Моделирование процесса распыливания топлива в судовом дизеле

В. В. Гаврилов,

д-р техн. наук, доц., СПГУВК

МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССА РАСПЫЛИВАНИЯ ТОПЛИВА В СУДОВОМ ДИЗЕЛЕ MODEL OPERATION OF PROCESS OF DISINTEGRATION OF FUEL IN A MARINE DIESEL

Дано объяснение турбулентной и кавитационной природы распада топливной струи в дизеле. На основе анализа экспериментальных данных предложена модель распада. Разработана методика расчета размера частицы распыленного топлива и вектора ее начальной скорости в момент отрыва от сплошной струи. Предусмотрен расчет полидисперсного распыливания топлива.

A turbulent and cavitation nature of disintegration of a fuel stream in a diesel is explained. On the basis of the analysis of experimental data the model of decay is offered. The procedure of calculation of the size of a particle of the sprayed fuel and vector of its initial velocity at the moment of separation from a continuous fluid jet is designed. The calculation of polydimensional bucking of fuel is stipulated.

Ключевые слова: распад топливной струи, физическое моделирование, расчет, размеры частиц топлива, начальная скорость.

Key words: disintegration of a fuel stream, physical simulation, calculation, size of a particle of the sprayed fuel, initial velocity.

ОБЕСПЕЧЕНИЕ высоких экономических, экологических показателей и показателей надежности дизеля возможно путем согласования конструктивных и регулировочных параметров топливной аппаратуры, камеры сгорания и заряда цилиндра. При выполнении этой работы целесообразно использовать математические модели внутри-цилиндровых процессов и процессов топли-воподачи.

Важным элементом комплекса процессов в дизеле является распад струи топлива, подаваемого в цилиндр форсункой. Распад струи определяет качество распыливания топлива и последующего его сгорания.

В специальной литературе не дается определение терминов «распад струи» и «рас-пыливание топлива». Может быть предложено следующее их толкование. «Распад» представляет собой общее понятие, означающее нарушение сплошности жидкой струи в целом или ее фрагмента. «Распыливание» — вид распада, при котором сплошная или пузырьковая жидкость преобразуется в смесь газа или пара с каплями (газовзвесь).

До сих пор отсутствует общепринятая точка зрения на природу распада струи. В за-

висимости от того, какой из факторов распада считается определяющим, известные модели можно условно разделить на три группы, в которых распад рассматривается как результат: 1) развития в сплошной струе поверхностных колебаний; 2) кавитации в сопловом канале; 3) развития турбулентности потока. Не объяснено взаимодействие указанных механизмов. Отсутствует методика расчета, которая наряду с размерами частицы топлива позволяла бы определять начальный вектор ее скорости в момент отрыва от сплошной струи.

На основе обобщения известных научных фактов и результатов теоретических исследований можно составить физическую картину распада. В процессе истечения топлива из форсунки в сопловом канале образуется сложная турбулентная структура, состоящая из вихрей различных масштабов. Можно выделить две основные вихревые системы. Система крупномасштабных кольцевых вихрей формируется при обтекании входной кромки канала в результате образования отрывного течения. Вторая вихревая структура представляет собой систему мелкомасштабных вихрей, возникающую в области пограничного слоя как проявление пристенной

Выпуск 2

Выпуск 2

турбулентности, которая порождается взаимодействием потока топлива с микронеровностями поверхности канала. Масштаб турбулентности увеличивается в направлении от стенки к ядру потока. Режим течения в канале зависит от относительного скоростного напора, который может быть выражен через отношение перепада давления на сопле к противодавлению среды К = А Р/Р Эксперименты С. А. Скоморовского [5] показали, что с ростом перепада давления при К > 1,3—2,0 (в сопловых отверстиях обычной цилиндрической формы) начинается процесс внутри-канального распада струи, проявляющийся в возникновении кавитации в зоне отрыва в ядрах крупномасштабных кольцевых вихрей. С последующим увеличением К > 10,0-12,5 кавитация развивается и в пристенных мелкомасштабных вихрях.

Можно предложить следующую интерпретацию взаимодействия турбулентного и кавитационного механизмов распада. Энергия турбулентности расходуется на образование внутривихревых кавитационных разрывов сплошности. При перемещении каверн в зависимости от изменения локальных скорости вращения вихря и статического давления периодически происходит их рост и схлопы-вание. Процесс схлопывания каверн подпитывает энергией турбулентное движение. Таким образом, имеет место непрерывный обмен энергией (на общем фоне ее диссипации) между турбулентным и кавитационным механизмами распада.

