Теория и расчет газодинамических процессов в быстроходном 2-х тактном турбопоршневом двигателе тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.04.02, доктор технических наук Березин, С. Р.

• Березин, С. Р.
• доктор технических наук
• 1994

Оглавление диссертации доктор технических наук Березин, С. Р.

Предисловие

Основные условные обозначения и сокращения.

ГЛАВА I. Методы исследования газообмена в 2-х тактных двигателях.

1.1. Особенности протекания рабочего процесса в

2-х тактном двигателе с ЦЩ1.

1.2. Обзор работ по исследованию газообмена и турбулентности в цилиндре . . II

I 1.2.1. Экспериментальные методы исследования. . II

1.2.2. Теоретические методы исследования.

1.3. Цели и задачи исследования.37'

ГЛАВА 2. Математические модели течения газа в элементах ГВТ.

2.1. 2-х мерное нестационарно© турбулентное ' течение в цилиндре 2-х тактного двигателя с ЩП.

2.1.1. Исходные предпосылки.

2.1.2. Моделирование турбулентности в цилиндре.

2.1.3. Основная система уравнений.

2.1.4. Метод численного решения основной системы уравнений.

2.1.5. Граничные условия. * я е

2.2. Математическая модель движения и испарения 2-х мерного нестационарного турбулентного топливного факела.

2.3. Расчет течения в трубопроводе с учетом трения и теплообмена.

2.4. Стык емкости и трубопровода.

2.4.1. Потери при реальном течении газа через клапан.

2.4.2. Истечение из емкости.

2.4.3. Втекание в емкость.

2.5. Сужение на стыке двух трубопроводов.

2.6. Узел трубопроводов.

2.7. Взаимодействие нестационарного потока с турбиной и с компрессором.

2.8. Определение параметров газа в ресирере переменного объема.

2.9. Выводы.

ГЛАВА 3. Программный комплекс "Газодинамика ТПД".

3.1. Принципы организации комплекса.

3.2. Модули для расчета элементов ГВТ.

3.2.1. Одномерное течение в трубопроводе.

3.2.2. Местные сопротивления. - - -3«2.3. Газообмен и течение в цилиндре. ' 3.2.4. Вспомогательные подпрограммы.III

3.3. Управляющая программа.

3.3.1. Структура исходных данных. . ИЗ

•3.3.2. Рекомендации по составлению и отладке управляющей программы.

-3стр.

3.3.3. Пример составления управляющей программы для расчета выпускной системы ТПД.

3.4. Выводы.

ГЛАВА 4. Экспериментальные исследования газодинамических процессов в цилиндре двухтактного двигателя с ЩЩ.

4.1. Цели и место экспериментальных исследований.

4.2. Статическая продувка впускных окон и коробки двигателя.

4.2.1. Объекты и методики исследования.

4.2.2. Влияние схемы течения в коробке и конструкции окон на кинематику потока внутри цилиндра и на расход воздуха.

4.2.3. Определение коэффициента расхода впускных окон с учетом конструкции впускной коробки.

4.2.4. Влияние конструкции впускных окон на пропускную способность и на структуру потока в цилиндре.

4.2.5. Определение направления вектора скорости во впускных окнах.

4.3. Моделирование газообмена на гидравлической ожкощ-ШрВои • установке.

4.3.1. Объект и методика исследования.

4.3.2. Результаты исследования

4.4. Исследование воздухоснабженш и индикаторного процесса ¿-^цилиндрового двигателя ДН12/2х12.

4.4.1. Объект и методика испытаний.

4.4.2. Влияние повышения температуры наддувочного возду ха на параметры рабочего процесса двигателя.

4.4.3. Влияние схемы подвода воздуха к цилиндру на протекание рабочего процесса.

4.5. Выводы.

ГЛАВА 5. Проверка адекватности математической модели. . . *

5.1. Исходные положения.

5.2. Идентификация параметров 2-х мерной модели.

5.3. Расчет стационарного течения в цилиндре модельной установки.д

А 5.4. Расчет течения в цилиндре с плоским поршнем.

5.4.1. Описание модельной установки и условий расчета.

5.4.2. Проверка по качественным и количественным показателям.

5.5. Расчет структуры течения в цилиндре при наличии камеры сгорания в поршне.

5.6. Моделирование турбулентности и закрутки заряда в цилиндре с асимметрично расположенным впускным клапаном.

