Моделирование процессов газообмена быстроходного дизеля

УДК 551.42.03

МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ ГАЗООБМЕНА БЫСТРОХОДНОГО ДИЗЕЛЯ

Л. А. Жолобов, канд. техн. наук, профессор; А. М. Дыдыкин, доцент; И. С. Васильев, аспирант, Н. С. Васильев, аспирант

Нижегородская государственная сельскохозяйственная академия

В статье рассматривается процесс моделирования систем газообмена. Представлены результаты расчета быстроходного дизеля, проведенного в программном комплексе. Проведено сравнение эксперимента и компьютерного моделирования.

Ключевые слова: моделирование рабочих процессов ДВС, процесс газообмена, программный комплекс, визуализация результатов.

Технико-экономические и экологические параметры двигателя в значительной степени зависят от качества изготовления и профилирования впускных и выпускных каналов. Форма и размеры каналов влияют на коэффициент наполнения цилиндра, равномерность распределения частиц топлива по объёму цилиндра (качество смесеобразования), полноту сгорания поступившего топливовоздушного заряда, а следовательно, на токсичность ДВС.

Использование моделирования рабочих процессов ДВС с использованием программных комплексов значительно сокращает временные и финансовые затраты на совершенствование систем впуска и выпуска, позволяет получать точные значения интересующих параметров в любой точке исследуемой модели.

Оценить качество проектирования каналов представляется сложной задачей, так как «тело» каналов скрыто в головке блока двигателя, и установка каких-либо датчиков влияет на внутренние объемы, форму поверхностей и, как следствие, на достоверность полученных результатов.

Использование программного моделирования представляет возможность визуализировать процессы, происходящие во время рабочего цикла двигателя, снять характеристики (давление, скорость, температура, расход и т. д.) газового потока во впускных и выпускных системах ДВС, не оказывая влияния на геометрию и форму каналов.

Кроме того, использование методов моделирования значительно снижает трудоемкость на стадии проектирования и анализа впускных и выпускных систем. Большой объем полу-

чаемых данных при численном моделировании и визуализации процессов газообмена позволяет оценить качественные и количественные показатели каналов.

В данной статье анализируется система газообмена одноцилиндрового быстроходного дизеля, который предназначен для привода мотоблоков, мини-тракторов, электрогенераторов, дорожно-транспортных машин и других агрегатов.

Моделирование проведено с использованием программного комплекса Flow-Vision. Для этой цели получена и импортирована геометрия (под геометрией понимаются внутренние объемы двигателя -впускные и выпускные трубопроводы, надпоршневой объем цилиндра) при помощи различных стандартных форматов файлов. Это позволяет использовать САПР SolidWorks для создания расчетной области (рис. 1).

В данной задаче использовался формат ASCII, binary, в расширении stl, тип Stereo Lithography format с угловым допуском 4.0 градуса и отклонением 0,025 метра для повышения точности получаемых резуль-

После получения трехмерной модели расчетной области задается математическая модель (совокупность законов изменения физических параметров газа для данной задачи).

В программном комплексе существует два вида математических моделей для решения различных задач - базовые и специальные. Базовые модели предназначены для моделирования широкого класса гидродинамических явлений. Они описывают движение однородной жидкости при различных скоростях с учетом эффектов сжимаемости, турбулентности и теплопереноса. Специальные модели предназначены для моделирования движения жидкости (газа) при учете дополнительных физико-химических эффектов, характерных для узкоспециальных приложений.

В данном случае принято существенным дозвуковое течение газа при малых числах Рейнольдса, которое описывается моделью турбулентного течения полностью сжимаемого газа с использованием стандартной к-е модели турбулентности. Данная математическая модель описывается системой, состоящей из семи уравнений: двух уравнений Навье - Сто-кса, уравнений неразрывности, энергии, состояния идеального газа, массопере-носа и уравнения для кинетической энергии турбулентных пульсаций [1]. Рабочим веществом в процессе впуска является воздух, в данном случае рассматриваемый как идеальный газ. Начальные значения параметров задаются для всей расчетной области: температура, концентрация, давление и скорость. Для давления и температуры начальные параметры равны опорным. В расчете участвует либо одно вещество по концентрации для процессов холодного газообмена, либо два для процессов горения и смесеобразования. Скорость внутри расчетной области по направлениям X, У, 7 равна нулю. Переменные температура и давление во Р1ошУ1эюп представляются относительными значениями, абсолютные значения которых вычисляются по формуле [2, с. 31]

1а = 1 +

где 1а - абсолютное значение переменной;

1 - рассчитываемое относительное значение переменной;

1ге1 - опорная величина.

