Содержание к диссертации
Введение
1. Состояние вопроса. цель и задачи исследования '. 14
1.1. Воздействие ДВС мобильной сельскохозяйственной техники на природную среду.. 14
1.2. Состав отработавших газов и процесс образования основных токсичных веществ 18
1.3. Основные направления снижения вредных выбросов при эксплуатации дизелей 26
1.3.1. Эксплуатационные факторы и их влияние на содержание вредных веществ в отработавших газах 29
1.3.2. Совершенствование конструкций двигателя и организация малотоксичных рабочих процессов 31
1.3.3. Альтернативные виды топлива и антидымные присадки 33
1.3.4. Очистка отработавших газов в выпускной системе дизеля 35
1.3.5. Рециркуляция отработавших газов 39
1.4. Выводы. Цель и задачи исследования 47
2. Программа и методики проводимого исследования 51
2.1. Программные научно-исследовательские мероприятия 51
2.2. Методы и задачи теоретического исследования процессов в системе рециркуляции отработавших газов дизеля 51
2.3. Методы экспериментального исследования процессов в системе рециркуляции 55
2.3.1. Задачи экспериментального исследования 55
2.3.2. Методика экспериментальных исследований 56
2.3.3. Оборудование, используемое для стендовых и эксплуатационных исследований системы рециркуляции отработавших газов 58
2.3.4, Обработка результатов, оценка точности и ошибок экспериментальных исследований . 69
2.4. Выводы 72
3. Теоретические исследования и моделирование процессов в дизеле и элементах системы рециркуляции 74
3.1. Структурная и функциональная схемы моделируемой системы рециркуляции отработавших газов дизеля...; 74
3.2. Рабочий процесс дизеля с системой рециркуляции отработавших газов 81
3.3. Движение газодинамического потока отработавших газов в элементах системы рециркуляции ... 90
3.4. Газодинамическое сопротивление потоку отработавших газов в элементах системы рециркуляции 96
3.5. Динамика движения, сепарации и улавливания частиц сажи в элементах системы рециркуляции отработавших газов 103
3.6. Динамика разогрева устройства рециркуляции 106
3.7. Диффузия и кинетика химических реакций образования основных токсичных компонентов в цилиндре дизеля и в потоке отработавших газов системы рециркуляции. ПО
3.8. Статистические оценки эффективности работы машинно-тракторного агрегата на базе МТЗ-80/82 с системой рециркуляции отработавших газов 118
3.9. Идентификация параметров математических моделей процессов в системе рециркуляции отработавших газов дизеля 122
3.10. Параметрическая оптимизация системы рециркуляции отработавших газов 125
3.11. Выводы 127
4. Анализ результатов теоретического и экспериментального исследования процессов в системе рециркуляции отработавших газов дизеля 128
4.1 Результаты исследования рабочего процесса дизеля 44 11/12,5 с системой рециркуляции отработавших газов 128
4.1.1. Модели молекулярных теплоємкостей 128
4.1.2, Результаты уточненного теплового расчета дизеля 44 11/12,5 130
4.2. Результаты исследования особенностей распределения и неравномерности потока отработавших газов в зоне за закручивающим устройством системы рециркуляции 136
4.2.1. Результаты исследования газодинамических сопротивлений элементов системы рециркуляции отработавших газов дизеля 136
4.2.2. Исследование динамики движения частиц сажи в элементах системы рециркуляции отработавших газов 139
4.2.3. Результаты исследования разогрева системы рециркуляции дизеля. 144
4.3. Исследование математической модели образования оксидов азота и других токсичных компонентов дизеля с системой рециркуляции отработавших газов 146
4.3.1. Концентрации оксидов азота 147
4.3.2. Концентрации оксида углерода 148
4.3.3. Концентрации углеводородов 150
4.4. Исследование показателей и характеристик эффективности работы системы рециркуляции отработавших газов дизеля на различных скоростных и нагрузочных режимах 151
4.5. Исследование математических моделей статистических оценок эффективности работы машинно-тракторного агрегата на базе МТЗ-80/82 с системой рециркуляции отработавших газов 160
4.6. Результаты параметрической оптимизации настроек системы рециркуляции 165
4.7. Закон управления системой рециркуляции отработавших газов дизеля 44 11/12,5 167
4.8. Выводы 169
5. Технико-экономическая и экологическая оценка системы рециркуляции отработавших газов 171
Общие выводы 174
Литература
- Эксплуатационные факторы и их влияние на содержание вредных веществ в отработавших газах
- Методы экспериментального исследования процессов в системе рециркуляции
- Движение газодинамического потока отработавших газов в элементах системы рециркуляции
- Результаты исследования особенностей распределения и неравномерности потока отработавших газов в зоне за закручивающим устройством системы рециркуляции
Введение к работе
Неорганические и органические соединения, входящие в состав отработавших газов двигателей внутреннего сгорания (ДВС) оказывают комплексное вредное воздействие на животный и растительный мир, а также на человека, в частности: токсическое - вызывает отравления; канцерогенное - способно вызывать злокачественные новообразования; мутагенное - может изменять наследственность у рождаемых детей; тератогенное - способствует возникновению уродства; аллергенное - вызывают заболевания, связанные с повышенной чувствительностью к действию различных химических веществ.
