Аспекты численного моделирования процессов локального теплообмена в камере сгорания дизельного двигателя

УДК 621.43.063

АСПЕКТЫ ЧИСЛЕННОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ ПРОЦЕССОВ ЛОКАЛЬНОГО ТЕПЛООБМЕНА В КАМЕРЕ СГОРАНИЯ ДИЗЕЛЬНОГО ДВИГАТЕЛЯ

Б.И. Руднев; О.В. Повалихина, Дальрыбвтуз, Владивосток

Приведены результаты численного моделирования процесса теплообмена в камере сгорания дизеля 8 ЧН 13/14. Для определения локальных тепловых потоков были реализованы на ЭВМ задача внешнего нестационарного течения рабочего тела в камере сгорания и модифицированная фундаментальная постановка задачи теплообмена излучением.

Современные тенденции развития дизелей связаны прежде всего с увеличением их удельной мощности, улучшением экономических и экологических характеристик. Это обусловливает появление целого ряда проблем, важнейшей из которых является возрастание теплонапряженности деталей, образующих камеру сгорания (КС). Взаимодействие рабочего тела со стеками 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 радиационного и конвективного теплообмена между рабочим телом и стенками КС все еще остаются недостаточно изученными. Достоверная расчетная оценка теплового и напряженно-деформированного состояния деталей

цилиндропоршневой группы как на стадии проектирования, так и при доводке конструкций вызывает серьезные трудности. Они обусловлены главным образом правильностью задания локальных граничных условий со стороны рабочего тела. В связи с этим создание надежных, экспериментально обоснованных расчетно-теоретических методов исследования локального радиационного и конвективного теплообмена в КС дизелей является весьма сложной и актуальной проблемой. Ее решение позволит значительно повысить уровень проектирования дизелей, в том числе с применением систем автоматизированного проектирования (САПР), и получить большой экономический эффект за счет уменьшения затрат на проектирование и экспериментальную доводку двигателей.

Математическая модель (ММ) конвективного теплообмена в КС дизеля, разработанная авторами, предусматривает расчетное определение локальных потоков этого вида переноса теплоты для поверхностей крышки цилиндра, поршня и втулки как 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 8 ЧН 13/14 и аналогичных ему скорость звука в КС лежит в пределах а = 520 - 880 м/с. В то же время величина скорости рабочего тела в дизелях с КС типа ЯМЗ и им подобных укладывается в диапазон

V =10 - 70 м/с. Сопоставление последних со скоростями звука показывает, что условие V < 0.25 а 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). Подробный анализ системы дифференциальных уравнений конвективного теплообмена применительно к КС дизелей показал, что течение рабочего тела в ядре потока можно считать невязким. Кроме этого в дизелях, имеющих КС типа ЯМЗ, ЦНИДИ, КАМАЗ и им подобных, движение рабочего тела в ядре потока можно считать осесимметричным и перейти от трехмерной к двухмерной постановке задачи. При этом система уравнений в частных производных, описывающих фундаментальные законы сохранения массы, импульса и энергии применительно к течению рабочего тела в потенциальном ядре потока в КС дизеля, запишется в цилиндрической системе координат следующим образом:

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

Уравнения (1)-(4) решались численно на ЭВМ по специально разработанной программе. При этом использовались лагранжевы координаты и неявная, полностью консервативная разностная схема. В расчетах условий течения рабочего тела в КС дизеля 8 ЧН 13/14 применялись регулярные сетки размером 25 * 20 для плоской поверхности днища поршня и 30 * 20 для днища со сложным профилем поверхности. Рассмотрение и численное решение задачи течения рабочего тела в КС с плоским днищем поршня были обусловлены

ди др д

я-? '