Задаются опорные значения параметров, иными словами, выбирается шкала для температуры и давления.

Граничные условия задаются для каждой из расчетных поверхностей. Под граничными условиями следует понимать совокупность уравнений и законов, характерных для поверхностей расчетной геометрии. Граничные условия необходимы для определения взаимодействия расчетной области и математической модели. На странице для каждой поверхности указывается конкретный тип граничного условия. На входные окна вихревого и тангенциального каналов устанавливается тип граничного условия - свободный вход и выход соответственно. На остальные элементы - стенка - граница, не пропускающая и не передающая расчетные параметры далее расчетной области. Кроме всех вышеперечисленных граничных условий, необходимо учитывать граничные условия на подвижных элементах, включенных в выбранную математическую модель.

К подвижным деталям относятся впускной и выпускной клапаны, поршень. На границах подвижных элементов определяем тип граничного условия - стенка.

Для каждого из подвижных тел задается закон движения. Изменение скорости поршня определяется формулой [1, с. 30]. Для определения законов движения клапанов были сняты кривые подъема клапана через 0,5 град. п. к. в. с точностью 0,001 мм. Затем рассчитывались скорость и ускорение движения клапана. Полученные данные преобразованы в динамические библиотеки (время - скорость).

Следующий этап в процессе моделирования - генерирование расчетной сетки. Р1ошУ1эюп использует локально адаптивную расчетную сетку. Вначале создается начальная расчетная сетка, а затем указываются критерии измельчения сетки, в соответствии с которыми Р1ошУ1эюп разбивает ячейки начальной сетки до нужной степени. Адаптация выполнена как по объему проточной части каналов, так и по стенкам цилиндра. В местах с возможной максимальной скоростью создаются адаптации с дополнительным измельчением расчетной сетки. По объему измельчение проведено до 2 уровня в камере сгорания и до 5 уровня в клапанных щелях, по стенкам цилиндра адаптация выполнена до 1 уровня. Это необходимо для увеличения шага интегрирования по времени при неявном методе расчета. Связано это с тем, что шаг по времени определяется как отношение размера ячейки к максимальной скорости в ней (рис. 2).

Рис. 2. Пример измельчения расчетной сетки

Перед началом постановки на расчет созданного варианта необходимо задать параметры численного моделирования. При этом задается время продолжения расчета, равное одному полному циклу работы ДВС

- 720 град. п. к. в., число итераций и частота сохранения данных варианта расчета. Для последующей обработки сохраняются определенные этапы расчета. Задается шаг по времени и опции процесса расчета. В данной задаче требуется задание шага по времени - способ выбора: неявная схема с максимальным шагом 5е-004с, явное число ОРЬ - 1. Это означает, что шаг по времени определяет сама программа в зависимости от сходимости уравнений давления.

В постпроцессоре настраиваются и задаются интересующие нас параметры визуализации полученных результатов. Моделирование позволяет получать требуемые слои визуализации после завершения основного расчета, основываясь на сохраняемых с определенной периодичностью этапах расчета. Кроме того, постпроцессор позволяет передавать полученные числовые значения параметров исследуемого процесса в виде информационного файла во внешние редакторы электронных таб-

О, кг/с 0J05

0 J04

0J03 0j02 0j01 0

-0 j01 -0j02

В. ИТ н .М.Т. моделирование —эксперимент

N

\

<р, град.п.к 0

ч

0 4< '0 4^ 0 41 о к :0 \ 0 0 0 61 0 72

Рис. 3. Расходная характеристика во впускном тракте n = 2000 мин.-

О, кг/с

0 J07 О^С 0,05 0 J04

<ш ода 0,01

-ПЛ1

—эксперимент -•-моделирование

В.М.Т. н .М.Т

<|>. Г|>ЭД-П.К.В !0

Л

\

з( 0 4< 0 i- 0 41 о 0 5< 0 6( 0 с 0 61 0 Ti

лиц и получать зависимость от времени таких параметров, как скорость, расход, давление и т. д.

