Моделирование газодинамических процессов в дизельном двигателе: современные подходы и методы исследования

Размещено на http://www.allbest.ru/

Моделирование газодинамических процессов в дизельном двигателе: современные подходы и методы исследования

Пириев Г.С., Азизов Дж.Дж., Наджафов М.А., Халилов А.Н.

Аннотация

Научные исследования в области дизельных двигателей играют важную роль в повышении их эффективности, надежности и экологической безопасности. В данной статье рассматриваются современные подходы и методы математического моделирования газодинамических процессов в дизельных двигателях. Особое внимание уделяется анализу влияния различных параметров на рабочий процесс и производительность двигателя. Рассматриваются основные аспекты моделирования, включая выбор математических моделей, численные методы и экспериментальную верификацию. Приводятся результаты последних исследований и перспективы дальнейших работ в данной области. Полученные выводы могут быть полезны для инженеров и научных работников, занимающихся проектированием и совершенствованием дизельных двигателей.

Ключевые слова: дизельный двигатель, моделирование процесса, газодинамические процессы, трехмерная модель.

Abstract

Piriev G.S., Azizov J.J., Najafov M.A., Khalilov A.N.

MODELING OF GAS DYNAMIC PROCESSES IN DIESEL ENGINE: MODERN APPROACHES AND RESEARCH METHODS

Scientific research in the field of diesel engines plays an important role in improving their efficiency, reliability and environmental safety. This article discusses modern approaches and methods of mathematical modeling of gas dynamic processes in diesel engines. Special attention is paid to the analysis of the impact of various parameters on the workflow and engine performance. The main aspects of modeling are considered, including the choice of mathematical models, numerical methods and experimental verification. The results of recent research and prospects for further work in this area are presented. The findings can be useful for engineers and researchers involved in the design and improvement of diesel engines.

Keywords: diesel engine, process modeling, gas dynamic processes, three-dimensional model.

Введение

моделирование газодинамический дизельный двигатель

Дизельные двигатели являются неотъемлемой частью современной технологической инфраструктуры, применяемой в различных областях, от автотранспорта до промышленного производства. Они отличаются высокой эффективностью и способностью к работе в широком диапазоне условий. Ключевым аспектом их производительности и экологической безопасности являются газодинамические процессы, происходящие внутри двигателя. Исследование этих процессов методами математического моделирования представляет собой важную область научных исследований, направленных на повышение эффективности и уменьшение вредных выбросов. В условиях постоянного стремления к снижению вредного воздействия на окружающую среду и оптимизации энергопотребления, а также в связи с постоянным развитием технологий, необходимо постоянное совершенствование дизельных двигателей. Исследование газодинамических процессов в дизельных двигателях через методы математического моделирования представляет собой эффективный инструмент для достижения этих целей. Такие исследования позволяют более глубоко понять внутренние механизмы работы двигателя, выявить узкие места и потенциальные области оптимизации, а также протестировать новые концепции и дизайны до их физической реализации.

Целью данного исследования является изучение современных подходов и методов математического моделирования газодинамических процессов в дизельных двигателях. Основные задачи включают в себя:

Разработку математических моделей, наиболее точно описывающих процессы, происходящие внутри дизельного двигателя.

Применение численных методов для анализа этих моделей и симуляции рабочего процесса двигателя в различных условиях. Исследование влияния различных параметров на производительность и эффективность работы двигателя. Определение оптимальных параметров рабочего процесса для повышения эффективности и снижения выбросов.

Постановка задачи

Дизельный двигатель работает по принципу внутреннего сгорания, где топливо (дизельное топливо) впрыскивается в камеру сжатия, где оно воспламеняется самовозгоранием при высоком давлении и температуре воздушной смеси. Основные компоненты дизельного двигателя включают в себя цилиндры, поршни, клапаны, систему впрыска топлива и систему выпуска отработавших газов.

Основные газодинамические процессы внутри двигателя:

Сжатие: Воздух сжимается поршнем в камере сжатия до достижения высокого давления и температуры.

Впрыск топлива: Дизельное топливо впрыскивается в камеру сжатия при высоком давлении, где оно мгновенно самовозгорается.

Горение: Самовозгорание дизельного топлива вызывает мгновенное горение, при котором происходит выделение энергии.

Расширение: Выделяющиеся газы расширяются, выталкивая поршень вниз и приводя в движение двигатель.

