Зональная математическая модель локального радиационного теплообмена в камере сгорания судового дизеля

СУДОВЫЕ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ УСТАНОВКИ, УСТРОЙСТВА И СИСТЕМЫ, ТЕХНИЧЕСКИЕ СРЕДСТВА СУДОВОЖДЕНИЯ, ЭЛЕКТРООБОРУДОВАНИЕ СУДОВ

УДК 533.62.01

Б.И. Руднев, О.В. Повалихина

Дальневосточный государственный технический рыбохозяйственный университет,

690087, г. Владивосток, ул. Луговая, 52б

ЗОНАЛЬНАЯ МАТЕМАТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ ЛОКАЛЬНОГО РАДИАЦИОННОГО ТЕПЛООБМЕНА В КАМЕРЕ СГОРАНИЯ СУДОВОГО ДИЗЕЛЯ

Представлена математическая модель (ММ) процесса локального теплообмена излучением в камере сгорания (КС) судового дизеля. В основу ММ положен зональный метод расчета теплообмена излучением. Приведена система алгебраических уравнений, аппроксимирующая соответствующую систему интегральных уравнений излучения. Показана роль эффективных потоков излучения в формировании результирующих радиационных потоков. Установлено, что влиянием эффективных потоков излучения можно пренебречь. Выполненные с использованием предложенной ММ расчеты позволили получить значения локальных результирующих потоков излучения для судового дизеля типа 6ЧН 24/36. Их сопоставление с известными опытными данными подтвердило адекватность разработанной ММ, расхождение расчетных и экспериментальных данных составило 10-18 %.

Ключевые слова: теплообмен излучением, судовой дизель, зональный метод, математическая модель.

B.I. Rudnev, O.V. Povalikhina ZONAL MATHEMATICAL MODEL OF LOCAL RADIANT HEAT TRANSFER IN MARINE DIESEL ENGINE COMBUSTION CHAMBER

The purpose of this work is to develop a mathematical model (MM), of local heat transfer process by emission in the combustion chamber (CC) of the marine diesel. In the MM based the method for calculating heat transfer by emission that well developed in thermo physics. The article presents the basic system of integral equations that describe the process of heat transfer by emission, as well as their approximation by taking into account the conditions in the CC marine diesel. The article shows the role of effective emission streams in forming the resulting radiation streams. It is established that the influence of the effective emission streams can be neglected. The estimates showed that the magnitude of the local resultant radiation stream is mainly determined by the value of incident stream of emission from the volume zone in CC. Calculations that made with proposed MM allowed to obtain local values of the resulting streams of emission for ship diesel of the 6 ChN 24/36 type. Their comparison with known experimental data confirmed the adequacy of the developed MM. The divergences between the calculated and experimental data was 10-18 %.

Key words: radiant heat transfer, marine diesel, zonal method, mathematical model.

Введение

Форсирование современных судовых дизелей по параметрам рабочего процесса приводит к значительному увеличению температур деталей, образующих КС. В мощных малооборотных судовых дизелях для улучшения температурного состояния деталей цилиндропорш-невой группы используется водяное охлаждение вместо масляного. Вместе с тем расчетное определение тепловых потоков, в том числе и радиационных на поверхностях деталей КС

(крышки цилиндра, поршня и втулки цилиндра), на стадии проектирования вызывает значительные трудности. Это увеличивает сроки доводки новых образцов дизелей и подтверждает актуальность разработки новых и совершенствование уже существующих ММ с целью более достоверного определения теплового состояния деталей, образующих КС.

Особенности использования зонального метода расчета теплообмена излучением применительно к камере сгорания судового дизеля

Процесс локального радиационного теплообмена в цилиндре судового дизеля с открытой КС на установившемся режиме работы рассматривается нами на адекватной физической модели, представленной на рисунке. Она представляет замкнутую осесимметричную цилиндрическую излучающую систему.

Зональная модель излучающей системы в цилиндре судового дизеля с открытой камерой сгорания Zonal model radiation system in marine diesel engine open combustion chamber

Первая особенность этой системы в том, что она состоит из трех граничных (поверхностных) зон: F\ - крышка цилиндра, F2 - боковая поверхность втулки цилиндра, F3 - днище поршня и объемной зоны V.

Вторая особенность излучающей системы заключается в нестационарном положении зоны F3 вдоль координаты Z. Это обуславливает нестационарность всех угловых коэффициентов излучения, характеризующих взаимодействие потоков излучения в КС, и значительно усложняет решение задачи. Вместе с тем необходимо отметить, что поскольку время распространения электромагнитной волны излучения tr намного меньше времени перемещения зоны F3 t обусловленной скоростью движения поршня, то условия квазистационарности :_. : :. гарантированно выполняются. Последнее позволяет решать задачу локального радиационного теплообмена в КС судового дизеля применительно к непрерывно-дискретному случаю как квазистационарную для фиксированного момента времени.