дІ д2

дУ др д

5f дг

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. Полученные расчетные поля скорости, температуры, плотности и давления рабочего тела были затем использованы как входные параметры для расчета локального конвективного теплового потока. Расчетная зависимость для локальной плотности конвективного теплового потока построена на локальном соотношении энергии для турбулентного пограничного слоя. Путем преобразований с использованием закона теплообмена, справедливого для обтекания плоской пластины несжимаемым неизотермическим потоком рабочего тела при турбулентном пограничном слое с последующим интегрированием, указанное выше соотношение приводится к уравнению, включающему локальные значения критерия Стентона и ряд других параметров:

-т/ 4+т 1

,

где С - константа; Ив1_ - число Рейнольдса, построенное по характерному размеру поверхности; ц/Т - коэффициент, учитывающий

влияние неизотермичности на теплоотдачу; А Т = ТШ-ТХ -температурный напор.

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

-т/ 4+т 1

,

где Срх1,рх1 И4 - изобарная теплоемкость, плотность и скорость

рабочего тела в КС.

Выполненные на ЭВМ расчеты с использованием зависимости (6) позволили получить распределение локальной плотности конвективного теплового потока по всем поверхностям КС. В частности, для поверхности крышки цилиндра он составил 1,2-10 - 2,310 Вт/м2.

Для обоснованного расчета локального радиационного теплового потока, передаваемого пламенем к стенкам КС, необходимо располагать надежными данными по температуре пламени и его интегральной степени черноты, радиационным свойствам поверхностей и оптико-геометрическим характеристикам системы в целом. В результате проведенного анализа особенностей излучения пламени в

-Ср„рЖАТт+'СКе

]УтЛТ1+тс(х

0

0

КС дизелей установлено, что основным излучателем в ней являются частицы сажи, имеющие сплошной спектр излучения, и именно этим объясняется светимость дизельного пламени. Излучением конечных продуктов сгорания топлива СО2, Н2О, 1\Юх и др. можно пренебречь, так как они имеют линейчатый спектр излучения и по данным современных исследований их доля составляет 3-5 % от общего потока излучения в КС. В ходе исследований показано, что основными факторами, влияющими на интенсивность излучения дизельного пламени, являются: температура, оптическая толщина излучаемого слоя, размеры и концентрация излучающих частиц сажи с осредненным диаметром и 0,05 мкм [1]. Основу ММ для расчета радиационных тепловых потоков составляет зональный метод [2]. Главными особенностями его применения к КС дизельного двигателя 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 локальных температур пламени. Ранее одним из авторов доклада было выполнено экспериментальное исследование, в котором регистрировались локальные температуры пламени в КС дизеля 8 ЧН 13/14 [3]. 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 был разработан расчетно-эксперимен-

тальный метод [4], с помощью которого была получена зависимость спектральной степени черноты дизельного пламени в виде

1-1

= 1 - ехр<- т- 1 - ехр | сС 1 - 0,1]///_ ,

где тл - оптическая толщина пламени; А - длина волны излучения; ц - концентрация частиц сажи в КС; с - константа; L - эффективная длина пути луча.

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:

6Г {-exp IcC-0.11//. 1а, /6 с,

е= J—------ 1 -----^ с/я J----------------^---^—dA ,

Я5 |хр <2 /АТ > О / 0 5 Я5 |хр <2 /АТ > О

где С1, С2 - постоянные в законе излучения Планка; Т - температура пламени в КС.

Было также установлено, что влиянием эффективных потоков излучения поверхностей деталей, образующих КС, можно пренебречь, так как они при температурах излучателя в пределах 2200-2500 К на два порядка меньше соответствующих падающих потоков. Для частиц сажи, содержащихся в дизельном пламени, осредненный максимальный диаметр составляет 0,05 мкм. Расчетные оценки показали, что параметр дифракции при этом составляет 0,06-0,157, а критерий Шустера 0,168110" -0,2592-10"2. Столь малые величины критерия Шустера позволяют в условиях дизельного пламени пренебречь рассеиванием и считать, что ослабление потока излучения происходит лишь за счет его поглощения частицами сажи.