5.7. Расчет волновых явлений во впускной и выпускной системах/развернутого двигателя 6ДН12/2х12.

5.7.1. Методика расчета.

5.7.2. Результаты расчета.

5.8. Расчет показателей газообмена в цилиндрах двигателей 6ДН12/2х12 и 1ДН20,7/2x25,4.

-А.

5.8.1. Методика расчета.

5.8.2. Результаты расчета.

5.9. Выводы.

ГЛАВА 6. Расчет газодинамических процессов в двигателе

ДЕН200.

6.1. Краткие сведения о .двигателе.

6.2. Расчет газообмена в цилиндре.

6.3. Расчет турбулентной структуры течения в камере сгорания.

6.4. Расчет волновых процессов во впускной и выпускной системах.

6.4.1. Методика расчетного исследования.

6.4.2. Анализ результатов расчета.

6.5. Выводы.

ГЛАВА 7. Критериальная взаимосвязь параметров при газообмене 2-х тактного двигателя с ЦДЛ.

7.1. Критерии подобия газообмена двигателя,

7.2. Обобщенная гидравлическая характеристика двигателя.

7.3. Модель идентификации для рабочего процесса 2-х тактного дизеля.

7.4. Выводы.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Теория и расчет газодинамических процессов в быстроходном 2-х тактном турбопоршневом двигателе»

Практика конструирования и доводки высокофорсированных

• быстроходных ТЦД требует глубокого проникновения в суть рабо-ч чего процесса, . " . Особую сложность, как отмечают многие исследователи,представляет собой доводка рабочего процесса 2-х тактного двигателя. Именно в этом типе двигателя качестве смесеобразования и сгорания напрямую связаны с 4 процессом газообмена. Осуществляемая в 2-х тактном двигателе с ГЩП прямоточная продувка обеспечивает не только хорошую очистку цилиндра от отработавших газов,но и одновременно создает высоко-« турбулизированное закрученное движение.необходимое для качественного смесеобразования и сгорания топлива.

Эффективным методом получения информации о протекании быстро-протекающих газодинамических процессов является математическое моделирование. Настоящая работа,в значительной мере,посвящена проблеме создания аппарата математического численного моделирования рабочего процесса дизеля. Этот аппарат основывается, в общем случае, на модели пространственного нестационарного турбулентного движения газокапельной среды с физико-химическими превращениями.

Заключение диссертации по теме «Тепловые двигатели», Березин, С. Р.

8. ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

1. Разработана численная математическая модель 2-х мерного осесимметричного нестационарного турбулентного движения воздуха и газа в цилиндре двигателя. Модель адекватно описывает турбулентное течение в цилиндре при впуске и сжатии для плоского поршня,при камере сгорания в поршне, при наличии и при отсутствии закрутки заряда на впуске. Модель позволяет определить интенсивность и масштаб турбулентности и вихревое отношение в конце сжатия при асимметрично расположенном впускном клапане.

2. Основным фактором .определяющим протекание газообмена в двигателе с ЦДЛ, является возникновение на оси цилиндра конусообразной непродуваемой вихревой высокотурбулизированной зоны. Размер зоны определяет, в основном, величину показателей газообмена.

3. Турбулизация заряда и наличие радиального вытеснитель-ного потока при сжатии в двигателе с ЦЩ приводят к выравниванию по объему камеры сгорания концентрации воздуха, темпера туры и характеристик турбулентности. Профиль тангенциальной скорости в пределах камеры близок к закону вращения твердого тела.

4. Разработана численная математическая модель движения и испарения 2-х мерного осесимметричного нестационарного турбулентного топливного факела. Модель учитывает основные закономерности движения и взаимодействия газа и капель.

5. Разработанный программный комплекс "Газодинамика ТЩ£" показал свою пригодность для газодинамического расчета многоцилиндровых 2-х и 4-х тактных НЩ с разными схемами газовоздушного тракта. Комплекс может использоваться на любом типе ЭВМ, он имеет открытую модульную структуру и снабжен встроенной сю-темой диагностики.

6. Статическая продувка различных конструкций поясов впускных окон позволила установить три основных типа течения в цилиндре с качественно различным распределением осевой скорости; а) слабозакрученное с продуваемой центральной зоной; б) сильнозакрученное с продуваемой периферийной зоной; в) равномерная продувка цилиндра при достаточно сильной закрутке периферийной зоны.