При этом предполагается, что все оптические и энергетические характеристики излучающей системы в течение времени At неизменны и изменяются скачком при переходе к следующему интервалу времени. В статье рассматривается модифицированная фундамен-

тальная постановка задачи. Как известно [1, 2], при фундаментальной постановке задаются оптические и энергетические характеристики всех зон, т.е. их степени черноты и температуры. Модификация фундаментальной постановки задачи состоит в том, что эффективные потоки излучения от поверхностных зон ¥\, ¥2 и ¥3 не учитываются.

При такой постановке задачи отпадает необходимость в ряде допущений, принятых в работе [3], а современные экспериментальные данные [4-7] и расчетные методы [8-11] позволяют задавать локальные значения оптических и энергетических характеристик объемной зоны V. В частности, характеристики объемной зоны V, степень черноты и температура пламени рассчитываются и определяются по приведенным в [12-16] методикам и экспериментальным данным.

Математическая модель локального радиационного теплообмена в камере

сгорания судового дизеля

В основу предлагаемой авторами статьи ММ для расчета локальных радиационных тепловых потоков в КС судового дизеля положен итерационно-зональный метод исследования и расчета теплообмена излучением, предложенный Ю.А. Суриновым [17]. Математическую основу этого метода составляет конечная система линейных алгебраических уравнений, аппроксимирующих соответствующую систему интегральных уравнений излучения. Эта система алгебраических уравнений запишется следующим образом:

т

'/=1

j-i

V=i

-Ci-^j

I

^рез (Ю ~ 6Ъ

к-' '"спЗ v\JrlV' 1 JcJ'

П 71

где Як, £к - коэффициенты отражения и поглощения (степени черноты) поверхности ¥ в точке Мк; Ы} - произвольная точка поверхности Е, лежащая вне окрестности точки Мк; Ы, - произвольная точка объема V', Ф(Му,Гк) - разрешающий угловой коэффициент излучения; ^чюиС^ ) ~ собственный поток излучения объемной зоны (пламени); Еа1Л(Мк) - падающий поток излучения; Е^ (Мк) - эффективный поток излучения; £гр.Е (Мк) - результирующий поток излучения.

Уравнения (1) получены в предположении, что излучающая система состоит из п граничных и т объемных зон. Их решение позволяет определить мгновенное локальное распределение по элементам граничной поверхности всех видов потоков излучения. Проведенный анализ взаимодействия основных потоков излучения в такой системе позволил установить, что результирующий поток излучения для конкретной точки поверхности КС формируется

при взаимодействии двух потоков: собственного потока излучения объемной зоны Есо^(М) и собственных потоков излучения поверхностей, образующих граничную поверхность ЕСобр(М) [14]. При этом собственные потоки излучения граничной поверхности и объемной зоны однозначно определяются по зависимостям

спаи?

ГдСуЛ г.-

где - собственный поток излучения граничной поверхности (крышки цилиндра, поршня и втулки цилиндра); ер - степень черноты граничной поверхности; - степень черноты объемной зоны (пламени); (гс - постоянная Больцмана; Тр - температура граничной поверхности; Ту - температура объемной зоны (пламени).

В результате сложного взаимодействия рассмотренных выше потоков излучения между объемной зоной и соответствующими точками граничной поверхности в замкнутой системе формируются результирующие потоки, определяющие радиационную тепловую нагрузку деталей КС.

Известно также, что в КС дизелей температура объемного излучателя (пламени) намного превышает температуры поверхностей крышки цилиндра, поршня и втулки [12]. Вследствие этого собственный поток излучения объемной зоны также значительно больше собственного потока излучения соответствующих поверхностей.

Расчеты показывают, что при температурах крышки цилиндра и поршня в пределах 550-620 К, втулки цилиндра 430-450 К, Есобу(Ы1) на два порядка больше Есобр(М„). Поэтому можно считать, что роль эффективных потоков излучения поверхностей, образующих КС, в формировании результирующих потоков незначительна и укладывается в пределах 10-15 %, т.е. сопоставима с погрешностью экспериментального определения температуры объемного излучателя (пламени) и концентрации частиц сажи в цилиндре дизеля. Тогда для точки Мк граничной поверхности /• можно приближенно считать Е^фг (Д^) = Е^ г (Мп) = ^ 0, Учиты-

вая приведенные выше положения в рамках предлагаемой ММ в КС судового дизеля, рассматривается взаимодействие только собственного потока излучения объемных зон V] и соответствующих граничных (поверхностных) зон ¥2 и ¥3.

Проведенная модификация фундаментальной постановки задачи радиационного теплообмена в части учета эффективного излучения позволило предложить для расчета падающих на поверхности крышки цилиндра, втулки и поршня потоков излучения систему уравнений вида:

0 = ^соб 0ч (АЧ' )— ^

где М^Х) - обобщенный угловой коэффициент излучения.

Обобщенные угловые коэффициенты излучения ) от локальных объемных зон

в системе уравнений (3) представлены в ММ как произведение угловых (геометрических) коэффициентов и параметра Бугера, учитывающего поглощение излучения в объеме КС:

где (Муз - геометрический угловой коэффициент излучения; к - коэффициент ослабления потока излучения; Ь - эффективная длина пути луча.