Токсичные вещества, содержащиеся в отработавших газах ДВС, накапливаются в атмосфере и в последствии приводят к изменению климата, погоды, к снижению прозрачности атмосферы городов, а также видимости.
Вопросы охраны окружающей среды многие ученые ставят на первое место среди всех технических проблем сегодняшнего дня. Наибольшую роль в загрязнении окружающей среды играют дизели, в состав отработавших газов которых входят следующие опасные компоненты: сажа, оксиды углерода (СО), углеводороды (СН), оксиды азота (NOx).
В настоящее время существует множество различных способов и средств снижения вредных выбросов отработавших газов дизелей, которые можно условно разделить на три группы: применение альтернативных видов топлив и антидымных присадок; установка средств очистки в системе выпуска; воздействие на рабочий процесс в цилиндрах двигателей.
Среди множества вредных веществ, содержащихся в отработавших газах дизелей, наиболее токсичными являются оксиды азота. Существуют две группы методов снижения количества оксидов азота: 1 - направленные на уменьшение оксидов азота, образующихся в процессе сгорания; 2 -направленные на уменьшение оксидов азота, содержащихся в отработавших газах. Наиболее эффективным способом снижения NOx является
10 рециркуляция отработавших газов, как один из методов воздействия на
рабочий процесс дизеля.
Актуальность работы. Улучшение экологических показателей работы дизелей мобильной сельскохозяйственной техники путем снижения токсичности отработавших газов, в частности по оксидам азота (NOx), за счет применения системы рециркуляции отработавших газов, является актуальной научной задачей, имеющей важное значение для экономики страны.
Исследования проведены в соответствии с научным направлением 1.2.9 «Комплексная региональная программа научно-технического прогресса в АПК Поволжского экономического региона на 20 лет до 2010 г.» (№ гос. регистрации 840005200), региональной научно-технической программой «Повышение уровня механизации АПК Саратовской области до 2005 г.», а также в соответствии с комплексной темой №5 НИР Саратовского государственного аграрного университета им. Н.И. Вавилова «Повышение надежности и эффективности использования мобильной техники в сельском хозяйстве».
Объект исследования: тракторный дизель 44 11/12,5 (Д-240, Д-243), оборудованный системой рециркуляции отработавших газов.
Предмет исследования: газодинамические, тепловые и химические процессы в элементах системы рециркуляции отработавших газов дизеля.
Методика исследований включает в себя методику оценки закона управления системой рециркуляции и влияния ее регулировочных параметров на технико-экономические (скоростные, нагрузочные и топливно-экономические) и токсические характеристики дизеля; методики измерения температур, локальных скоростей потока отработавших газов и концентраций токсичных компонентов; индицирования рабочего процесса с использованием измерительно-вычислительного комплекса с интерфейсом «КАМАК». В ходе эксплуатационных исследований дизеля 44 11/12,5 использовался специально разработанный прибор «режимомер». Моделирование процессов в системе рециркуляции, ее оптимизация, а также
обработка экспериментальных данных проводились с помощью пакета прикладных программ «Matlab 6.5». Научная новизна:
исследованы и обобщены статические и динамические показатели и характеристики технических, топливно-экономических и токсических параметров для разработанной конструкции системы рециркуляции отработавших газов дизеля;
разработана динамическая математическая модель газодинамических процессов на основе теории пограничного слоя в системе рециркуляции отработавших газов дизеля;
разработана динамическая модель разогрева устройства рециркуляции на основе метода конечных элементов;
- установлены зависимости между параметрами эксплуатационных
режимов и показателями токсичности отработавших газов дизеля,
снабженного системой рециркуляции;
разработаны и исследованы критерии параметрической оптимизации системы рециркуляции отработавших газов дизеля;
получен закон управления, разработанной системы рециркуляции отработавших газов дизеля.