Выпуск: Отработавшие газы выводятся из цилиндра через систему выпуска.

Факторы, влияющие на эффективность и производительность:

Конструктивные параметры: Размеры и форма камеры сгорания, количество и расположение цилиндров, система впрыска топлива.

Параметры работы двигателя: Давление наддува, степень сжатия, время впрыска топлива, температура впускаемого воздуха.

Топливо: Качество и свойства дизельного топлива, включая цетановое число и содержание примесей.

Управление двигателем: Регулирование работы двигателя с помощью электронных систем управления (ECU), оптимизация работы при различных нагрузках и скоростях.

Понимание и оптимизация этих факторов являются ключевыми для достижения высокой эффективности и производительности дизельных двигателей.

Существует несколько типов математических моделей, которые могут быть использованы для описания газодинамических процессов в дизельных двигателях:

Феноменологические модели, основанные на эмпирических данных и экспериментальных наблюдениях.

Модели физических процессов, которые учитывают физические законы, описывающие газодинамику, теплопередачу и химические реакции.

Кинетические модели, которые учитывают скорости химических реакций и изменения состава газовой смеси в процессе горения топлива.

Модели компьютерного томографии (CT), позволяющие визуализировать внутренние процессы в двигателе на основе данных, полученных из сканирования.

Выбор подходящей модели зависит от конкретной задачи и доступных данных. Например, для общего анализа производительности двигателя и оптимизации рабочего процесса могут быть использованы феноменологические модели, тогда как для более детального изучения химических процессов и горения топлива следует применять кинетические модели. Важно учитывать ограничения каждой модели и их применимость к конкретной задаче. Для численного моделирования газодинамических процессов в дизельных двигателях часто используются методы вычислительной гидродинамики (CFD) и методы конечных элементов (FEM). Эти методы позволяют решать уравнения Навье-Стокса и уравнения теплопереноса для определения распределения давления, температуры и скорости потоков внутри двигателя. Также применяются методы оптимизации и анализа данных для интерпретации результатов численного моделирования и принятия решений по оптимизации работы двигателя.

Решение задачи

Рассмотрим принцип работы авиамодельного двухтактного ДВС посредством его трехмерной модели. Моделирование протекания тепловых процессов внутри ДВС осуществляется с помощью программы ANSYS Fluent. КПД ДВС зависит от совокупности сложных процессов, а именно: подачи топливных компонентов, подготовки топливовоздушной смеси, горения топлива и процесса выпуска продуктов сгорания и т.д. Исследования, провидимые с помощью CFD-моделирования на первых этапах проектирования двигателя, помогают оптимизировать каждый из этих процессов. Сложности процесса моделирования связаны с построением модели расчетной сетки, которая должна двигаться в полном соответствии с тем движением, которое совершается рабочим телом внутри цилиндра поршневого двигателя. В данную методику расчета входят следующие этапы:

* Первоначальная настройка модели внутреннего пространства ДВС для наглядного построения процессов, происходящих в двигателе.

* Настройка дискретной фазовой модели Discrete Phase Model (DPM) для моделирования процессов подачи топлива.

* Настройка решателя ANSYS Fluent.

* Анализ полученных данных.

Вначале необходимо скопировать файл сетки mini DVS.msh и файл параметров профиля DVS.c в специальную рабочую папку. Данные файлы создаются соответственно в предпроцессоре ANSYS Workbench Meshing и WordPad. Затем следует запустить программу ANSYS Fluent с параметрами как на рисунке 1.

Сначало рассматриваем настройку параметров сетки для последующего моделирования в программе ANSYS Fluent. После загрузки файла программа ANSYS Fluent начинает чтение и отображает процесс в окне командной строки.

Далее производится проверка сетки, чтобы убедиться в целостности конечных объемов в сеточной модели. Важно, чтобы наименьший объем отображался со знаком «+».

Рисунок 1. Меню запуска ANSYS Fluent.

Размеры расчетных моделей в ANSYS Fluent должны быть заданы в метрах, даже если моделирование проводилось в миллиметрах. Поэтому для сеточной модели, созданной в миллиметрах, необходимо уменьшить масштаб сетки в 1000 раз. Для удобства работы устанавливаются разные цвета сетки для различных областей. Таким образом, мы получаем внешний вид расчетной модели, где сеточная модель разделена на несколько областей с различной сеткой, включая элементы блочной структуры и элементы в форме призм (рисунок 2).

