Моделирование рабочих процессов в цилиндре двигателя внутреннего сгорания с помощью программного комплекса ANSYS

Решетневские чтения

УДК 621.43

А. А. Горшкалев, А. В. Кривцов, Е. А. Сайгаков, Д. В. Сморкалов

Самарский государственный аэрокосмический университет имени академика С. П. Королева (Национальный исследовательский университет), Россия, Самара

МОДЕЛИРОВАНИЕ РАБОЧИХ ПРОЦЕССОВ В ЦИЛИНДРЕ ДВИГАТЕЛЯ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ С ПОМОЩЬЮ ПРОГРАММНОГО КОМПЛЕКСА А^УБ

Построена двухмерная модель камеры сгорания с частью впускного и выпускного коллекторов, разбитая на шесть зон. Была наложена треугольная сетка в зоне камеры сгорания и прямоугольная сетка в остальных зонах. В результате расчета получена картина образования топливовоздушной смеси и дальнейшее ее смешение во впускном коллекторе и в цилиндре двигателя. Получены распределения давлений, температуры, векторы скоростей, турбулентность потока в цилиндре при различных положениях коленчатого вала.

Современные условия проектирования двигателей внутреннего сгорания (ДВС) требуют минимальных расходов времени и материальных средств. Вследствие чего для расчета и конструирования двигателей внутреннего сгорания необходимо пользоваться современными компьютерными технологиями, которые позволяют обеспечить моделирование процессов, протекающих в цилиндре ДВС.

Характеристики двигателя и конструктивные особенности зависят от рабочих процессов в цилиндре двигателя (впуска, сжатия, рабочего хода и выпуска) [1].

Для исследования был выбран ДВС «Мерседес М115». Была построена двухмерная модель камеры сгорания с частью впускного и выпускного коллекторов (см. рисунок). Клапаны были построены в положении перекрытия при нахождении поршня в верхней мертвой точке.

Модель была разбита на 6 зон: зоны во впускном и выпускном коллекторах, зоны между седлами клапанов и клапанами, камера сгорания, часть камеры сгорания над поршнем высотой 1 мм.

Двухмерная модель камеры сгорания с частью впускного и выпускного коллекторов

В зоне камеры сгорания была наложена треугольная сетка, в остальных зонах прямоугольная сетка [2].

На впускном и выпускном коллекторах заданы граничные условия давления. Отрезки, разделяющие зоны с различной сеткой, заданы проницаемыми. Остальные границы были заданы по умолчанию непроницаемой стенкой.

Для настройки решателя была выбрана модель турбулентности К—е и параметры мультифазной среды.

Затем была выбрана настройка движения поршня и движения клапанов. Движение поршня задается по создаваемому самой программой закону при задании частоты вращения и хода поршня. Для описания движения клапанов в программу интегрируется текстовый файл, в котором в табличном виде описывается данный процесс [3].

После построения выполнялось моделирование процессов впуска, сжатия, рабочего хода и выпуска.

После проведения расчета были получены распределения давлений, температуры, векторы скоростей, турбулентность потока в цилиндре при различных положениях коленчатого вала. Также образование топливовоздушной смеси с однокомпонентным топливом во впускном коллекторе и в цилиндре двигателя.

Библиографические ссылки

1. Орлин А. С. Двигатели внутреннего сгорания. Устройство и работа поршневых и комбинированных двигателей. М. : Машиностроение, 1990.

2. Батурин О. В., Морозов И. И., Матвеев В. Н. Расчет течений жидкостей и газов с помощью универсального программного комплекса. Самара : Изд-во Самар. гос. аэрокосмич. ун-та, 2008. Ч. 2. Построение расчетных моделей в препроцессоре вашЪйе.

3. Батурин О. В., Морозов И. И., Матвеев В. Н. Расчет течений жидкостей и газов с помощью универсального программного комплекса. Самара: Изд-во Самар. гос. аэрокосм. ун-та, 2008. Ч. 3. Работа в программе Fluent.

