное по скорости вращения центральной зоны, равно 11,8.

7 глава посвящена теоретическому обобщению на основе теории подобия результатов по газообмену в 2-х тактном двигателе с ЦЦП. Из общих физических соображений следует, что многофакторность не является собственным свойством рассматриваемого явления.. В действительности влияние отдельных параметров проявляется не порознь, а совместно в определенных совокупностях, ха-

рактерных для данного процесса и являющихся безразмерными критериями подобия.

На процесс газообмена оказывают влияние геометрические параметры: ход $ диаметр Ъ , длина шатуна !~ш , высота впускных, выпускных окон , рабочий объем цилиндра ~\[к, угол танген-

циального наклона впускных окон , угол заклинки ^ . Пропускная спосойность цилиндра зависит от гидравлического сопротивления впускных, выпускных окон и от перестройки потока внутри цилиндра. Удобно оперировать одной величиной эквивалентного проходного сечения, которая получена из гидравлических соображений путем замены последовательно расположенных проходных площадей впуска, поперечного сечения цилиндра и выпуска.

-1

/> /~4

21- 2 С2р2 . г г-С г.

+ А"«; ГЦ + 1-Ц,

(4)

где , , - поперечное сечение впускных, выпускных окон и цилиндра.

Из режимных параметров на процесс газообмена оказывают влияние давление Рк и плотность ^к ■ воздуха на впуске,•давление на выпуске, частота вращения П . Параметры-индикаторного процесса влияют слабо.

Совокупность указанных выше заранее известных параметров составляет условия однозначности процесса газообмена, и« из этих параметров составляются безразмерные определяющие критерии подобия.

Условия геометрического подобия заключаются в равенстве у двух сравниваемых двигателей симплексов геометрической природы:

и6/$,

Кинематическое подобие двигателей заключается в равенстве у шй£ отношений скоростей потока в сходственных точках тракта. Из рассмотрения осредкенных за цикл скоростей потока в окнах и в цилиндре в осевом и тангенциальном направлениях получена следующая совокупность критериев: 2) } Рв^Рр; $о .

Для нахождения критериев динамического подобия необходимо сначала определить величины, характерные для рассматриваемого процесса. За характерную длину £ удобно принять длину столба !

воздуха, прошедшего через сечение и наполнившего рабочий ■ объем 1/}, , ч: * £ — Уа / 1~£. -За характерное время процесса принимается период цикла Т = 60//2., а характерное значение скорости определяется как Ц,=-Для скорости звука и вязкости можно взять параметры среды на впуске: (Хк , У^ .

Важнейшим критерием для машины с периодическим действием, какой является поршневой двигатель, является критерий гомо-хронности _

Вввду того, что при Рк ~» Рг , то в качестве кри

•терия удобнее применять величину, обратную :

п- —/ЛЕЖ_ - /ого л/. р* '

Л ^ '

Величину /7 будем называть критерием продувки. Физически смысл этого критерия можно рассматривать как соотношение между потребным временем для заполнения рабочего объема и периодом цикла.

Получим выражение для критерия Маха_

д/ лКРк-РхУК -л/ ^ п Р*\'

Из этого, выражения видно, что подобие по числу Л/ соблюдено, если выполняется

Рч/Рк = ¿е/е/п.

Получим выражение для критерия Рейнолвдса. Здесь за характерный поперечный размер удобно принять ширину окна & , тогда

о _ $ Я* = /лМ-РгИРк'

Ке~ ъ М 1 (7)

Задача о газообмене может быть сформулирована как нахождение зависимости показателей газообмена о« полученной выше совокупности .определяющих критериев подобия. Для выполненного дви-

гателя критерии геометрического и кинематического подобия остаются неизменными. Кроме того, учитывая, что течение в двигателе, в основном,происходит с относительно малыми скоростями, то можно пренебречь условием подобия по критерию М . Рассматривать условие подобия по критерию обычно нет необходимости (за исключением режима работы высотного двигателя), поскольку при обычных для наземного двигателя параметрах процесс течения в окнах находится в области автомодельности. Тогда величина показателей газообмена будет являться однозначной функцией критерия продувки П •

Имеется глубокое физическое сходство между этими зависимостями и характеристиками лопаточных машин. В самом деле, в зависимостях (8).аналогично как и для лопаточных машин расходные по сути показатели ^ и связаны с приведенными оборотами /?/\[тк и с отношением давлений Рг./Р/С . Поэтому зависимости (8) можно трактовать как обобщенную гидравлическую характеристику (ОГХ) 2-х тактного двигателя. На рис. 5 приведена экспериментальная зависимость безразмерного расхода от критерия продувки

для опытного двигателя РКБМ 1ДН6,4/2х6,4. Видно, что все точки укладываются на одну линию, исходящую'из начала координат. Определение зависимостей ^у-^СЛ), <Р=^РСп)) проведено расчетом с помощью 2-х мерной модели.