Отделение частицы топлива от сплошной струи или ее фрагмента происходит в момент преодоления локального баланса сил инерции, вязкости, поверхностного натяжения, внутреннего и внешнего давлений. Размер образующейся частицы топлива зависит от локального масштаба турбулентности. На оси струи формируются крупные частицы, на периферии ее сечения — мелкие. Тонкость рас-пыливания в значительной мере определяется параметрами пристенной турбулентности.

Завершение распада сплошной струи и вторичное дробление капель могут происходить вне сопла, в КС дизеля [1]. При этом некоторое силовое воздействие на струю и капли оказывает заряд цилиндра. Последующая

коагуляция движущихся в распыленной струе капель, на возможность которой указывают ряд авторов, маловероятна в силу того, что расстояние между каплями несоизмеримо велико по отношению к их размеру.

Справедливость тезиса об определяющем влиянии пристенной турбулентности на распад может быть подтверждена ссылкой на результат экспериментального исследования распределения относительной интенсив-

ности турбулентности £ — V м/ / по радиусу поперечного сечения воздушного потока, выходящего из модели цилиндрического сопла при различных числах Рейнольдса [3]. Этот результат, полученный при различных числах Рейнольдса, показан на рис. 1.

£-1(Г

1 о 2 А 3 + 4 х 5 Л

/у

ф ц

Я

мм

Рис. 1. Распределение относительной интенсивности турбулентности по сечению потока, выходящего из цилиндрического сопла:

1 - Яе = 6900; 2 - Яе = 10 100; 3 - Яе = 13 250;

4 - Яе = 17 700; 5 - Яе = 22 600

Из рисунка видно, что изменение режима течения, который, как известно, определяет качество распыливания топлива форсункой, влияет преимущественно на параметры пристенной турбулентности и практически не влияет на турбулентность в ядре течения.

Важный аспект картины распада струи представляет собой наличие и форма поверхности разрыва сплошности в сопловом канале. С. А. Скоморовским в наших совместных работах [1; и др.] получены эксперименталь-

ные данные о форме этой поверхности, которые приведены на рис. 2.

Здесь представлены микрофотографии потока дизельного топлива внутри плоской оптически прозрачной модели канала, выполненные в проходящем свете. Канал образуют две параллельно расположенные стальные пластины. Боковыми стенками канала служат прозрачные пластины из органического стекла. Поток направлен слева направо.

На рисунке показаны момент зарождения на входной кромке канала и последующее развитие области вихревой кавитации при увеличении относительного скоростного напора от К = 2,0 (рис. 2, а) до К = 15,0 (рис. 2, д). Последнее значение соответствует режиму истечения топлива в современном дизеле при максимальном давлении впрыскивания. Можно видеть, что поверхность разрыва

а

б

в

г

д

Рис. 2. Развитие зоны вихревой кавитации в сопловом канале при увеличении относительного скоростного напора К:

а — К = 2,0; б — К = 3,4; в — К = 4,0; г — К = 7,0; д — К = 15,0

сплошности при К, имеющих существенное значение для реального процесса подачи топлива, имеет клиновидную форму. Есть основание предположить, что в канале круглого сечения указанная поверхность близка к конической.

Представленную физическую картину следует иметь в виду при математическом моделировании распыливания топлива. Далее описаны основные особенности предлагаемой модели.

Ввиду указанной выше решающей роли турбулентных пульсаций в акте отделения капли топлива от сплошной струи, для расчета диаметра образующейся капли можно было бы принять соотношение, полученное О. Н. Лебедевым теоретическим путем [4]. Однако определить входящую в это соотношение поперечную пульсационную скорость у не представляется возможным. Поэтому предлагается решить обратную задачу: по известному диаметру капли йк, который может быть рассчитан по одной из известных методик, пользуясь упомянутым соотношением, вычислить пульсационную скорость:

Чу = >

где: о у , р у — соответственно коэффициент

поверхностного натяжения и плотность топлива;

К№ — эмпирический коэффициент, которым учитываются, в частности, вязкость топлива, форма и размеры сопла; эмпирическая зависимость К ^ определяется также характером распыливания (его монодисперсностью или полидисперсностью) и способом осреднения диаметра капель при полидисперсном распыливании.

Пренебрегая радиальными скоростями осредненного движения в сплошной струе, примем, что в момент отделения капли пуль-сационная скорость потока равна начальной радиальной скорости капли: .

Заметим, что в соответствии с выражением (1) капли большого диаметра получают малую начальную скорость. Это одна из причин, которая не позволяет крупным каплям продвинуться на периферию поперечного сечения струи. Сделанный вывод согласуется с

Выпуск 2

Выпуск 2

известным фактом, в соответствии с которым крупные частицы сосредоточены в области оси струи.