Практическая ценность и пути реализации работы. Разработана и испытана конструкция системы рециркуляции отработавших газов дизеля 44 11/12,5, позволяющая снизить концентрацию токсичных компонентов: по оксидам азота (N0*) на 30... 65%.
Разработанная конструкция системы рециркуляции отработавших газов защищена патентом РФ №2251016 от 23.06.03.
Результаты исследований могут быть использованы
сельскохозяйственными и другими предприятиями АПК России, эксплуатирующими мобильную технику, научно-исследовательскими и конструкторскими организациями при разработке систем рециркуляции для
12 любых типов дизелей, а также в учебном процессе вузов аграрного
образования при изучении дисциплины «Тракторы и автомобили».
Внедрение. Экспериментальные системы рециркуляции отработавших газов, установленные на тракторах МТЗ-80 и МТЗ-82 с дизелями 44 11/12,5 (Д-240, Д-243), прошли производственную проверку и приняты к внедрению в хозяйствах Саратовской области: ООО «Зернопродукт» Турковского района и ОАО «Аркадакекий элеватор» Аркадакского района.
Разработанная в диссертации система рециркуляции отработавших газов рекомендована Волгоградским тракторным заводом (ОАО «Тракторная компания «ВгТЗ»») к внедрению на тракторных дизелях.
Научные положения, выносимые на защиту:
Математические модели газодинамических, тепловых и химических процессов в элементах системы рециркуляции отработавших газов дизеля.
Экспериментально-теоретическое обоснование оптимальных конструктивных параметров системы рециркуляции.
Результаты комплексных экспериментальных исследований дизеля 44 11/12,5, оборудованного системой рециркуляции отработавших газов.
Рекомендации по применению предлагаемой разработки, обеспечивающей повышение экологической безопасности автотракторных дизелей.
Апробация. Основные положения диссертационной работы доложены, обсуждены и одобрены на научно-технических конференциях профессорско-преподавательского состава Саратовского ГАУ им Н.И. Вавилова (2002-2006 гг.). Оценка качества реализации каждого из программных мероприятий осуществлялась на основе метода экспертных оценок при учете мнения специалистов. Для такой оценки сделаны научные доклады на межгосударственных научно-технических семинарах «Проблема экономичности и эксплуатации двигателей внутреннего сгорания в АПК СНГ» (2003-2005 гг.), проводимых ИМЭСХ Саратовского ГАУ им. Н.И. Вавилова, на научно-практических конференциях «Ресурсы недр
России: экономика и геополитика, геотехнологии и геоэкология, литосфера и
геотехника» (2003 г.) и «Повышение эффективности использования автотракторной и сельскохозяйственной техники» (2005 г,), проводимых Пензенской ГСХА.
Публикации. Основные положения данной диссертации опубликованы в 9 печатных работах (в т.ч. 1 патент) общим объемом 2,59 п.л., из них 1,33 п.л. принадлежат лично соискателю.
Структура и объем работы. Диссертация изложена на 220 страницах, состоит из введения, пяти разделов, общих выводов по работе, списка литературы и приложений, содержит 15 таблиц и 75 рисунков. Список литературы включает в себя 129 наименований, из них 5 на иностранных языках.
Эксплуатационные факторы и их влияние на содержание вредных веществ в отработавших газах
Исследования, проведенные ГОСНИТИ, НАТИ, НИИАТ и ИКТП, показывают, что уровень токсичности и дымности ОГ тракторных и автомобильных дизелей зависят от состояния и регулировок двигателя и топливной аппаратуры, величины противодавления на выпуске и разрежения на впуске, качества дизельного топлива, состояния системы охлаждения [2,54].