При обосновании зависимости (8) не делалось никаких предположений о схеме продувки, поэтому нужно признать, что СГХ присуща для любого типа 2-х тактного двигателя.

ОГХ двигателя получена в предположении постоянных значений Рк и Р^ . Однако в реальном двигат&ле при ограниченном объеме впускной и выпускной коробок Рк и Р.^ изменяются со значительной амплитудой, причем волновая картина очень сильно меняется с частотой вращения.

На рис. 6 представлена ОГХ для двигателя 1ДН12/2х12 с ограниченным объемом впускной и выпускной коробок. Видно, что точки, полученные для различных частот вращения укладываются на разные линии. Волновая природа расщепления ОГХ доказывается тем, что здесь величина ^ немонотонно изменяется по часто-

1 Yk « QfQQtHib ~ c.oans н F g « ot aom * / / / >

л » / / /

»

У /У1 S

.1 J.-

s

a ié

га

*

Рис.5.. Обобщенная гидравлическая характеристика для ОЩ ШШ Щ06,4/2X6,4)

Рис..6.. Влияние волновых явлений в системах на обобщенную гидравлическую характеристику двигателя ЩИ2/2x12

те вращения.

ОГХ нашла свое практическое применение при расчете ВСХ авиационного ТПД. Этот расчет целесообразно проводить с помощью модели идентификации рабочего процесса двигателя. Модель идентификации строится на базе опытных данных и представляет собой зависимость от условий работы выходных показателей дизеля: расхода воздуха, выходной мощности, температуры выпускных газов и теплового потока в систему' охлаждения. Расчет ВСХ заключается в согласовании расхода и работы дизеля с характеристиками' турбины и компрессора и нахождение линии их совместной работы. Модель идентификации рабочего процесса дизеля с'ПДП основывается на методике С.И.Погодина. Данная методика нуждается в задании показателей газообмена. С помощью ОГХ можно при минимуме вычислительной работы и достаточно точно определить показатели газообмена в зависимости от условий работы двигателя.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

1. Разработана численная математическая модель 2-х мерного осесимметричного нестационарного турбулентного движения воздуха и газа в цилиндре двигателя. Модель адекватно описывает турбулентное течение в цщшндре при впуске и сжатии для плоского поршня, при камере сгорания в поршне, при наличии и при отсутствии закрутки заряда на впуске. Модель позволяет определить интенсивность и масштаб турбулентности и вихревое отношение в конце сжатия при асимметрично расположенном впускном клапане.

2. Основным фактором, определяющим протекание газообмена

в двигателе с ПДП, является возникновение на оси цилиндра конусообразной непродуваемой вихревой высокотурбулизированной зоны. Размер зоны определяет, в основном, величину показателей газообмена.

3. Турбулизация заряда и наличие радиального вытеснитель-даго потока при сжатии в двигателе с ПДП приводят к выравниванию по объему камеры сгорания концентрации воздуха, температуры и характеристик турбулентности. Профиль тангенциальной скорости в пределах камеры близок к закону вращения твердого тела.

4. Разработана численная математическая модель движения и испарения 2-х мерного осесимметричного нестационарного турбулентного топливного факела. Модель учитывает основные закономе£

ности движения и взаимодействия газа и капель.

5. Разработанный программный комплекс "Газодинамика ТЦЦ" показал свою пригодность для газодинамического расчета многоцилиндровых 2-х и 4-х тактных ТПД с разными" схемами газовоздушного тракта. Комплекс может использоваться на любом типе ЭВМ, он имеет открытую модульную структуру и снабжен встроенной системой диагностики.

6. Статическая продувка различных конструкций поясов впускных окон позволила установить три основных типа течения в цилиндре с качественно различным распределением осевой скорости:

а) слабозакрученное с продуваемой центральной зоной;

б) сильнозакрученное с продуваемой периферийной зоной;

в) равномерная прдувка, цилиндра при достаточно сильной закрутке периферийной зоны.

Реализация последнего типа течения достигается при использовании 2-х рядного пояса круглых окон, который позволяет расширить возможности управления структурой потока в цилиндре и осуществить эффективный газообмен, высококочественный индикаторный процесс и удовлетворить требованиям технологии изготовления.

