Введение к работе
Актуальность проблемы. Долгосрочные научные прогнозы подтверждают, что в обозримом будущем дизели по-прежнему будут составлять основу транспортной и стационарной энергетики. Это объясняется их высокой экономичностью и рядом других существенных преимуществ по сравнению с остальными типами тепловых двигателей.
Современные тенденции развития дизелей связаны прежде всего с увеличением их удельной мощности, улучшением экономических и экологических характеристик. Это обуславливает появление целого рада проблем и одна из наиболее важнейших из них возрастание теплона-пряженности деталей, образующих камеру сгорания (КС). Взаимодействие рабочего тела со стенками 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 радиационно-конвективного теплообмена между рабочим телом и стенками деталей КС все еще остаются недостаточно изученными и являются одним из узких мест в теории ДВС. В связи с этим создание надежных, экспериментально обоснованных расчетно-теоретических методов исследования локального радиационно-конвективного теплообмена в КС дизелей является актуальной проблемой. Ее решение позволяет значительно повысить уровень проектирования дизелей, в том числе с применением системы автоматизированного проектирования (САПР) и получить большой народно-хозяйственный эффект за счет уменьшения затрат на проектирование и экспериментальную доводку двигателей.
Цель м задачи работы. Основная цель диссертационной работы заключается в решении комплекса экспериментальных, теоретических и методических задач, связанных с созданием новых уточненных математических моделей (ММ) и методов расчета локального радиационно-конвективного теплообмена в КС дизелей. В соответствии с поставленной целью решались следующие основные задачи, в значительной мере определившие и методическую последовательность выполнения работы:
-
Теоретический анализ особенностей течения рабочего тела в КС и оценка возможностей использования теории турбулентного пограничного слоя при создании ММ локального конвективного теплообмена в дизелях с полуразделенными КС.
-
Теоретическое исследование условий локального радиационного теплообмена в КС дизелей, обоснование возможности модификации фундаментальной постановки задачи излучения в части учета эффективных радиационных тепловых потоков и разработка метода расчета интегральной степени черноты дизельного пламени.
-
Создание соответствующей аппаратуры и проведение комплекса экспериментальных исследований основных параметров рабочего процесса и локальных характеристик радиационно-конвективного теплообмена в КС высокооборотных дизелей, включающих одновременную в течение рабочего цикла регистрацию следующих величин:
-
колебаний температуры на поверхности КС, обусловленных суммарным тепловым потоком;
-
колебаний температуры, обусловленных радиационным тепловым потоком;
-
колебаний температуры на поверхносги КС при отключенной подаче топлива в исследуемый цилиндр;
-
температуры пламени;
-
концентрации частиц сажи в КС.
-
Разработка алгоритма и численная реализация на ЭВМ задачи потенциального течения рабочего тела в КС в нестационарной постановке для определения полей скорости, температуры, плотности и давления.
-
Разработка ММ локального конвективного теплообмена в КС с использованием основ теории турбулентного пограничного слоя.
-
Создание ММ локального радиационного теплообмена в КС дизелей с применением авторского метода оценки интегральной степени черноты пламени и модифицированной фундаментальной постановки задачи излучения.
-
Проверка адекватности разработанных ММ локального теплообмена в КС дизелей путем сравнения экспериментальных и расчетных данных по локальным конвективным, радиационным и суммарным тепловым потокам.
8. Практическое применение разработанных ММ и расчетных методов для аналитического исследования локальных параметров радиа-ционно-конвективного теплообмена в КС, оценки теплового и напря-женно-деформировашюго состояния детален цнлиндропоршневой группы (ЦПГ).
Реализация этого комплекса задач рассматривается нами как достижение основной цели работы - решение проблемы создания инженерного метода расчета локальных параметров радиационно-конвективного теплообмена в КС дизелей.
_ -Научная новизна работы состоит в том, что:
предложен оригинальный подход к решению задачи локального конвективного теплообмена, основанный на использовании фундаментальных законов сохранения, элементов теории турбулентного пограничного слоя и их численной реализации на ЭВМ с помощью МКР;
рассмотрена и решена задача потенциального течения рабочего тела в КС дизельного двигателя в нестационарной постановке, в результате получены поля температуры, скорости, плотности и давления рабочего тела;
предложена и реализована математическая модель локального конвективного теплообмена в КС дизелей;
выполнены анализ взаимодействия потоков излучения в КС дизеля и оценка роли эффективного излучения, что позволило модифицировать фундаментальную постановку задачи радиационного теплообмена;
предложена и реализована математическая модель локального радиационного теплообмена в КС со сложной геометрией;
впервые в практике экспериментальных исследований теплообмена в КС дизелей выполнено одновременное измерение суммарных и радиационных тепловых потоков, температуры пламени и концентрации частиц сажи.