На практике очень часто на выбросы вредных веществ с ОГ влияет техническое состояние двигателя, например, в дизелях любая неисправность элементов системы топливоподачи повышает дымность отработавших газов (табл. 1.4) [20]. К подобным неисправностям относятся: закоксование сопловых отверстий и деформация топливных струй, неравномерность цикловой подачи по цилиндрам, нарушение герметичности в топливопроводах, уменьшение давления начала открытия иглы форсунки. Так увеличение цикловой подачи сверх номинальной на 25% повышает дымность ОГ на 40%. В результате естественного износа деталей топливной аппаратуры к предельному ресурсу двигателя, расход топлива увеличивается на 8-10%, а дымность на 20-30% [109]. Рассмотрим более подробно результаты исследований, проводимых рядом ученых.
Так при задержке впрыска топлива достигается 10%-е снижение выбросов NO при дополнительном 2%-ом увеличении расхода топлива. Многие двигателестроительные фирмы применяют способ регулирования начала впрыскивания топлива в качестве основного способа снижения количества NOx, путем улучшения стабильности работы муфты опережения впрыска топлива. При снижении угла опережения впрыскивания топлива от 28 до 22 градусов содержание NOx снижается на 50-60%, количество СО почти не изменяется [119].
Для изменения угла опережения подачи топлива применяются также адаптивные системы управления. Примером этому является система изменения начала подачи топлива, как функция величины подачи, осуществляемая посредством скошенных кромок верхнего торца плунжера топливного насоса высокого давления (ТНВД).
МГТУ имени Баумана предложен топливный насос высокого давления с автоматическим регулированием угла опережения подачи топлива в зависимости от давления наддува, показавший при испытаниях высокую эффективность. Эта система создавалась с целью, снижения эмиссии оксидов азота тракторного дизеля.
К числу перспективных систем управления процессом топливоподачи следует отнести электронные топливные системы и цифровые адаптивные системы дизелей. В частности, аккумуляторная топливная система с электрогидравлической форсункой, топливная система с импульсными источниками питания, включают микропроцессор, управляющий давлением топливоподачи и электромагнитным клапаном, управляющим в свою очередь началом и концом топливоподачи.
Очень высокая точность может быть достигнута за счет управления началом впрыскивания непосредственно через форсунку при использовании датчика перемещения игольчатого клапана (управление началом впрыскивания топлива). Топливо, попадающее в камеру сгорания после окончания процесса сгорания, будет поступать непосредственно в выпускную систему, в несгоревшем виде повышая уровень выбросов углеводородов в ОГ. Для предотвращения этого явления объем топлива между посадочным отверстием форсунки и распылительным наконечником должен быть минимальным. Необходимо также исключить подтекание топлива из форсунки и позднее впрыскивание [39,42].
Из вышеизложенного можно сделать вывод, что снижение токсичности и дымности отработавших газов дизелей можно достичь только при своевременном техническом обслуживании эксплуатируемой техники.
Методы экспериментального исследования процессов в системе рециркуляции
При анализе состояния проблемы, выборе основных направлений исследования сформированы следующие задачи экспериментального исследования:
1. Провести индицирование рабочего процесса цилиндра дизеля 44 11/12,5 с помощью измерительно-вычислительного комплекса (ИВК) с интерфейсом КАМАК, оценить основные показатели рабочего процесса на испытательном лабораторном стенде с нагрузочным устройством.
2. Осуществить измерение основных технических, экономических и токсических показателей и статических характеристик дизеля с СРЦ ОГ, при работе дизеля на скоростных и нагрузочных режимах на испытательном лабораторном стенде с нагрузочным устройством.
3. Измерить основные показатели и характеристики потока ОГ дизеля в элементах системы рециркуляции ОГ дизеля: перепад газодинамического давления, расходы и локальные скорости закрученного потока ОГ, концентрации токсичных компонентов и сажи вОГ(СО,СН,Шхидр.).
В различных эксплуатационных условиях измерить с помощью оригинального прибора "режимомера" основные статистические параметры и характеристики их распределения для основных эксплуатационных режимов работы машинно-тракторного агрегата на базе МТЗ-80/82.