7. Установлена сильная зависимость пропускной способности цилиндра от схемы течения воздуха в коробке. Так переход от 2-х стороннего подвода к 1-стороннему уменьшает расход через двигатель на ^ 1/4 и повышает степень асимметрии течения в цилиндре. В реальном двигателе коробка и цилиндр являются колебательной системой, поэтому статическая продувка может дать качественно различные результаты по сравнению с данными, полученными на двигателе.

8. Проведено исследование влияния повышенной температуры наддувочного воздуха на протекание рабочего процесса. Повышение температуры воздуха до = 240 °С не выявило отклонений от устоявшихся представлений о влияний £к на параметры рабочего процесса.

9. Исходя из физической картины течения в цилиндре 2-х тактного двигателя с ДДП на основе теории подобия получена система определяющих критериев геометрического, кинематического и' динамического подобия. Наиболее важным из них является критерий продувки, характеризующий условия гомохронности и объеди-

няющий в себе приведенные обороты двигателя а отношение давлений на впуске и на выпуске.

10. Получена критериальная зависимость расхода воздуха и показателей газообмена 2»х тактного двигателя с ПДД от критерия продувки. Эта зависимость может быть интерпретирована как обобщенная гидравлическая характеристика (ОГХ) 2-х тактного двигателя. Имеется глубокая аналогия между ОГХ 2-х тактного двигателя и характеристиками лопаточных машин: турбины, компрессора. На характер протекания ОГХ оказывают влияние волновые процессы во впускной и выпускной системах. ОГХ присуща для любого типа 2-х тактного двигателя. ОГХ нашла практическое применение при расчете ВСХ авиадизеля.

Список опубликованных работ по теме диссертации

1. Рудой БЛ., Березин С.Р. Расчет на ЗШ показателей газообмена ДВС: Учебное пособие. УАИ, Уфа, 1979. - С. 91.

2. Березин O.P., Кругло в М.Г. Метод расчета 2-х мерного течения вязкого теплопроводного газа // Двяпателестроение. -1982. - » 9. - С. 3-7.

3. Агапитов О.Н., Березин С.Р., Круглое МЛ", и др. Объемная жидкостная модель для исследования гаэооСмена комбинированного 2-х тактного двигателя // Изв. БУЬов. Машиностроение. -1963. - » 7. - С. 53-57.

4. Березин С.Р., Круглое М.Г. Расчет нестационарного течения газа в выпускной системе КДВС с учетом выполнения интегральных законов сохранения // ДВС: Респ. ивжвед. науч.-техн. . сб., Вып. 37. - Харьков. 1983. - С. 18-22.

5. Березин С .Р., Гришин Ю.А., Мандагажадав кЛ. Определение параметров газа за клапаном для расчета нестационарно го течения в выпускном трубопроводе ДВС// ДВС: Респ. межвед. науч.-техн. сб.^Ьш. 40. т(Харьков)-19В4. - С. 72-75.

6. Агапитов О.Н., Березин С .Р., Стрелков ВЛ„ Влияние угла заклинки коленчатых валов на газообмен 2-х тактного дизеля с ЦДЦ // Изв. ВУЗов. Машиностроение. - ВВ4. - » 12. - С. 67-70.

7. Березин С.Р., Агапитов О.Н. Математическая модель 2-х мерного осесимметричного турбулентного двявения газа в циливд-ре двигателя с ЦЦД // Двигатедестроенмв. — 1985. - № 4. -С. 3-7.

3. Березин O.P. Модель численного расчета развития турбулент- . ного топливного факела в дизелях // Изв. БУЗов. Машиностроение. - № 4. - 1965. - С. 73-77.

Э. Круглов М.Г., Березин С.Р. Математическое моделирование 2-х мерного турбулентного движения газа в цилиндре 2-х тактного двигателя // Тезисы докл. Всесоюз. конф. по теории и расчету ДБС. - Тбилиси, I9ü5, - С. bO.

10. Березин С.Р., лгалитов Ü.H., круглов М.Г. Математическое и физическое моделирование движения газа в цилиндре 2-х тактного двигателя // Сб. докл. У Международного симпозиума ïùoTop-Симт-ЬЬ. - M., I9b6. - С. 12-15.

11. Березин С.Р., Семенов В.Г. Расчетно-экспериментальное исследование газообмена в цилиндре 2-х тактного дизеля // Перспективы развития îÇjJBC новых схем: Тезисы Бсесоюз. науч.-. техн. конф. - M., 190*7, - С. 49.