Личное участие автора заключается в разработке и определении направления, цели и задач исследования, в проведении комплекса теоретических и экспериментальных исследований от постановки задач до экспериментальной проверки в лабораторных условиях, создании математических моделей и их численной реализации на ЭВМ, в получении
научных результатов, отраженных в опубликованных работах (в том числе и в соавторстве).
Достоверность и обоснованность научных положений и результатов определяются:
- применением общих систем уравнений, выражающих фундамен
тальные законы сохранения энергии, массы и импульса с соответ
ствующими начальными и граничными условиями, современных чис
ленных методов реализации математических моделей;
использованием для обоснования предложенных математических моделей локального радиационно-конвективного теплообмена достоверных опытных данных, полученных автором на разработанной им специальной экспериментальной установке для измерения основных параметров рабочего процесса дизеля и локальных нестационарных тепловых потоков, температуры пламени и концентрации частиц сажи в КС в широком диапазоне изменения нагрузочных и скоростных режимов;
использованием достоверных результатов экспериментальных и расчетных исследований, выполненных другими авторами в МГТУ, ЦНИДИ, СПбГТУ, ГМА им. адм. С.О.Макарова (С.-Петербург), ВАТТ (С.-Петербург), ХПИ, МАДИ, ИТТФ АН Украины, в Вискон-синском университете (США), в университете г.Лафборо (Англия), в фирме "Даймлер-Бенц" (Германия) и др.;
экспериментальным подтверждением достаточной точности разработанных математических моделей конвективного и радиационного теплообмена на примерах распределения нестационарных локальных суммарных, конвективных и радиационных тепловых потоков, а также стационарных температур и их колебаний, замеренных на поверхности крышки цилиндров и других деталей КС при широком диапазоне изменения режимов работы двигателя;
применением ГОСТов, нормативных актов и соответствующей градуировкой элементов измерительного комплекса при расчетно-экспериментальном исследовании дизелей.
Значимость работы для науки и практики состоит в том, что:
- развиты теоретические и расчетные основы проектирования и
доводки дизелей путем дальнейшей разработки теоретических и экспе-
риментальиых методов определения локальных тепловых нагрузок и теплового состояния деталей ЦПГ дизелей;
разработаны алгоритмы и программы, реализующие математические модели локального радиационно-конвектлвного теплообмена между рабочим телом и стенками КС и позволяющие с достаточной для практики точностью решать комплексные задачи проектирования перспективных конструкций дизелей, доводки и модернизации существующих;
при непосредственном участии и по проекту автора в лаборатории ДВС технического университета (С.-Петербург) была создана экспериментальная установка для измерения локальных нестационарных температур, радиационных и суммарных тепловых потоков, температуры пламени и концентрации частиц сажи в КС высокооборотного дизеля. Кроме этого автором созданы оригинальные конструкции поверхностного железоникелевого термоприемника и датчика радиационного теплового потока и в соавторстве предложена и реализована конструкция установки для динамической градуировки поверхностных термо-приемннков;
решение ряда теоретических, экспериментальных и методических вопросов определения локальных тепловых нагрузок и теплового состояния деталей КС позволяют значительно сократить затраты на проектирование и доводку высоко- и среднеоборотных дизелей;
результаты диссертационной работы внедрены на Коломенском тепловозостроительном заводе, в объединении "Кировский завод" (С.Петербург), а также в учебный процесс Дальневосточного государственного технического рыбохозяйственного университета.
На защиту выносятся:
- Обоснованные экспериментально математические модели ло
кального конвективного и радиационного теплообмена в КС дизелей,
позволяющие определить:
поля температуры, скорости, плотности и давления рабочего тела в объеме КС;
локальные плотности конвективного, радиационного и суммарного тепловых потоков на поверхностях КС; тепловое состояние деталей 1ДПГ дизеля.