При проведении экспериментальных исследований систем снижения токсичности особое внимание необходимо уделять точности проведения исследований, выработке системного подхода к комплексу необходимых тестов, математической обработке получаемых результатов с использованием современных средств, программного обеспечения.
Такой подход позволяет правильно осуществить оценку эффективности технических мероприятий и любых изменений в системе на эффективность изучаемой системы. Работа дизеля с системой рециркуляции ОГ характеризуется сложными процессами его взаимодействия с внешней средой и процессами влияния системы рециркуляции на основные показатели дизеля, взаимным влиянием процессов в широком диапазоне режимов, определяемых конкретными условиями эксплуатации.
Исследования необходимы: для опытного определения конструктивных и эксплуатационных свойств системы рециркуляции в составе дизеля и машинно-тракторного агрегата; для научного исследования и установления новых закономерностей, характеризующихся объективностью и их воспроизводимостью.
Функциональные качества машинно-тракторного агрегата на базе МТЗ-80/82 с дизелем 44 11/12,5, оборудованным системой рециркуляции отработавших газов могут рассматриваться, как сумма отдельных взаимосвязанных эксплуатационных свойств: тягово-скоростных, топливно экономических, прочностных, токсических и др. Поэтому, для повышения эффективности и успешного решения задач диссертации, исследования дизеля с СРЦ ОГ должны быть комплексными. При этом образовывать целенаправленную систему, опирающуюся на научно-обоснованные методы, и оснащенные необходимым оборудованием.
Исследования проводили с целью углубленного изучения конструкции и характеристик эксплуатационных свойств дизеля, оснащенного системой рециркуляции, а также процессов взаимодействия с внешней средой, для нахождения оптимальных решений. К ним следует отнести исследования скоростных, нагрузочных и тепловых режимов дизеля с СРЦ ОГ; факторов, способствующих снижению токсичности дизеля и др. Использование необходимых измерительных приборов при решении основных задач, определяется следующими условиями: оценка теплового состояния системы рециркуляции отработавших газов; необходимость сравнения полученных результатов эксперимента с теоретическими результатами аналитических расчетов для оценки их точности и адекватности; выявление новых явлений и зависимостей между переменными изучаемых процессов, происходящих в дизеле 44 11/12,5 с системой рециркуляции ОГ, для их объяснения и моделирования.
Рабочий процесс дизеля экспериментально исследуется на основе метода индицирования цилиндра. Индикаторная диаграмма дизеля используется для формирования математических моделей динамики тепловыделения и изменения температуры рабочей смеси в цилиндре дизеля, которые используются в задачах химической кинетики, исследования образования оксидов азота на основе метода моделирования.
Движение газодинамического потока отработавших газов в элементах системы рециркуляции
Математические модели газодинамического рециркулируемого закрученного потока ОГ в каналах исследуемой конструкции СРЦ дизеля 44 11/12,5 необходимы для оценки: траекторий и особенностей движения частиц сажи за закручивающим устройством перед сажевым фильтром в системе рециркуляции [4,32]; величин местных газодинамических сопротивлений движению закрученного рециркулируемого потока в каналах (в зонах) системы рециркуляции [82]; величин локальных коэффициентов конвективной теплоотдачи от закрученного потока ОГ в каналах системы рециркуляции [127].
Потери энергии газодинамического потока, обусловленные силами трения при движении газодинамического потока внутри каждой из і - ой зон устройства рециркуляции (рис.3.2), описываются ММ на основе уравнений балансов газодинамических и тепловых потоков[96]: q( = О, ZG( = 0, (3.39) где Gj - средние значения расхода газодинамического потока в і - м участке газодинамической цепи; qf - средние значения тепловых потоков по і - ой поверхности (зоне) на функциональной схеме (рис.3.2).
Исходные математические модели для і - го участка гидравлической цепи наиболее точно представляются фундаментальным уравнением газовой динамики (Навье-Стокса) [60,125]: р dW/ dt =К + grad(p) - ju- div(W)2, (3.40) где W— локальная скорость потока ОГ, м/с; К - потенциальные силы; р - давление, МПа; у. - коэффициент динамической вязкости потока ОГ, м2/с; div = (f/дх +д2/dy + /dz2- математический оператор.