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:

Епад «¿1 > Есо6 ^ > 4^ , Е, > Еоо6 ;

х у 4/1У2, е, > еоо6 4/1У3 ~2у/ 4/1^, е, ^ ^пад ^^2 ^соб 4/1 у ^ 4/1 у ^, 1~2 ^ ^соб 4/1 у ^

х ^ , Е2 ^ Еооб4?^,е2^

^пад <^3 Есоб 4^1,. 4/1 ., Е3 Есо6 4/1

X /// 4?^, Е3 > Есоб 4^3 4^, Е3 ^

где Епад <[/?, ' - падающий поток излучения для соответствующей

поверхности КС; Есоб 4/1V, собственный поток излучения локальной

объемной зоны в КС; Е^ <^7, ^ - результирующий поток излучения на

поверхности КС; у/4?„.,Е,^ - обобщенный угловой коэффициент

излучения локальной объемной зоны Му. на поверхность КС Е,;

Е, Е, Е -поверхности крышки цилиндра, втулки и поршня соответственно.

Обобщенные угловые коэффициенты излучения от локальных объемных зон представлены в ММ как произведение угловых коэффициентов и параметра Бугера, учитывающего поглощение излучения в объеме КС. Переменность угловых коэффициентов излучения, вызванная перемещением поршня в цилиндре, учитывалась с помощью известных кинематических соотношений для кривошипношатунного механизма двигателя. В разработанной ММ для объемного излучения рассматривались три зоны, представляющие собой коаксиальные цилиндры соответствующего радиуса, ось которых совпадала с осью КС.

Система уравнений, содержащая приведенную выше зависимость для падающего потока излучения, решалась на ЭВМ по специальной программе в квазистационарном представлении. В результате были получены локальные радиационные тепловые потоки для всех поверхностей КС. Применительно к исследуемому двигателю 8 ЧН 13/14 они составили от 1,6-105 до 5,9105 Вт/м2. В соответствии с принятым в ММ допущением

Ерез^УЕпад^:,

Ерез <^2 > Епад :

Ерез <W3 3= Епад </?3

Сопоставление расчетных и экспериментальных данных по указанным тепловым потокам для различных поверхностей КС двигателя 8 ЧН 13/14 показало их хорошее совпадение, отличие составляло в среднем 15-20 % [5].

Разработанные ММ позволяют еще на стадиях проектирования и доводки дизельных двигателей с достаточной точностью определять локальные радиационные, конвективные и суммарные тепловые потоки, передаваемые от рабочего тела к стенкам деталей КС. Это дает возможность надежно задавать граничные условия при оценке теплового и напряженно-деформированного состояния деталей цилиндро-поршневой группы и значительно сократить продолжительность экспериментальных исследований.

Библиографический список

1. Руднев Б.И., Повалихина О.В. Количественные характеристики процесса излучения пламени в камере сгорания дизельных двигателей: Сб. науч. тр. по матер. Междунар. конф. «Двигатель-2007», посвященной столетию школы двигателестроения МГТУ им. Н.Э. Баумана / Под ред. Н.А. Иващенко, В.Н. Костюкова, А.П. Науменко и др.

М.: МГТУ

им. Н.Э. Баумана, 2007. С. 85-88.

2. Теплообмен излучением: Справочник / А.Г. Блох, Ю.А.

Журавлев, Л.Н. Рыжков. М.: Энергоатомиздат, 1991. 432 с.

3. Руднев Б.И. Процессы локального теплообмена в камере сгорания дизелей. Владивосток: Дальнаука, 2000. 221 с.

4. Руднев Б.И. Анализ численного решения уравнений радиационного теплообмена в камере сгорания дизельного двигателя и влияние на него параметров рабочего процесса // Тр. Второй междунар. науч.- техн. конф. «Актуальные проблемы фундаментальных наук». Т. 1. Ч. 1. М.: Техносфера-Информ, 1994. C. 141-142.

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