Расчетно-экспериментальный метод определения локальной интегральной степени черноты дизельного пламени;
Методы численной реализации указанных выше математических моделей и результаты, полученные при этом;
- Результаты определения локальных нестационарных конвек
тивных, радиационных и суммарных тепловых потоков на поверхно
стях КС дизеля, а также данные по температуре пламени, концентрации
частиц сажи в объеме КС и скорости рабочего тела, полученные экспе
риментальным путем на специальной установке.
Апробация работы. Научные положения, результаты расчетных и экспериментальных исследований, составляющих основу диссертации, докладывались и обсуждались на международных, всесоюзных и республиканских научно-технических форумах, симпозиумах, конференциях и семинарах: "Тепловыделение, теплообмен и теплонапряженность высокофорсированных ДВС, работа их на неустановившихся режимах", г.Ленинград, 1976 г.; "Рабочие процессы в двигателях внутреннего сгорания", г.Москва, 1978 г.; Научный семинар с международным участием по корабельной энергетике, г.Варна, Болгария, 1979 г.; "Перспективы развития комбинированных двигателей внутреннего сгорания и двигателей новых схем и то плив", г.Москва, 1980 г.; "Development and Manyfacture of Automotive and Tractor Diesel Engines", Varna, Bulgaria, 1980 г.; "Рабочие процессы в двигателях внутреннего сгорания", г.Москва, 1982 г.; "Проблемы совершенствования рабочих процессов в двигателях внутреннего сгорания", г.Москва, 1986 г.; "Перспективы развития комбинированных двигателей внутреннего сгорания и двигателей новых схем и на новых топливах", г.Москва, 1987 г.; XIX International Symposium "Heat and mass transfer in gasoline and diesel engines", Dubrovnik, Yugoslavia, 1987 г.; XIII International Scientific Conference "Specjalized elements of piston type internal combustion engines with high technical and exploatational parameters", KONES'87, Lublin-Kazimierz Dolny, Poland, 1987 г.; Первый Международный форум по тепломассообмену, г.Минск, 1988 г.; XIV International Scientific Conference "Specialized elements of piston type internal combustion engines with high technical and exploatational parameters", KONES'88, Poznan-Blazejcwko, Poland, 1988 г.; XV International Scientific Conference "Specialized elements of piston type internal
combustion engines with high technical and explo;ilational parameters", KONES'89, Wroclaw-Polanica zdroj, Poland, 1989 г.; "Повышение надежности и экологических показателей автомобильных двигателей", г.Горький, 1990 г.; "Актуальные проблемы развития двигателей внутреннего сгорания и дизельных установок", г.Ленинград, 1990 г.; XVII International Scientific Conference "Specialized elements of piston type internal combustion engines with high technical and exploatational parameters", KONES'91, Poznan-Blazejewko, Poland, 1991 г.; "Рабочий процесс, теплообмен, теплонапряженность деталей ДВС", г.Санкт-Петербург, 1991 г.; Второй Международный форум по тепломассообмену, г.Минск, 1992 г.; Second International Symposium on Small Diesel Engines, CIMAC92, Warsaw, Poland, 1992 г.; Международная науч-техн. конф. "Совершенствование быстроходных дизелей", г.Барнаул, 1993 г.; Вторая Международная науч.-техн. конф. "Актуальные проблемы фундаментальных наук", г.Москва, 1994 г.; Первая Российская национальная конференция по теплообмену, г.Москва, 1994 г.; Pacific International Conference "Mathematical modeling and cryptography", PMMC-95, Vladivostok, 1995 г.; Fourth International Simposium on Small Diesel Engines, CIMAC'96, Warsaw, Poland, 1996 г., а также на ряде межвузовских, краевых, отраслевых и региональных конференций в период с 1977 г. по 1997 г.
Публикации. Основные результаты, изложенные в диссертации, опубликованы в 72 научных трудах, 2 учебных пособиях, 10 научно-технических отчетах по НИР, выполненных в Дальрыбвтузе и техническом университете (г.Санкт-Петербург) в период с 1975 г. по 1995 г.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения и списка литературы. Общий объем работы составляет 411 страниц, в том числе 229 страниц основного текста, 161 рисунок и 3 таблицы. Список литературы включает 487 источников, из них 179 на иностранных языках.