12. Агапитсв С.Н., Березин С.Р., Стрелков В.П. Особенности продувки наполнения в двигателе с ДЦП // Перспективы развития iftBC новых схем: Тезисы Всесоюз. науч.-техн. конф. - М., 19о7. - С. 52.

13. Иткис S.M., Березин С.Р., дульгер М.В. Математическое описание движения газа в цилиндре двигателя с использованием модели турбулентности // Перспективы развития КДВС новых схем: Тезисы Всесоюз. науч.-техн. конф. - M., 1987. - С. 71.

14. Березин С.Р. Исследование газообмена в 2-х тактных дизелях ,с ЦДЛ // Труды международной конф. гС0^Е£'о9. - Вроцлав*. (Польша}, I9ö9. - С. I-I6.

15. Березин С.Р., Семенов В.Г. Расчетно-экспериментальное исследование газообмена в цилиндре 2-х тактного двигателя ДЮО // ДВС: Респ. межвед. научн.-техн. сб., &ып. 49. - À., 1989. - С. 62-63.

16. Иткис Е.М., Березин С.Р., Дульгер М.В. Двумерное моделирование турбулентного потока в поршневых двигателях в процессе впуска // Двигателестроение. - 1990. - № 8. - С. 15-17.

17. бегеъсн $.Я., Iikt? Doucher M. V. Тшо-Ф'меп-Siona С modeeÔHQ cj iU turzfaßent fiouJ ¿и ihe plbion e/igî/te о/ île $uciion and com/>rus%(on,

//KOMEÏ'SO. -Gdansk^ofomj, 1990. -P.

1о. Березин С,Р. Универсальный программный комплекс "Газодинамика ТЦЦ" // Труды ЦИАМ, 1990. - 107 с.

Предисловие

Основные условные обозначения и сокращения.

ГЛАВА I. Методы исследования газообмена в 2-х тактных двигателях.

1.1. Особенности протекания рабочего процесса в

2-х тактном двигателе с ЦЩ1.

1.2. Обзор работ по исследованию газообмена и турбулентности в цилиндре . . II

I 1.2.1. Экспериментальные методы исследования. . II

1.2.2. Теоретические методы исследования.

1.3. Цели и задачи исследования.37'

ГЛАВА 2. Математические модели течения газа в элементах ГВТ.

2.1. 2-х мерное нестационарно© турбулентное ' течение в цилиндре 2-х тактного двигателя с ЩП.

2.1.1. Исходные предпосылки.

2.1.2. Моделирование турбулентности в цилиндре.

2.1.3. Основная система уравнений.

2.1.4. Метод численного решения основной системы уравнений.

2.1.5. Граничные условия. * я е

2.2. Математическая модель движения и испарения 2-х мерного нестационарного турбулентного топливного факела.

2.3. Расчет течения в трубопроводе с учетом трения и теплообмена.

2.4. Стык емкости и трубопровода.

2.4.1. Потери при реальном течении газа через клапан.

2.4.2. Истечение из емкости.

2.4.3. Втекание в емкость.

2.5. Сужение на стыке двух трубопроводов.

2.6. Узел трубопроводов.

2.7. Взаимодействие нестационарного потока с турбиной и с компрессором.

2.8. Определение параметров газа в ресирере переменного объема.

2.9. Выводы.

ГЛАВА 3. Программный комплекс "Газодинамика ТПД".

3.1. Принципы организации комплекса.

3.2. Модули для расчета элементов ГВТ.

3.2.1. Одномерное течение в трубопроводе.

3.2.2. Местные сопротивления. - - -3«2.3. Газообмен и течение в цилиндре. ' 3.2.4. Вспомогательные подпрограммы.III

3.3. Управляющая программа.

3.3.1. Структура исходных данных. . ИЗ

•3.3.2. Рекомендации по составлению и отладке управляющей программы.

-3стр.

3.3.3. Пример составления управляющей программы для расчета выпускной системы ТПД.

3.4. Выводы.

ГЛАВА 4. Экспериментальные исследования газодинамических процессов в цилиндре двухтактного двигателя с ЩЩ.

4.1. Цели и место экспериментальных исследований.

4.2. Статическая продувка впускных окон и коробки двигателя.

4.2.1. Объекты и методики исследования.

4.2.2. Влияние схемы течения в коробке и конструкции окон на кинематику потока внутри цилиндра и на расход воздуха.

4.2.3. Определение коэффициента расхода впускных окон с учетом конструкции впускной коробки.

4.2.4. Влияние конструкции впускных окон на пропускную способность и на структуру потока в цилиндре.

4.2.5. Определение направления вектора скорости во впускных окнах.