Рисунок 2. Внешний вид расчетной модели.

Далее настраиваем параметры решателя для моделирования задачи с учетом турбулентных течений. Для решения задачи рекомендуется использовать алгоритм установления (Pressure Based), который хорошо отработан и эффективен для различных типов задач, включая те, которые мы рассматриваем. Чтобы обеспечить высокую точность расчетов, выбираем соответствующую модель турбулентности. В данном случае рекомендуется использовать k-s модель турбулентности, которая является простой и широко применяемой моделью в инженерных расчетах. При решении задачи также необходимо учитывать теплообмен и теплопередачу. Затем настраиваем параметры модели смешения и свойств рабочего тела для нашей модели. Сначала задаем параметры смешивания химических веществ. Затем настраиваем параметры процесса испарения топлива. Далее переходим к настройке граничных условий. Мы задаем параметры входного и выходного давления, а также температуры на входе и выходе, учитывая гидравлический диаметр и интенсивность турбулентности для каждого граничного условия. После ввода всех параметров мы подтверждаем их и теперь наша модель готова к дальнейшему моделированию. Настройка зон пересечения сетки и параметров движения сетки играет ключевую роль в моделировании. Задаем параметры для схемы движения сетки Layering, включая частоту вращения коленчатого вала, начальный угол поворота, время цикла и другие характеристики поршня. Для компиляции UDF функции вращения коленчатого вала, загружаем файл и выполняем процесс компиляции, убеждаясь, что файлы находятся в одной рабочей директории. После успешного выполнения всех шагов мы готовы к дальнейшему моделированию процессов в двигателе. После задания параметров движения поршня и других подвижных элементов моделируемого двигателя мы переходим к настройке параметров области поршня и других зон сетки. После всех настроек движения сетки мы переходим к настройке параметров процесса впрыска топлива. Здесь мы задаем тип впрыска, тип частиц, материал и другие характеристики. Затем мы осуществляем предварительный просмотр движения сетки, сохраняем файл проекта и выводим сетку на экран. Наконец, мы выполняем настройку начальных параметров модели. Здесь мы устанавливаем начальные условия для области потока, такие как давление, скорость, температура и другие параметры. После ввода всех параметров мы инициализируем процесс решения. Таким образом, после завершения всех настроек модели мы переходим к настройке процесса создания анимации для визуализации результатов. Для просмотра результатов расчета необходимо воспроизвести видеопроигрывателем сохраненные анимации соответствующих термодинамических параметров (рисунок 3: а, б, в).

Рисунок 3.

Выводы

Применение CAD/CAE-технологий для моделирования процессов внутри ДВС значительно сокращает сроки проектирования за счет ускорения расчетного процесса. Высокая информативность результатов численного моделирования позволяет более детально анализировать рабочий процесс ДВС. Моделирование газодинамической структуры потока с правильным выбором модели турбулентности обеспечивает достаточно точные распределения основных термодинамических параметров внутри цилиндра двигателя. Использование программы ANSYS Fluent позволяет проводить моделирование процесса впрыска топлива с учетом его нестационарности и движения отдельных узлов цилиндро - поршневой группы.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ:

1. Орлин А. С. Двигатели внутреннего сгорания. Устройство и работа поршневых и комбинированных двигателей. - М.: Машиностроение, 1990, с. 253;

2. Колчин А. И. Расчет автомобильных и тракторных двигателей. А. И. Колчин, В. П. Демидов - М.: Высшая школа, 2008. - 496 с;

3. Батурин О. В. Расчет течений жидкостей и газов с помощью универсального программного комплекса. Часть 2. Построение расчетных моделей в препроцессоре Gambitе/ О. В. Батурин, И. И. Морозов, В. Н. Матвеев - Самара: Изд-во Самар. гос. аэрокосм. ун-та, 2008. - 125с;

4. Батурин О. В. Расчет течений жидкостей и газов с помощью универсального программного комплекса. Часть 3. Работа в программе Fluent/ О. В. Батурин, И. И. Морозов, В. Н. Матвеев - Самара: Изд-во Самар. гос. аэрокосм. ун-та, 2008. - 115с;

5. Г.С. Пириев. Анализ конвективного теплообмен и его виды. Международный научный журнал «Вестник Науки» № 2 (71) Том 3. ФЕВРАЛЬ 2024 г. С. 543-549

Размещено на Allbest.ru