Вследствие деформации слоев газодинамического потока ОГ внутри рассматриваемых зон, при их движении с различными скоростями (например, в пограничном слое и в центре канала) наблюдается диссипация энергии с образованием потоков тепла. Интенсивность таких источников тепла (0 определяется уравнением [6,92]; Q = Dis = p (2((dwjdx)2 + (dw/ду)2 + (dwjdz)2) + (dw/ду + dw/дх)2 + +((dw/dz + dw/дх)2 + (dw/dz +dw/ду)2- 2/3div(lV)2) . (3.41)
Аналитическое решение уравнений (3.40) и (3.41) возможно только при задании простейших граничных условий. Наиболее точные их решения возможны и с использованием уравнения теплопередачи.
Граничные условия для решения уравнения движения газодинамического потока по следующим зависимостям: на внутренних стенках каждого из каналов устройства W = 0 (движение потока отсутствует); во входном и выходном поперечном сечении канала устройства для каждой из его точек (сделано допущения) Wex = Wj =comt, Webix = W2 =const.
При исследовании СРЦ ОГ газодинамические и тепловые процессы необходимо учитывать в первую очередь и, по возможности, совместно.
Тепловая схема описывает тепловые потоки, отводимые от рассматриваемых зон устройства. Отводимый поток тепла от каждого і - го рассматриваемого канала на схеме обозначен qt. Величина суммарного теплового потока, отводимого от устройства, рассматривается, как сумма тепловых потоков, отводимых от каждой из его зон, и вызывает снижение температуры Тгог отработавших газов на выходе устройства, в сравнении с их температурой на входе - Тіог.
Величина диссипации механической энергии газодинамического потока ОГ внутри системы рециркуляции существенно зависит от вязкости отработавших газов, температуры, конструктивных и режимных параметров исследуемых узлов СРЦ [128]. Поэтому, при моделировании систем рециркуляции, необходимо учитывать вязкостно-температурные зависимости и другие показатели отработавших газов.
Определение параметров закрученного газодинамического потока ОГ и формирование ММ его движения в элементах системы рециркуляции производится с целью описания изменения эпюр локальных скоростей потока по радиусу и оси потока. Они необходимы для оценки величины сил, действующих на частицы сажи в закрученной струе отработавших газов, для моделирования траекторий и динамики их движения, для точной оценки величины газодинамического сопротивления трения движению потока ОГ в каналах системы рециркуляции [65].
Конструкция исследуемой СРЦ устанавливается непосредственно на выпускном коллекторе дизеля. При турбулентном течении в трубе и малой длине начального участка трубы до системы рециркуляции (меньше 120...130 диаметров трубы) установившееся стабилизированное течение потока ОГ невозмолшо [15]. Поэтому используем ММ теории пограничного слоя для нестабилизированного турбулентного течения [106,108,123].
В основном, каналы внутри СРЦ имеют форму осесимметричной трубы обычного или кольцевого сечения. Поэтому, за основу разрабатываемых математических моделей газодинамических процессов в СРЦ и методик их исследования приняты математические модели и методики работы [32], описывающие закрученные газодинамические потоки.
Результаты исследования особенностей распределения и неравномерности потока отработавших газов в зоне за закручивающим устройством системы рециркуляции
Согласно разделу 3.2.2 была разработана ММ газодинамического сопротивления трения на основе применения теории пограничного слоя, позволившая оценить параметры рециркуляционного потока ОГ (см. приложение 3), проходящего через систему рециркуляции и поступающего во впускной трубопровод дизеля.
Полное газодинамическое сопротивление СРЦ определялось местными газодинамическими сопротивлениями в зависимости от конструктивных параметров элементов системы рециркуляции. Анализ рис. 4.11 показывает, что наибольшим газодинамическим сопротивлением обладает буферная зона БЗг (рис. 3.2), расположенная за клапаном рециркуляции. На рис. 4.12 представлены кривые изменения числа Рейнольдса Re и скорости в пограничном слое W.
Анализ показывает, что изменение толщины пограничного слоя имеет прямолинейный характер. На основании данных об изменении пограничного слоя был произведен расчет остальных характеристик. В частности, были определены местный и средний коэффициенты сопротивлений, а по ним и величина абсолютного давления потока ОГ на выходе из системы рециркуляции (рис. 4.14).