4.3. Моделирование газообмена на гидравлической ожкощ-ШрВои • установке.

4.3.1. Объект и методика исследования.

4.3.2. Результаты исследования

4.4. Исследование воздухоснабженш и индикаторного процесса ¿-^цилиндрового двигателя ДН12/2х12.

4.4.1. Объект и методика испытаний.

4.4.2. Влияние повышения температуры наддувочного возду ха на параметры рабочего процесса двигателя.

4.4.3. Влияние схемы подвода воздуха к цилиндру на протекание рабочего процесса.

4.5. Выводы.

ГЛАВА 5. Проверка адекватности математической модели. . . *

5.1. Исходные положения.

5.2. Идентификация параметров 2-х мерной модели.

5.3. Расчет стационарного течения в цилиндре модельной установки.д

А 5.4. Расчет течения в цилиндре с плоским поршнем.

5.4.1. Описание модельной установки и условий расчета.

5.4.2. Проверка по качественным и количественным показателям.

5.5. Расчет структуры течения в цилиндре при наличии камеры сгорания в поршне.

5.6. Моделирование турбулентности и закрутки заряда в цилиндре с асимметрично расположенным впускным клапаном.

5.7. Расчет волновых явлений во впускной и выпускной системах/развернутого двигателя 6ДН12/2х12.

5.7.1. Методика расчета.

5.7.2. Результаты расчета.

5.8. Расчет показателей газообмена в цилиндрах двигателей 6ДН12/2х12 и 1ДН20,7/2x25,4.

-А.

5.8.1. Методика расчета.

5.8.2. Результаты расчета.

5.9. Выводы.

ГЛАВА 6. Расчет газодинамических процессов в двигателе

ДЕН200.

6.1. Краткие сведения о .двигателе.

6.2. Расчет газообмена в цилиндре.

6.3. Расчет турбулентной структуры течения в камере сгорания.

6.4. Расчет волновых процессов во впускной и выпускной системах.

6.4.1. Методика расчетного исследования.

6.4.2. Анализ результатов расчета.

6.5. Выводы.

ГЛАВА 7. Критериальная взаимосвязь параметров при газообмене 2-х тактного двигателя с ЦДЛ.

7.1. Критерии подобия газообмена двигателя,

7.2. Обобщенная гидравлическая характеристика двигателя.

7.3. Модель идентификации для рабочего процесса 2-х тактного дизеля.

7.4. Выводы.

Практика конструирования и доводки высокофорсированных

• быстроходных ТЦД требует глубокого проникновения в суть рабо-ч чего процесса, . " . Особую сложность, как отмечают многие исследователи,представляет собой доводка рабочего процесса 2-х тактного двигателя. Именно в этом типе двигателя качестве смесеобразования и сгорания напрямую связаны с 4 процессом газообмена. Осуществляемая в 2-х тактном двигателе с ГЩП прямоточная продувка обеспечивает не только хорошую очистку цилиндра от отработавших газов,но и одновременно создает высоко-« турбулизированное закрученное движение.необходимое для качественного смесеобразования и сгорания топлива.

Эффективным методом получения информации о протекании быстро-протекающих газодинамических процессов является математическое моделирование. Настоящая работа,в значительной мере,посвящена проблеме создания аппарата математического численного моделирования рабочего процесса дизеля. Этот аппарат основывается, в общем случае, на модели пространственного нестационарного турбулентного движения газокапельной среды с физико-химическими превращениями.

8. ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

1. Разработана численная математическая модель 2-х мерного осесимметричного нестационарного турбулентного движения воздуха и газа в цилиндре двигателя. Модель адекватно описывает турбулентное течение в цилиндре при впуске и сжатии для плоского поршня,при камере сгорания в поршне, при наличии и при отсутствии закрутки заряда на впуске. Модель позволяет определить интенсивность и масштаб турбулентности и вихревое отношение в конце сжатия при асимметрично расположенном впускном клапане.

2. Основным фактором .определяющим протекание газообмена в двигателе с ЦДЛ, является возникновение на оси цилиндра конусообразной непродуваемой вихревой высокотурбулизированной зоны. Размер зоны определяет, в основном, величину показателей газообмена.

3. Турбулизация заряда и наличие радиального вытеснитель-ного потока при сжатии в двигателе с ЦЩ приводят к выравниванию по объему камеры сгорания концентрации воздуха, темпера туры и характеристик турбулентности. Профиль тангенциальной скорости в пределах камеры близок к закону вращения твердого тела.

4. Разработана численная математическая модель движения и испарения 2-х мерного осесимметричного нестационарного турбулентного топливного факела. Модель учитывает основные закономерности движения и взаимодействия газа и капель.