В итоге с учетом принятого в ММ допущения результирующие потоки излучения для поверхностей крышки цилиндра, втулки и поршня могут быть определены следующим образом:

Система уравнений (3) с соответствующими краевыми условиями решалась на ЭВМ по специальной программе в квазистационарном представлении.

Заключение

Выполненные с использованием предложенной ММ расчеты позволили получить значения локальных результирующих потоков излучения для поверхностей всех деталей, образующих КС судового дизеля типа 6ЧН 24/36. Средние за рабочий цикл значения указанных потоков лежат в пределах 40-90 кВт/м2, что с точностью 10-18 % совпадает с известными экспериментальными данными [5, 6, 7, 16] и подтверждает адекватность предложенной ММ. Ее использование позволяет еще на стадии проектирования и доводки прогнозировать теп-лонапряженное состояние деталей, образующих КС, и решать ряд вопросов, связанных с повышением эксплуатационной надежности современных форсированных судовых дизелей.

1. Зигель, Р. Теплообмен излучением / Р. Зигель, Дж. Хауэлл. - М.: Мир, 1975. - 934 с.

2. Блох, А.Г. Теплообмен излучением: справочник / А.Г. Блох, Ю.А. Журавлев, Л.Н. Рыжков. - М.: Энергоатомиздат, 1991. - 432 с.

3. Петриченко, Р.М. Элементы автоматизированного проектирования ДВС: Алгоритмы прикладных программ / Р.М. Петриченко, С. А. Батурин, Ю.Н. Исаков и др. - Л.: Машиностроение, 1990. - 328 с.

4. Гладышев, А.В. Экспериментальное исследование температурно-концентрационных полей в цилиндре дизеля / А.В. Гладышев, В. А. Вагнер, Д. Д. Матиевский // Двигателестрое-ние. - 1990. - № 7. - С. 3-6.

5. Kamimoto T., Yagita M. Particulate formation structure in diesel engine // SAE Preprints. - 1989. - № 890436. - 9 p.

6. Oguri T., Inaba S. Radiant heat transfer in diesel engines // SAE Preprints. - 1972. -№ 720023. - 19 p.

7. Kostin A.K., Rudnev B.I. Radiative heat transfer in a diesel cylinder an experiment and method of calculation // Proceedings 19th International Symposium "Heat and mass transfer in gasoline and diesel engines". - Dubrovnik, Yugoslavia, 1987. - P. 439-448.

8. Кавтарадзе, Р.З. Локальный теплообмен в поршневых двигателях / Р.З. Кавтарадзе. -М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2007. - 472 с.

9. FIRE. Users Manual Version 8.5. AVL LIST GmbH Graz, Austria, 2007. (Лицензионное соглашение DKNR: BMSTU 101107 между МГТУ им. Н.Э. Баумана и APS Consulting).

10. Bozza F., Cameretti M.C., Tuccillo R. Numerical simulation of incylinder processes and duct flow in a light duty diesel engine // Fourth International symposium on small diesel engine. -Journal of Polish CIMAC. - Warsaw, Poland. - 1996. - Vol. 2. - № 1. - P. 51-56.

Список литературы

11. Руднев, Б.И. Оптические параметры частиц сажи и энергетические характеристики радиационного теплообмена в камере сгорания дизельного двигателя / Б.И. Руднев, О.В. По-валихина // Тепловые процессы в технике. - 2013. - Т.5, № 10. - С. 476-480.

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

13. Руднев, Б.И. Процессы теплообмена в камере сгорания дизельных двигателей. Эксперимент и математическое моделирование / Б.И. Руднев, О.В. Повалихина. - Saarbrucken, Germany: LAP LAMBERT Academic Publishing, 2013. - 112 c.

14. Руднев, Б.И. Анализ взаимодействия радиационных тепловых потоков в камере сгорания дизеля / Б.И. Руднев, О.В. Повалихина // Materials of the X International scientific and practical conference "Modern European science-2014". Technical sciences. - Sheffield. - Science and Education LTD. - 2014. - Vol. 17. - P. 65-72.

15. Руднев, Б.И. Особенности расчета оптико-геометрических характеристик теплообмена излучением в камере сгорания дизельного двигателя / Б.И. Руднев, О.В. Повалихина // Тепловые процессы в технике. - 2015. - Т. 7, № 2. - С. 87-91.

16. Flynn P., Mizusawa М., Uyehara O.A. et al. An experimental determination of the instantaneous potential radiant heat transfer within an operating Diesel engine // SAE Preprints. - 1972. -№ 720022. - 32 p.

17. Суринов, Ю. А. Об итерационно-зональном методе исследования и расчета лучистого теплообмена в поглощающей и рассеивающей среде / Ю. А. Суринов // Изв. СО АН СССР. - 1978. - Вып. 2, № 8. - С. 106-125.

Сведения об авторах: Руднев Борис Иванович, доктор технических наук, профессор; Повалихина Ольга Владимировна, доцент, e-mail: роvаliсhinа@mаil.ru.