Очевидно, вектор ^^п начальной скорости капли направлен нормально поверхности разрыва сплошности. Это означает, что направление вектора зависит от локальной ориентации в пространстве поверхности разрыва. Приведенные на рис. 2 результаты экспериментальных исследований дают основание принять, что в процессе распыливания топлива в сопловом канале имеет место поверхность разрыва сплошности конической формы. Соответствующая схема показана на рис. 3.

Рис. 3. Схема распада топливной струи в сопловом канале форсунки

Учитывая описанную выше сложную структуру течения в канале, а также вывод о том, что кавитационный распад в крупно -масштабных вихрях начинается при относительно малом скоростном напоре К [5], можно заключить, что обнаруживаемая в экспериментах поверхность разрыва формируется за счет крупномасштабной турбулентности. Предположим, что между параметрами турбулентности различных масштабов в геометрически подобных соплах и при аналогичных условиях истечения топлива существует определенное соотношение. Тогда и для образования капель, вызванного мелкомасштабными пульсациями, можно представить

условную коническую поверхность разрыва сплошности. Геометрические параметры этой условной поверхности некоторым образом связаны с аналогичными параметрами «видимой» поверхности. В варианте методики расчета процесса распыливания, в которой определяется не спектр размеров капель, а их средний диаметр, поверхность сплошной струи может быть представлена единым конусом, размеры которого определяются текущим режимом истечения. Такая «геометрическая» интерпретация помогает наглядно представить взаимосвязь факторов процесса распыливания.

Если изложенные соображения справедливы, то коэффициент К к в формуле (1) должен зависеть от текущего расчетного угла ^ конуса поверхности разрыва сплошности. При увеличении угла поверхности проекция нормального вектора (неизменного по модулю) на радиальную плоскость уменьшается, следовательно, К к также уменьшается.

Предложенная упрощенная модель наряду с наглядностью картины распада позволяет описать и объяснить наблюдавшуюся нами, а также и другими исследователями стабилизацию ширины распыленной струи при увеличении давления впрыскивания топлива. Известно, что с увеличением давления впрыскивания (следовательно, с ростом скорости истечения) длина сплошного жидкого столба топлива сокращается. Очевидно, что пульса-ционные скорости и, соответственно, модули нормальных векторов начальных скоростей капель при этом возрастают. Но ожидаемого увеличения ширины струи не происходит, так как проекция указанных векторов на радиальное направление не увеличивается.

Для того чтобы воспроизведение рассмотренной картины расчетом стало возможным коэффициент К к в формуле (1) должен определенным образом зависеть от высоты сплошного жидкого столба, то есть от режима истечения, свойств топлива и конструктивных параметров сопла.

Дисперсность распыливания топлива может быть оценена функцией распределения капель по размерам Розина-Раммлера:

^

где: (й) — объемная (массовая) доля капель,

размер которых меньше или равен й;

йт, п — параметры распределения.

Для обеспечения возможности последующего моделирования процессов движения, испарения и горения топлива необходимо в результате расчета распада струи топлива определить векторы начальных скоростей капель топлива, наряду с их размерами. Основное решение, принятое при разработке изложенной ниже методики, состоит в том, что размер частицы вычисляется по проверенным на практике эмпирическим зависимостям, а вектор начальной скорости частицы, приравненной к пульсационной скорости сплошного потока топлива, определяется решением обратной задачи Лебедева, в которой теоретическим путем установлена рассмотренная выше связь между размером образующейся частицы и пульсационной скоростью.

Опишем основные этапы расчета распада струи.

1) Определить среднеарифметический диаметр й10 капли для текущей скорости истечения топлива по формуле [3]:

0,7

¿ш / ¿с — 2,881р-0'0™ г<0'24

где: Ьр—а^ р^ ¿с / ц2 — число Лапласа;

ргйс / а г — число Вебера; = 0,25 мм — характерный размер; йс — диаметр соплового отверстия; ц У — динамическая вязкость топлива;

w

f i

текущая скорость истечения топ-

лива из форсунки (осредненная в пределах /-го шага по времени).

2) Вычислить относительный средний объемный диаметр [3]:

¿30 — ¿30 / ¿10 — 1,96 ~0,04 ,

где: й30 — абсолютный средний объемный диаметр капли;

3) Вычислить параметры йт и п уравнения (2) Розина-Раммлера [3]:

¿ — ¿ ~2,55 ¿т — ¿10 ¿30 ,

n —

-1,992

0,306

4) Разделить диапазон размеров капель от d = 0 до d = d на j интервалов с шагом

max J max г

A d. При этом dmax может быть либо определен по методике Б. В. Раушенбаха, либо в первом приближении для обычных условий основного периода впрыскивания топлива с учетом экспериментальных данных принят в пределах 70-100 мкм.