5. Разработанный программный комплекс "Газодинамика ТЩ£" показал свою пригодность для газодинамического расчета многоцилиндровых 2-х и 4-х тактных НЩ с разными схемами газовоздушного тракта. Комплекс может использоваться на любом типе ЭВМ, он имеет открытую модульную структуру и снабжен встроенной сю-темой диагностики.

6. Статическая продувка различных конструкций поясов впускных окон позволила установить три основных типа течения в цилиндре с качественно различным распределением осевой скорости; а) слабозакрученное с продуваемой центральной зоной; б) сильнозакрученное с продуваемой периферийной зоной; в) равномерная продувка цилиндра при достаточно сильной закрутке периферийной зоны.

Реализация последнего типа течения достигается при использовании 2-х рядного пояса круглых окон,который позволяет расширить возможности управления структурой потока в цилиндре и осуществить эффективный газообмен,высококачественный индикаторный процесс и удовлетворить требованиям технологии изготовления.

7. Установлена сильная зависимость пропускной способности цилиндра от схемы течения воздуха в коробке. Так переход от 2-х стороннего подвода к 1-стороннему уменьшает расход черёз двигатель на 1/4 и повышает степень асимметрии течения в цилиндре. В реальном двигателе коробка и цилиндр являются колебательной системой,поэтому статическая продувка может дать качественно различные результаты по сравнению с данными,полученными на двигателе.

8. Проведено исследование влияния повышенной температуры наддувочного воздуха на протекание рабочего процесса. Повышение температуры воздуха до ¿к=240°С не выявило отклонений от устоявшихся представлений о влиянии ¿к на параметры рабоь чего процесса.

9. Исходя из физической картины течения в цилиндре 2-х тактного двигателя с ЩЩ на основе теории подобия получена система даределяющих критериев геометрического »кинематического и динамического подобия. Наиболее важным из них является критерий продувки,характеризующий условия гомохронности и обьеданяющий в себе приведенные обороты двигателя и отношение давлений на впуске и на выпуске.

10. Получена критериальная зависимость расхода воздуха и показателей газообмена 2-х тактного двигателя с ЩП от критерия продувки. Эта зависимость может быть интерпретирована как обобщенная гидравлическая характеристика (ОГХ) 2-х тактного двигателя. Имеется глубокая аналогия между ОГХ 2-х тактного двигателя и характеристиками лопаточнкх машин: турбины,компрессора. На характер протекания ОЕГХ оказывают влияние волновые

• процессы во впускной и выпускной системах. ОГХ присуща для любого типа 2-х тактного двигателя . ОГХ нашла практическое применение при расчете ВСХ авиадизеля»

-1SS

1. Абрамович Г.Н. Прикладная газовая динамика.- М.: Наука, 1969,-824 с»2» Анучина Н.Н., Бабенко К.И., Годунов С.К. и др. Теорежи-ческне основы конструирования численных алгоритмов задач математической физики. М.г Наука, 1979, - 296 с.

2. Березин С .Р., Агапитов О.Н., Круглов М.Г. Математическоеи физическое моделирование движения газа в цилиндре 2-х тактного ! двигателя. // Докл. У Международного симпозиума "Мотор-Симпо",Прага, 1986. -С.80-93.

3. Березин С.Р., йгкис Е.М., Дульгер М.В. и др. Двумерное ' ■ моделирование турбулентного потока в поршневом двигателе в процессах впуска и сжатия // Двигателесгроение. -1990. «#12. -С.8-12.

4. Березин С.Р.,Круглов М.Г. Расчет нестационарного течения газа в выпускной системе КДВС с учетом выполнения интегральных законов сохранения // ЛВС; Респ.межвед»науч.сб. -вып»37.-Харьков, 1983. -С.56-64»

5. Багмут Г.А. К гидродинамической теории течения газов в цилиндрах двигателей с ПДП //Гидравлика гидромашин,-науч.сб» -Киев; Наукова думка, 1966. -С.88-89.

6. Болгарский А»В», Мухачев Г .А»» Щукин В.К. Термодинамика и теплопередача. -М.:Высшая школа, 1975, -493 с.

7. Вырубов Д.Н.,Элькотб М.М. 0 рас^е.тв скорости движения заряда в цилиндре двигателя // Изв. ВУЗов» Машиностроение. -1965.-G. II3-II7.

8. Глаголев HЛ, Рабочие процессы ДВС.-M.t Машиностроение, 1950» -214 с.

9. Годунов С.К. и др. Численное решение многомерных задач , газовой динамика» -M»s Наука» 1976. -400с.