Реализация последнего типа течения достигается при использовании 2-х рядного пояса круглых окон,который позволяет расширить возможности управления структурой потока в цилиндре и осуществить эффективный газообмен,высококачественный индикаторный процесс и удовлетворить требованиям технологии изготовления.

7. Установлена сильная зависимость пропускной способности цилиндра от схемы течения воздуха в коробке. Так переход от 2-х стороннего подвода к 1-стороннему уменьшает расход черёз двигатель на 1/4 и повышает степень асимметрии течения в цилиндре. В реальном двигателе коробка и цилиндр являются колебательной системой,поэтому статическая продувка может дать качественно различные результаты по сравнению с данными,полученными на двигателе.

8. Проведено исследование влияния повышенной температуры наддувочного воздуха на протекание рабочего процесса. Повышение температуры воздуха до ¿к=240°С не выявило отклонений от устоявшихся представлений о влиянии ¿к на параметры рабоь чего процесса.

9. Исходя из физической картины течения в цилиндре 2-х тактного двигателя с ЩЩ на основе теории подобия получена система даределяющих критериев геометрического »кинематического и динамического подобия. Наиболее важным из них является критерий продувки,характеризующий условия гомохронности и обьеданяющий в себе приведенные обороты двигателя и отношение давлений на впуске и на выпуске.

10. Получена критериальная зависимость расхода воздуха и показателей газообмена 2-х тактного двигателя с ЩП от критерия продувки. Эта зависимость может быть интерпретирована как обобщенная гидравлическая характеристика (ОГХ) 2-х тактного двигателя. Имеется глубокая аналогия между ОГХ 2-х тактного двигателя и характеристиками лопаточнкх машин: турбины,компрессора. На характер протекания ОЕГХ оказывают влияние волновые

• процессы во впускной и выпускной системах. ОГХ присуща для любого типа 2-х тактного двигателя . ОГХ нашла практическое применение при расчете ВСХ авиадизеля»

-1SS

Список литературы диссертационного исследования доктор технических наук Березин, С. Р., 1994 год

1. Абрамович Г.Н. Прикладная газовая динамика.- М.: Наука, 1969,-824 с»2» Анучина Н.Н., Бабенко К.И., Годунов С.К. и др. Теорежи-ческне основы конструирования численных алгоритмов задач математической физики. М.г Наука, 1979, - 296 с.

2. Березин С .Р., Агапитов О.Н., Круглов М.Г. Математическоеи физическое моделирование движения газа в цилиндре 2-х тактного ! двигателя. // Докл. У Международного симпозиума "Мотор-Симпо",Прага, 1986. -С.80-93.

3. Березин С.Р., йгкис Е.М., Дульгер М.В. и др. Двумерное ' ■ моделирование турбулентного потока в поршневом двигателе в процессах впуска и сжатия // Двигателесгроение. -1990. «#12. -С.8-12.

4. Березин С.Р.,Круглов М.Г. Расчет нестационарного течения газа в выпускной системе КДВС с учетом выполнения интегральных законов сохранения // ЛВС; Респ.межвед»науч.сб. -вып»37.-Харьков, 1983. -С.56-64»

5. Багмут Г.А. К гидродинамической теории течения газов в цилиндрах двигателей с ПДП //Гидравлика гидромашин,-науч.сб» -Киев; Наукова думка, 1966. -С.88-89.

6. Болгарский А»В», Мухачев Г .А»» Щукин В.К. Термодинамика и теплопередача. -М.:Высшая школа, 1975, -493 с.

7. Вырубов Д.Н.,Элькотб М.М. 0 рас^е.тв скорости движения заряда в цилиндре двигателя // Изв. ВУЗов» Машиностроение. -1965.-G. II3-II7.

8. Глаголев HЛ, Рабочие процессы ДВС.-M.t Машиностроение, 1950» -214 с.

9. Годунов С.К. и др. Численное решение многомерных задач , газовой динамика» -M»s Наука» 1976. -400с.

10. Гришин Б.А. Исследование нестационарного течения в системе "выпускной трубопровод комбинированного двигагеля-осевая турбина": Дис» нанд. техн. наук. -М., 1977. -214 с.