Как видно из представленных графиков по расходной характеристике (рис. 3, 4) во впускном тракте, результаты эксперимента совпадают с результатами компьютерного моделирования, проведенного в программном комплексе Р1ошУ1эюп на 3...5 %, что подтверждает достоверность проведенных расчетов.

В ходе проведенного расчета были получены данные по расходу, давлению, скорости и плотности. Визуализированы потоки при газообмене для номинальной частоты вращения коленчатого вала п = 3000 мин.-1.

Определены величины скорости (рис. 5.), давления (рис. 5), плотности и т. п. по сечениям канала. Полученные величины представлены в виде зависимости искомой величины от угла поворота коленчатого вала двигателя. В качестве примера отображены результаты расчета скоростей и относи-

тельного давления воздуха на фазе впуска по сечениям системы газообмена (рис. 7).

Рис. 7. Расположение плоскостей сечений во впускном и выпускном тракте: 1, 2, 3 - сечения на впуске; 1', 2', 3' - сечения на выпуске

Рис. 5. Скорость воздушного потока во впускном канале

Рис. 6. Изменение давления во впускном канале

Получены расходные характеристики во впускных и выпускных каналах. Расходы получены в сечениях каналов для различных режимов работы двигателя (рис. 8, 9).

давления, температуры, плотности в любой точке внутреннего объема двигателя, получить закономерности распределения скоростей, давлений и т. д. во всевозмож-

Рис. 8. Расходная характеристика: впускной канал, п = 3000 мин.

Рис. 9. Расходная характеристика: выпускной канал, п = 3000 мин.-1

Визуализированы процессы наполнения цилиндра воздушным зарядом и выпуска отработавших газов. Визуализированы переменные давления, расхода, скорости, плотности. Определены места отрыва газового потока от стенок тела канала. Необходимо отметить, что рабочий процесс рассчитан полностью по всей рабочей области (от впускного окна фильтра очистки воздуха до выходного окна глушителя). Это позволяет получить значения скорости,

ных ракурсах и плоскостях.

Данные, полученные в результате проведенной работы, отправлены на завод-изготовитель ВСН-7 ОАО «»ВМП» Авитек», и даны рекомендации по улучшению формы канала.

Таким образом, использование моделирования рабочих процессов ДВС с использованием ПК Р1ошУ1эюп значительно сокращает временные и финансовые затраты на совершенствование систем впус-

ка и выпуска, позволяет получать точные значения интересующих параметров в любой точке исследуемой модели. Появляется возможность «видеть» процессы наполнения цилиндра свежим воздушным зарядом, процессы смесеобразования и горения, выпуска отработавших газов, а также отслеживать изменение давления, плотности, скорости. Использование в работе системы моделирования позволит дорабатывать впускные и выпускные тракты в компьютерной среде трехмерного расчета, не создавая твердотельных моделей, тем самым значительно снизить трудоемкость экспериментального исследования на стадии изготовления и совершенствования впускных и выпускных трактов. Использование современного программного комплекса Р!ош-У1эюп значительно расширяет возможно-

сти научно-технического поиска, а эффективность и доступность восприятия результатов выводит инженерную работу на новый, более качественный уровень.

Литература

1. Жолобов, Л. А. Математическое моделирование газообмена в дизеле / Л. А. Жолобов, А. М. Дыдыкин // Тракторы и сельскохозяйственные машины. - 2008. - № 7.

2. Жолобов, Л. А. Газодинамические исследования ДВС методами численного моделирования / Л. А. Жолобов, А. М. Дыдыкин // Тракторы и сельскохозяйственные машины. - 2008. - № 4.

3. Влияние формы впускного канала на наполнение двигателя ВСН-7Д / Л. А. Жолобов и др. // Сельский механизатор. -2007. - № 9.