10. Гришин Б.А. Исследование нестационарного течения в системе "выпускной трубопровод комбинированного двигагеля-осевая турбина": Дис» нанд. техн. наук. -М., 1977. -214 с.

11. Гупта А.» Лилли Д., Сойред Н» Закрученные потока: Пер. с англ» -М»: Мир » 1987. -588 с»

12. Двигатели внутреннего сгорания: Теория поршневых и комбинированных двигателей /йй&редУОрлина, M Г. Круглова-4 изд. -М.:Мапшностроение, 1981» -372 с.

13. Круглов М.Г» Термодинамика и газодинамика двухтактных двигателей внутреннего сгорания» -М»: Машгиз, i960» 193 с»

14. Круглов М.Г»» Ложкин М.Н» Аэродинамическая схема газового потока в цилиндре 2-х тактного двигателя с прямоточной схемой газообмена в период продувки-наполнения //Изв. ВУЗов.• Машиностроение. -1971» -ЖС» -С»137-140.

15. Киселев Б.А.» Куров Б.А., Ибрагимов В.И. и др. Математическое моделирование газодинамических процессов во впускных сис• темах двигателя // Автомобильная промышленность. -1973» -Ж.-с.

16. Камкин C.B. Об обобщенных решениях задач газовой динамики в проточных частях JW// ДВС* вып.33.-Харьков, 1983. -С.85-92.

17. Красовский О .Г. Исследование нестационарных процессов в выпускных системах дизелей методом математического моделирования на ЭЦВМ: Авгореф.дне.канд.техн.наук. -Л.* 1969» -20 с.

18. Круглов М.Г.,Меднов A.A.» Нефедов В.А. Расчет стационарного течения газа в цилиндре 2-х тактного двигателя с прямоточной схемой газообмена // Двигаге лес троение« -1982. -Щ. -G.9-II*

19. Копылов М.Л. Экспериментальное исследование движения воздуха в цилиндре дизеля // Двигателесгроение. -1980. -№7. -С.14-16.

20. Кирпичев М.В. Теория подобия :Изд. АН СССР,-Ы.,1953. -46 с.

21. Колган В.П. Применении принципа минимальных значений производной к построению кончо-разносгных схем ддя расчета разрывных решений газовой динамики // Ученые записки ЦАГЙ, -том 3«-1987. -$6. -С .68-77.

22. Лойцянский Л.Г. Механика жидкости и газа. -М.:Наука, 1973. -847 с.

23. Ложкин М.Н. Исследование аэродинамики потока в цилиндра 2-х тактного двигателя с прямоточной схемой газообмена на моделях: Авгореф. дис*.канд.гехн.наук.-М., 1971. -17 с.

24. Орлин A.C. Исследование рабочего процесса 2-х тактного авиа-ддзеля Ш0-207 А // Труды ЦИАМ. 1946. -ML" 19с.

25. Орлин A.C. Двухтактные легкие двигатели. -М.1Машгизг 1950. 151 с.

26. Орлин A.C.* Круглов М.Г. Двухтактные двигатели внутреннего сгорания. -М.: Машгиз, I960. -225 с.54^ Орлин A.C. Продувка 2 х тактных быстроходных двигателей внутреннего сгорания//Груди ЦИАМ, вып. 18, ОНТИ.-М., 1935. -172 с.

27. Петриченко P.M. Физические основы внугрицшшндровых про~ цессов в двигателях внутреннего сгорания. -I., 1983. -194 с.

28. Погодин С.Й. Рабочие процессы транспортных гурбопоршневых двигателей. -М.; Машиностроение* 1978. -312 с.

29. Поргнов Д.А. Быстроходные турбопоршневые двигатели с вое-» пламененивм от сжатия. Теория, рабочий процесс и характеристики. ■—-«М.:Машгиз, 1963. -638 с.

30. Патанкар С. Численные методы решения задач теплообмена а динамики жидкости: Пер. с англ. -4!.: Энергоагомиздат, 1984. -152 с.

31. Продувка и зарядка двухтактных двигагелей:/Сб. переводных статей под ред. Л.А.Рябцева ~М.: Машиностроение, 1934.

32. Рудой Б.П., Березин С.Р., Гришин ЮД. О подогреве газа при i адиабатическом наполнении сосуда // Межвуз.науч.сб. -Уфа,, 1976.'^/. -С.40-45.

33. Роуч П. Вычислительная гидродинамика.4 Пер. с англ. -М.: Мир, 1980. -616 с.