11. Гупта А.» Лилли Д., Сойред Н» Закрученные потока: Пер. с англ» -М»: Мир » 1987. -588 с»

12. Двигатели внутреннего сгорания: Теория поршневых и комбинированных двигателей /йй&редУОрлина, M Г. Круглова-4 изд. -М.:Мапшностроение, 1981» -372 с.

13. Круглов М.Г» Термодинамика и газодинамика двухтактных двигателей внутреннего сгорания» -М»: Машгиз, i960» 193 с»

14. Круглов М.Г»» Ложкин М.Н» Аэродинамическая схема газового потока в цилиндре 2-х тактного двигателя с прямоточной схемой газообмена в период продувки-наполнения //Изв. ВУЗов.• Машиностроение. -1971» -ЖС» -С»137-140.

15. Киселев Б.А.» Куров Б.А., Ибрагимов В.И. и др. Математическое моделирование газодинамических процессов во впускных сис• темах двигателя // Автомобильная промышленность. -1973» -Ж.-с.

16. Камкин C.B. Об обобщенных решениях задач газовой динамики в проточных частях JW// ДВС* вып.33.-Харьков, 1983. -С.85-92.

17. Красовский О .Г. Исследование нестационарных процессов в выпускных системах дизелей методом математического моделирования на ЭЦВМ: Авгореф.дне.канд.техн.наук. -Л.* 1969» -20 с.

18. Круглов М.Г.,Меднов A.A.» Нефедов В.А. Расчет стационарного течения газа в цилиндре 2-х тактного двигателя с прямоточной схемой газообмена // Двигаге лес троение« -1982. -Щ. -G.9-II*

19. Копылов М.Л. Экспериментальное исследование движения воздуха в цилиндре дизеля // Двигателесгроение. -1980. -№7. -С.14-16.

20. Кирпичев М.В. Теория подобия :Изд. АН СССР,-Ы.,1953. -46 с.

21. Колган В.П. Применении принципа минимальных значений производной к построению кончо-разносгных схем ддя расчета разрывных решений газовой динамики // Ученые записки ЦАГЙ, -том 3«-1987. -$6. -С .68-77.

22. Лойцянский Л.Г. Механика жидкости и газа. -М.:Наука, 1973. -847 с.

23. Ложкин М.Н. Исследование аэродинамики потока в цилиндра 2-х тактного двигателя с прямоточной схемой газообмена на моделях: Авгореф. дис*.канд.гехн.наук.-М., 1971. -17 с.

24. Орлин A.C. Исследование рабочего процесса 2-х тактного авиа-ддзеля Ш0-207 А // Труды ЦИАМ. 1946. -ML" 19с.

25. Орлин A.C. Двухтактные легкие двигатели. -М.1Машгизг 1950. 151 с.

26. Орлин A.C.* Круглов М.Г. Двухтактные двигатели внутреннего сгорания. -М.: Машгиз, I960. -225 с.54^ Орлин A.C. Продувка 2 х тактных быстроходных двигателей внутреннего сгорания//Груди ЦИАМ, вып. 18, ОНТИ.-М., 1935. -172 с.

27. Петриченко P.M. Физические основы внугрицшшндровых про~ цессов в двигателях внутреннего сгорания. -I., 1983. -194 с.

28. Погодин С.Й. Рабочие процессы транспортных гурбопоршневых двигателей. -М.; Машиностроение* 1978. -312 с.

29. Поргнов Д.А. Быстроходные турбопоршневые двигатели с вое-» пламененивм от сжатия. Теория, рабочий процесс и характеристики. ■—-«М.:Машгиз, 1963. -638 с.

30. Патанкар С. Численные методы решения задач теплообмена а динамики жидкости: Пер. с англ. -4!.: Энергоагомиздат, 1984. -152 с.

31. Продувка и зарядка двухтактных двигагелей:/Сб. переводных статей под ред. Л.А.Рябцева ~М.: Машиностроение, 1934.

32. Рудой Б.П., Березин С.Р., Гришин ЮД. О подогреве газа при i адиабатическом наполнении сосуда // Межвуз.науч.сб. -Уфа,, 1976.'^/. -С.40-45.

33. Роуч П. Вычислительная гидродинамика.4 Пер. с англ. -М.: Мир, 1980. -616 с.

