Введение к работе
Актуальность работы
Анализ эволюции возмущений газа в замкнутых камерах позволяет проследить формирование структуры течений, определяющих переход к турбулентности в камерах сгорания двигателей, что является необходимым звеном в оптимизации их рабочих режимов. Причиной возникающих при этом течений является циклическое движение поршня, приводящее к сжатию и разрежению газа в камере, что приводит к формированию аксиально-симметричных течений и развитию так называемой аксиально-симметричной турбулентности.
В общем случае эта турбулентность формируется сдвиговыми напряжениями, возникающими за счет разности скоростей потока вблизи от боковой поверхности и в центральной части камеры, скоростью поршня, особенностями впрыска газообразного горючего, техническими особенностями камеры сгорания и, при наличии процессов горения, поджигом горючей смеси. Очевидно, что учет последних из перечисленных факторов сводит рассмотрение проблемы к выяснению влияния на характер турбулентности частных конструктивных особенностей двигателя. В то же время самостоятельный интерес представляют наиболее общие свойства течений под поршнем и закономерности предшествующей развитой турбулентности эволюции динамических возмущений, для анализа которых целесообразна определенная идеализация задачи.
В идеализированной постановке в задаче имеется только два выделенных направления: по радиусу и вдоль движения поршня (по оси цилиндра). В соответствии с этим скорость течения в каждой точке определяется радиальной и осевой (по направлению движения поршня) компонентами. В общем случае развитие гидродинамических неустойчивостей приводит к возникновению тангенциальной (направленной по касательной к поверхности цилиндра) составляющей скорости, однако, можно ожидать, что тангенциальные возмущения в данной постановке имеют вторичное значение. Возникающие в таком случае течения можно рассматривать как близкие к аксиально-симметричным, а соответствующую турбулентность в общепринятой терминологии называют аксиально-симметричной (Бетчелор, Чандрасекхар, Петере, Хонг), что не совсем
корректно, так как и в этом случае развитие течений и развитая турбулентность, естественно, реализуется в трехмерном пространстве при одном выделенном направлении течения.
Аксиально-симметричная турбулентность является естественным развитием теории однородной изотропной турбулентности и считается следующей по сложности после теории изотропной турбулентности Колмогорова. Эта теория должна учитывать детальные особенности анизотропных свойств динамических параметров течений и ещё далека от завершения, что делает актуальным исследование каждой отдельной фазы развития турбулентности в частности фазы зарождение и формирование структур в аксиально-симметричных потоках.
Цель диссертационной работы
Основной целью представленной диссертации является разработка основанного на численном моделировании и статистическом анализе результатов метода исследований динамики и структуры возмущений среды в камере под движущимся поршнем и проведение с применением разработанного метода численных экспериментов, отражающих характер и закономерности потоков под поршнем. Были выполнены и проанализированы серии двумерных и трехмерных вычислительных экспериментов в нескольких базовых постановках:
эволюция начальных возмущений течений газа в замкнутом объеме в плоской, цилиндрической двумерной и трехмерной геометриях;
динамика течений и возмущений газа в цилиндрической камере на стадии сжатия газа поршнем в двумерной геометрии;
динамика возмущений газа в камере поршневого двигателя на протяжении полного цикла движения поршня в двумерной постановке;
влияние горения газообразного топлива на структуру течений и возмущений газа в камере сгорания.
Научная новизна работы
Разработан новый метод определения структуры течений, основанный на статистической обработке серии расчетов, отличающихся малыми возмущениями начальных параметров.
Впервые с использованием разработанного метода исследована эволюция и структура газодинамических возмущений течений под движущимся поршнем на протяжении полного цикла движения поршня.
Установлена связь интегральных корреляционных характеристик газодинамических возмущений течений со скоростью поршня.
Проведен статистический анализ эволюции структуры поля возмущений, вызванной поджигом и горением газообразного топлива.
Установлена связь интегральных характеристик поля возмущений в двух-и трехмерной постановках.