34. Семенов В.Г», Довгань О.П., КохГ.А» Методика и результаты экспериментального исследования показателей газообмена типа Д100 //ДВС, вып. 44.—Харьковr 1986. -С.80-85,

35. Стрелков В.П. Исследование газообмена комбинированного двухтактного двигателя на динамической модели: Авторе5. дис.». канд.техн.наук» -М.1971. -19 с»

36. Семенов В.Г» Методика и результаты экспериментального исследования показателей газообмена двигателя типа ДГОО // ДВС, выи» 44.-Харьков, 1986, -С. 80-85.

37. Семенов Е.С. Исследование турбулентного движения газав условиях поршневого двигателя // Горение в турбулентном потоке M», 1957. -C.I4I-I67.

38. Себиси Т., Бредшоу П. Конвективный теплообмен / Пер. с англ»- М»; Мир, 1987. -592 с.

39. Турбулентные течения реагирующих газов / Под ред. ПЛибби, Ф. Вильямеа. -М.; Мир, 1983» -326 с.81» Устименко Б.П. Процессьгагурбуленгного переноса во вращающихся течениях. -Алма-Ата: Наука, 1977, -226 с.

40. Фрост У», Моулден Т. Турбулентность и принципы применения. /Пер.с англ»-М»: Мир, 1986. -536 с.83» Цветков В.Н» Теория двухтактных двигателей» -Изд-во Харьковского технологического ин-га,-Харьков, 1982. -320 с»

41. Яковлев Г.В. Исследование газообмена и его влияние на основные показатели рабочего процесса 2-х гакгного двигателя с прямоточной схемой продувки: Дис. канд.техн.наук. -Л., 1973. -127 с»

42. Отчет НИИД Ж3149, 1989. -18 с.

43. Отчет НИЩ J63204, 1990. -020 с.

44. Отчет ШЩ H3I25, 1989. -17 с.

45. Отчет ШЩ №3244, 1990» -28 с.

46. Программа-процедура Ж91/1 НИЩ. Расчет периода задержки воспламенения дисперсной топлпво-воздушной смеси в условиях камеры сгорания дизелей. -M., 1980. -12 с.-367105. Отчет НИИД Л883» 1969. -29 с. ' .'

47. Сйненко П.П., Гринсберг Ф.Г» и др. Исследование и доводка тепловозных дизелей. -Харьков, 1975. -184 с. ' f'

48. Седач В.С» Разработка элементов проточной части изделий с улучшенными газодинамическими характеристиками; Техн. информ., " Ворошиловград, 1989. -34 с»

49. Березин O.P., Козлов С .И. Определение выходных показателей2.х тактного двигателя: Огчег ЦИАМ, 1989. -32 с.

50. Ронинсон Л.С., Березин O.P., Реунов А»Б. и др. Исследование влияния температуры наддувочного воздуха на протекание рабо- 'чего процесса в 2-х гактном двигателе с ЩЩ: Отчет ЦИАМ, 1988.~20с.

51. Березин O.P., Ронинсон Л.С., Горланц В.А.и др. Расчетное исследование газообмена развернутого двигателя ДН-200; Отчет ' ЦИАМ, 1992. -18 с.

52. Чуян Р.К. Методы математического моделирования двигателей летательных аппаратов. -М»: Машиностроение, 1988. -287 с.

53. CHARACTERISTICS OF AIR MOTION IN THE CILINDER // SAE TECH. PAP, SER,-1981,-N810496,-P.1-18 f 167, IKEGAMI M,,KQMATCU G,,NISHIWAKI K, NUMERICAL SIMULATION

54. RACTERISTICS-EFFECTS ON ENGINE PARAMETERS // FLOWS INTERN, COMBUST, ENGINES, 2 WINTER ANNU, MEET, ASME, NEW ORLEANS, DEC 9-14,1984, f N, Y,,P,9—14i 170, LANCASTER D, EFFECT OF ENGINE VARIABLES ON TURBULENCE

55. SCHLIEREK VISUALISATION OF THE FLOW AND DENSITY FIELDS IN THE CYLINDER OF SPARK IGNITION ENGlNk //SAE TECH, PAP» SER -I960.-N800044.-P,1-13 V l62* OHIOASHI S,,HAMAMOTO Y,, TANABE S, GAS VELOCITY !

56. TION //SAE TECH, PAP, SER,-1988,-N880575,-P,1-10 ' |185, RAMOS J.OANY A,,SIRIGNANO W, STUDY OF TURBULENCE JN A 1j

57. SPARK IGNITION ENGINES //PROGRESS OF ENERGY AND COMBUSTION 4