34. Семенов В.Г», Довгань О.П., КохГ.А» Методика и результаты экспериментального исследования показателей газообмена типа Д100 //ДВС, вып. 44.—Харьковr 1986. -С.80-85,

35. Стрелков В.П. Исследование газообмена комбинированного двухтактного двигателя на динамической модели: Авторе5. дис.». канд.техн.наук» -М.1971. -19 с»

36. Семенов В.Г» Методика и результаты экспериментального исследования показателей газообмена двигателя типа ДГОО // ДВС, выи» 44.-Харьков, 1986, -С. 80-85.

37. Семенов Е.С. Исследование турбулентного движения газав условиях поршневого двигателя // Горение в турбулентном потоке M», 1957. -C.I4I-I67.

38. Себиси Т., Бредшоу П. Конвективный теплообмен / Пер. с англ»- М»; Мир, 1987. -592 с.

39. Турбулентные течения реагирующих газов / Под ред. ПЛибби, Ф. Вильямеа. -М.; Мир, 1983» -326 с.81» Устименко Б.П. Процессьгагурбуленгного переноса во вращающихся течениях. -Алма-Ата: Наука, 1977, -226 с.

40. Фрост У», Моулден Т. Турбулентность и принципы применения. /Пер.с англ»-М»: Мир, 1986. -536 с.83» Цветков В.Н» Теория двухтактных двигателей» -Изд-во Харьковского технологического ин-га,-Харьков, 1982. -320 с»

41. Яковлев Г.В. Исследование газообмена и его влияние на основные показатели рабочего процесса 2-х гакгного двигателя с прямоточной схемой продувки: Дис. канд.техн.наук. -Л., 1973. -127 с»

42. Отчет НИИД Ж3149, 1989. -18 с.

43. Отчет НИЩ J63204, 1990. -020 с.

44. Отчет ШЩ H3I25, 1989. -17 с.

45. Отчет ШЩ №3244, 1990» -28 с.

46. Программа-процедура Ж91/1 НИЩ. Расчет периода задержки воспламенения дисперсной топлпво-воздушной смеси в условиях камеры сгорания дизелей. -M., 1980. -12 с.-367105. Отчет НИИД Л883» 1969. -29 с. ' .'

47. Сйненко П.П., Гринсберг Ф.Г» и др. Исследование и доводка тепловозных дизелей. -Харьков, 1975. -184 с. ' f'

48. Седач В.С» Разработка элементов проточной части изделий с улучшенными газодинамическими характеристиками; Техн. информ., " Ворошиловград, 1989. -34 с»

49. Березин O.P., Козлов С .И. Определение выходных показателей2.х тактного двигателя: Огчег ЦИАМ, 1989. -32 с.

50. Ронинсон Л.С., Березин O.P., Реунов А»Б. и др. Исследование влияния температуры наддувочного воздуха на протекание рабо- 'чего процесса в 2-х гактном двигателе с ЩЩ: Отчет ЦИАМ, 1988.~20с.

51. Березин O.P., Ронинсон Л.С., Горланц В.А.и др. Расчетное исследование газообмена развернутого двигателя ДН-200; Отчет ' ЦИАМ, 1992. -18 с.

52. Чуян Р.К. Методы математического моделирования двигателей летательных аппаратов. -М»: Машиностроение, 1988. -287 с.

53. CHARACTERISTICS OF AIR MOTION IN THE CILINDER // SAE TECH. PAP, SER,-1981,-N810496,-P.1-18 f 167, IKEGAMI M,,KQMATCU G,,NISHIWAKI K, NUMERICAL SIMULATION

54. RACTERISTICS-EFFECTS ON ENGINE PARAMETERS // FLOWS INTERN, COMBUST, ENGINES, 2 WINTER ANNU, MEET, ASME, NEW ORLEANS, DEC 9-14,1984, f N, Y,,P,9—14i 170, LANCASTER D, EFFECT OF ENGINE VARIABLES ON TURBULENCE

55. SCHLIEREK VISUALISATION OF THE FLOW AND DENSITY FIELDS IN THE CYLINDER OF SPARK IGNITION ENGlNk //SAE TECH, PAP» SER -I960.-N800044.-P,1-13 V l62* OHIOASHI S,,HAMAMOTO Y,, TANABE S, GAS VELOCITY !

56. TION //SAE TECH, PAP, SER,-1988,-N880575,-P,1-10 ' |185, RAMOS J.OANY A,,SIRIGNANO W, STUDY OF TURBULENCE JN A 1j

57. SPARK IGNITION ENGINES //PROGRESS OF ENERGY AND COMBUSTION 4