5) Для каждого j-го интервала (размерной группы капель) со средним диаметром капель d. вычислить по уравнению (2) массовые доли капель, размер которых меньше или равен d + Ad. / 2 и d - Ad / 2. Принять,

r 3 3 3 3 r

что при текущей скорости истечения доля капель S3 (d. + Ad. / 2) - S3 (d. - Ad. / 2) имеет диаметр d..

6) Ввиду принятого допущения считать, что средний объемно-поверхностный диаметр (диаметр по Заутеру) й32 для рассматриваемой размерной группы капель:

¿32 — ¿^ / ¿^ — ¿].

7) Вычислить начальную радиальную скорость капель диаметра й32 по выражению, аналогичному (1):

WKy —Kw / (р/ ¿32^»

где: К'м — коэффициент, определяемый с учетом характера реального распределения частиц различных размеров в поперечном сечении топливной струи. Указанное распределение может быть принято по экспериментальным данным [2].

Итак, главная особенность предложенной методики расчета распада состоит в том, что наряду с расчетом дисперсности распыли-вания топлива она дает возможность оценки начальной радиальной скорости капель, образующихся при распаде.

Представленная в данной статье физическая картина распада струи и разработан-Ж95 ная на ее основе методика расчета позволяют определить пути целенаправленного воздействия на процесс распыливания, обеспечивающего высокое качество смесеобразования и сгорания в дизеле.

Выпуск 2

Выпуск 2

Список литературы

1. Гаврилов В. В., Скоморовский С. А. Влияние вихревой кавитации на распыливание топлива в дизелях // Вестник Комсомольского-на-Амуре гос. техн. ун-та. — 1995. — Вып. 1, сб. 2. — С. 54-60.

2. Камимото Т. Исследование процесса испарения распыленного топлива в дизеле / Т. Ка-мимото, Ш. Мацуока, Х. Сугияма, Х. Аояги // Нихон кикай гаккай рамбунсю. — 1974. — Т. 40, № 339. — С. 3206-3223.

3. Лебедев О. Н. К вопросу о распыливании топлива дизельными форсунками // Изв. Сиб. отд. АН СССР. Сер. Техн. н. — 1977. — Вып. 1. — № 3. — С. 40-44.

4. Лебедев О. Н. Исследование некоторых вопросов смесеобразования в судовых четырехтактных дизелях. — Новосибирск: НИИВТ, 1970. — 94 с.

5. Скоморовский С. А. Гидродинамика течения топлива в сопловых каналах дизельной форсунки и ее влияние на структуру топливного факела: автореф. дис. ... канд. техн. наук. — Л.: ЦНИДИ, 1988. — 18 с.

Д. В. Дмитриенко,

соискатель, СПГУВК

ВЕЙВЛЕТЫ КАК СРЕДСТВА ПОВЫШЕНИЯ ЭКСПЛУАТАЦИОННОЙ НАДЕЖНОСТИ ОБЪЕКТОВ ВОДНОГО ТРАНСПОРТА WAVELET TECHNOLOGIES ARE FOR INCREASING MAINTENANCE RELIABILITY OF WATER TRANSPORT OBJECTS

Статья посвящена развитию информационных технологий на базе вейвлетов с целью повышения эксплуатационной надежности объектов водного транспорта. Определены перспективы применения вейвлет-анализа в исследуемой предметной области.

In this paper we suggest the wavelet technology to increase reliability for water transport objects. Perspectives of using new technology in research field are determined.

Ключевые слова: вейвлеты, декомпозиция и сжатие сигналов, объекты водного транспорта, надежность, техническая эксплуатация.

Key words: wavelets, signal decomposition and compression, water transport objects, reliability, technical maintenance.

ЭКСПЛУАТАЦИЯ энергетических средств на водном транспорте требует выполнения анализа изменяющихся во времени сигналов сложной формы, в которых могут содержаться высокочастотные составляющие, трудно поддающиеся определению с помощью анализаторов гармоник в базисе Фурье. Таковыми, например, могут являться периодические сигналы, содержащие

отдельные кратковременные «всплески», которые предшествуют развитию неисправностей в отдельных агрегатах, возникновению коротких замыканий в электроэнергетических системах и т. п. Для своевременного устранения аварийных ситуаций в таких случаях требуется использовать диагностические средства, позволяющие на ранних этапах развития неисправностей принимать превентивные