Динамика движения частиц сажи в рециркулируемом потоке ОГ внутри каналов системы рециркуляции оценивалась по результатам математического моделирования на основе разработанной ММ, представленной в разделе 3.3.4. Интегрирование дифференциальных уравнений с обыкновенными производными математической модели движения частицы сажи в потоке ОГ осуществлялось на основе численного метода вычислительной математики - метода Рунге-Кутты. Моделирование производилось на ПЭВМ «Pentium IV». Исходные данные для моделирования, параметры ММ, начальные условия и параметры интегрирования и текст прикладной программы для моделирования приведены в приложении 4.
Закономерности закрученного потока, распределение локальных скоростей в закрученной струе определяются параметром закрутки F [32]. При F 0,5 выделяют слабо закрученный поток, а при F 0,5 - сильно закрученный поток. Слабо и сильно закрученные потоки газа требуют применения различных методов исследования.
Из анализа математической модели для параметра закрутки видно, что параметр закрутки F зависит от угла установки лопаток ЗУ, отношения диаметров втулки df, и сопла d ЗУ, шага и хорды лопаток. Степень влияния каждого из перечисленных факторов оценивалась численным исследованием этих функциональных зависимостей, а результаты представлены на рис. 4.15 в виде графика расчетной зависимости параметра закрутки F ЗУ исследуемой СРЦ от угла поворота лопаток ф и относительного диаметра внутренней втулки df/d.
Изменение параметра закрутки F ЗУ от угла ф поворота лопаток ЗУ и отношения его диаметров втулки dh и сопла d
Из графика на рис. 4.15 видно, что при изменении угла установки лопаток ф от 0 до 80, параметр закрутки F возрастает от 0 до 2,2. Изменение угла установки лопаток на 1 град, в интервале от 0 до 40 обеспечивает почти линейный прирост параметра закрутки F. С увеличением угла ф на величину более чем на 40, закономерность изменения параметра закрутки F нелинейная, а его рост существенно увеличивается в 2..3 раза. Отношение диаметра втулки к диаметру сопла ЗУ df/d слабее влияет на показатель F. Так при фиксированном значении угла установки лопаток, изменение значений df/d в интервале 0...0,7, приводит к увеличению параметра закрутки F на 30%. Параметр закрутки равный 0,5 соответствует углам установки лопаток ф, принимающим значения в интервале от 23 до 32.
С изменением угла установки лопаток ЗУ, кроме параметра закрутки F изменяется и параметр Q- (s-c), связывающий угол отставания 0, шаг s и хорду с лопаток. Графики зависимостей параметра закрутки F, относительного угла отставания 0 потока ОГ за закручивающим устройством от угла установки лопаток ф приведены на рис. 4.16 и рис. 4.17.
При анализе графиков на рис. 4.18 видно, что: для значения угла установки лопаток ($=30, параметр закрутки F равен 0,35; значение относительного параметра угла отставания потока Q/l(H(s-c) равно 1,5. Поэтому, по представленным выше графикам (рис. 4.16, рис. 4.17, рис. 4.18), при заданном значении угла установки лопаток, можно определить значение произведения s-c, которое отражает конструктивные размеры лопаточного закручивающего устройства с осевым подводом потока газа. Таким образом, они позволяют оценить конструктивные параметры закручивающего устройства СРЦ ОГ для любых значений углов установки его лопаток.
Анализ разработанной ММ движения частицы сажи в закрученном рециркуляционном потоке ОГ показал, что на динамику движения частицы сажи и форму её траектории движения, кроме угла установки лопаток закручивающего устройства, существенное влияние оказывают следующие параметры: масса частицы сажи; плотность отработавших газов (в зависимости от температуры); величина расхода рециркулируемого потока ОГ, зависящая от настроек системы рециркуляции, а именно расположения регулируемого клапана (степени рециркуляции ОГ).
Поэтому, при исследовании ММ динамики движения частицы сажи в закрученном потоке ОГ за ЗУ системы рециркуляции, варьирование параметров математических моделей производилось в следующих диапазонах: диаметр частицы сажи изменялся в интервале от 0 до 10 мкм; угол установки лопаток ЗУ составлял 10, 20 и 30; коэффициент степени рециркуляции: Кг = 10%; 20%; 30%; плотность ОГ уменьшалась в два раза (для "холодных").