Достоверность результатов
Проведенные исследования выполнены на основе принятых в настоящее время математических моделей, отражающих фундаментальные законы течения газообразных сред, и статистических методов корреляционного анализа. Используемый при математическом моделировании численный алгоритм показал хорошие результаты при решении широкого круга задач газовой динамики и физики горения и кроме того в рамках проведённых исследований успешно прошёл проверку при решении ряда известных тестовых задач. Для того чтобы убедиться в правильном воспроизведении при численном моделировании основных свойств течений газовых сред в цилиндре под движущимся поршнем, были проведены расчеты в постановках отражающих условия физических экспериментов. При этом было получено хорошее качественное и количественное согласие результатов с имеющимися теоретическими оценками и результатами экспериментов по сжатию газов поршнем.
Научная и практическая ценность работы
определяется новыми результатами, уточняющими картину нестационарных переходных процессов развития возмущений в камерах сгорания поршневых двигателей. Сформулированные положения могут быть использованы широким кругом специалистов в области прикладной и теоретической газовой динамики. Конкретные результаты могут способствовать развитию ряда новых технических подходов, направленных на оптимизацию режимов работы поршневых двигателей.
Положения, выносимые на защиту:
Метод определения статистических характеристик течений течений газа путем численного моделирования
Результаты анализа динамики и структуры возмущений течения в камере под движущимся поршнем
Качественная закономерность развития возмущений поля течений в зависимости от скорости поршня
Результаты анализа изменений поля возмущений, вызванных поджигом горючей смеси
Апробация работы
Основные результаты работы докладывались и обсуждались на следующих российских и международных конференциях: XLIX Научная конференция Московского Физико-Технического института, 2006; XIV Симпозиум по горению и взрыву (Черноголовка), 2008; XXIV Международной конференции "Воздействие интенсивных потоков энергии на вещество" (п. Эльбрус, Кабардино-Балкарская республика, Россия), 2009, XXV Международной конференции
"Уравнения состояния вещества" (п. Эльбрус, Кабардино-Балкарская республика, Россия), 2010;
Публикации
Основные результаты диссертационной работы опубликованы в ведущем рецензируемом издании из перечня ВАК
Е. Н. Иванов, М. Ф. Иванов, "Определение статистических характеристик течений газа в камере под движущимся поршнем методом численного моделирования"//Матем. моделирование, 22:12 (2010),33-48;
а также в сборниках и трудах конференций:
Иванов Е.Н., Иванов М.Ф. Влияние процесса горения на динамику аксиальной турбулентности в камере сгорания поршневого двигателя // XIV Симпозиум по горению и взрыву. 13-17 октября, 2008, Черноголовка;
Иванов Е.Н., Иванов М.Ф. Численное моделирование процессов горения в турбулентной среде под движущимся поршнем // Труды XLIX Научной конференции Московского Физико-Технического института, 2006, стр. 97-99;
Ivanov E.N., IvanovM.F. The statistical correlated parameters of axially turbu-lized medium inside combustion chamber under moveable piston//XXIV International Conference "Interaction of Intense Energy Fluxes with Matter" (Elbrus, March 1-9,2009);
Ivanov E.N., IvanovM.F. The statistical correlated parameters of axially turbu-lized medium inside combustion chamber of spark-ignition engine IIXXV International Conference "Equation of State for Matter" (Elbrus, March 1-9, 2010);
Личный вклад автора в работы, вошедшие в диссертацию, является одним из основных основным. Автор принимал активное участие в постановке научных задач. Им была разработана методика и с её помощью проведен численный анализ эволюции малых гидродинамических возмущений в закрытых изолированных камерах в 2-мерной и 3-мерной постановках, в камерах под поршнем - в 2-мерной постановке, в камере сгорания при по джиге горючего. Проведено сопоставление результатов численного моделирования с данными экспериментов. На основании результатов исследования автором сформулированы и обоснованы выводы и заключения, вошедшие в диссертацию.
Структура и содержание глав диссертации
Диссертация состоит из введения, трех глав, заключения, списка литературы и приложения.