Двигатели, энергетические установки и системы жизнеобеспечения летательных аппаратов

A. A. Gorshkalev, A. V. Krivtsov, E. A. Saygakov, D. V. Smorkalov Samara State Aerospace University named after academician S. P. Korolev (National Research University), Russia, Samara

MODELLING OF WORKING PROCESSES IN THE IC-ENGINE CYLINDER WITH THE HELP OF THE ANSYS PROGRAM COMPLEX

The 2D model of the chamber of combustion with a part of the inlet and final collectors, broken on six zones is constructed. The triangular grid in a zone of the chamber of combustion and a rectangular grid in other zones have been imposed. As a result of calculation the notion of forming of air-and-fuel mixtures and its further mixing in an inlet collector and in the engine cylinder is got. Distributions of pressure, temperatures, vectors of speeds, turbulence of a stream in the cylinder at various positions of a cranked shaft are received.

© Горшкалев А. А., Кривцов А. В., Сайгаков Е. А., Сморкалов Д. В., 2010

УДК 629.783.525

Ю. М. Ермошкин

ОАО «Информационные спутниковые системы» имени академика М. Ф. Решетнева», Россия, Железногорск

ОБЛАСТИ РАЦИОНАЛЬНОГО ПРИМЕНЕНИЯ ЭЛЕКТРОРЕАКТИВНЫХ ДВИГАТЕЛЬНЫХ УСТАНОВОК НА КОСМИЧЕСКИХ АППАРАТАХ ПРИКЛАДНОГО НАЗНАЧЕНИЯ

При проектировании космических аппаратов прикладного назначения необходимо определить тип двигательной установки коррекции орбиты. В связи с интенсивным проведением научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ по созданию электрореактивных двигателей и двигательных установок необходимо уточнить области их рационального применения в сравнении с другими типами двигательных систем.

Известно, что электрореактивные двигательные установки (ЭРДУ) выгодно применять при больших требуемых суммарных импульсах. Однако в связи с прогрессом в создании облегченных элементов ДУ, разработкой новых моделей двигателей, граница, начиная с которой применение ЭРДУ становится выгодным, изменяется. Поэтому область рационального применения ЭРДУ требует уточнения. Известны космические аппараты (КА) прикладного назначения, такие как дистанционного зондирования Земли (ДЗЗ), связи и навигации на низких (до 500 км) орбитах, навигационные на высоких круговых орбитах, КА связи на высокоэллиптических орбитах, геостационарные КА. К основным параметрам ДУ можно отнести тягу двигателя и суммарный импульс (произведение тяги на время работы двигателя).

Определение задач ДУ коррекции для КА различных типов. Согласно расчетным оценкам требования к ДУ коррекции КА различных типов можно представить в виде таблицы.

Уточнение области рационального применения электрореактивных ДУ. Электрореактивные двигатели (стационарные) обладают следующими характерными параметрами: тяга - от долей грамма до 8.. .10 г, суммарный импульс - в зависимости от заправки рабочим телом - до 500 т-с.

Как следует из таблицы, для двигателей коррекции навигационных КА и КА связи на высокоэллиптиче-

ских орбитах предъявляются относительно высокие требования по тяге. Из этого следует, что по критерию тяги из названных выше типов прикладных КА ЭРДУ потенциально применимы для геостационарных КА, спутников ДЗЗ и спутников связи на низких орбитах. Фактически остается открытым только вопрос о целесообразности применения ЭРДУ на КА ДЗЗ и малых связных спутниках на круговых низких орбитах. Аргументы к решению этого вопроса можно получить путем сравнения масс заправленных ДУ различных конкурирующих типов в диапазоне суммарных импульсов 500.1500 кгс-с. При этом целесообразно для оценок использовать массы элементов ДУ, специально спроектированных для малых КА. В качестве конкурирующих типов ДУ рассмотрим следующие системы, реализация которых не представляет принципиальных затруднений:

- пневмосистема на холодном азоте (принят удельный импульс 67 с);

- монотопливная ДУ на гидразине (удельный импульс - 214 с);

- жидкостная двухкомпонентная ДУ на стандартных компонентах (АТ и НДМГ) (удельный импульс -274 с);

- электрореактивная ДУ на базе стационарных плазменных (холловских) двигателей малой размерности, работающих на ксеноне (удельный импульс -1 000 с).