Содержание к диссертации
Введение
1. Показатели качества и известные модели процессов смесеобразования и сгорания в дизеле . 17
1.1. Принципы организации и показатели качества смесеобразования и сгорания 17
1.2. Модели процесса распада топливной струи 25
1.2.1. Роль процесса распада топливной струи и разнообразие представлений о н ем 25
1.2.2. Распад струи как результат развития поверхностных колебаний 27
1.2.3. Распад струи как результат кавитации в сопловом канале 30
1.2.4. Распад струи как результат развития турбулентности потока 32
1.2.5. Общая оценка моделей распада топливной струи 39
1.3. Модели структуры и движения топливной струи 42
1.3.1. Классификация моделей топливной струи 42
1.3.2. Топливная струя - совокупность взаимодействующих капель («зонные» модели) 44
1.3.3. Топливная струя - совокупность порций капель, обменивающихся количеством движения с газом 51
1.3.4. Топливная струя - часть свободной стационарной затопленной турбулентной струи 53
1.3.5. Топливная струя - нестационарная двухфазная турбулентная струя 54
1.3.6. Общая оценка известных моделей структуры и движения топливной струи 61
1.4. Модели испарения и горения топлива 63
1.4.1. Классификация моделей испарения и горения 63
1.4.2. Модели, интегрально описывающие рабочее тело без учета характеристики топливоподачи 64
1.4.3. Модели, интегрально описывающие рабочее тело с учетом характеристики топливоподачи 66
1.4.4. Модели, описывающие структуру рабочего тела 70
1.4.5. Общая оценка известных моделей испарения и горения топлива в дизеле . 80
1.5. Формулирование проблемы, постановка цели и задач работы 83
2. Теоретические основы математического моделирования процессов смесеобразования и сгорания 90
2.1. Принципы моделирования смесеобразования и сгорания 90
2.2. Процесе распада топливной струи 97
2.2.1. Физическая картина распада струи 97
2.2.2. Допущения, принятые при моделировании распада струи 100
2.2.3. Методика расчета распада струи 103
2.3. Структура и динамика движения топливной струи 106
2.3.1. Вербальная модель топливной струи 106
2.3.2. Требования к математической модели топливной струи 109
2.3.3. Допущения, принятые при математическом моделировании движения струи ПО
2.3.4. Математическая модель движения свободной струи 115
2.3.5. Математическая модель взаимодействия струи со стенками камеры сгорания 122
2.4. Локальные процессы испарения топлива и воспламенения горючей смеси 126
2.4.1. Задачи моделирования испарения и воспламенения 126
2.4.2. Математическая модель испарения топлива 128
2.4.3. Учет теплового и цепного ускорений предпламенных реакций при расчете воспламенения 137
2.4.4. Учет локальных концентраций реагентов при расчете воспламенения 143
2.5. Локальные процессы горения топлива и образования окиси азота 152
2.5.1. Требования к математической модели горения в дизеле 152
2.5.2. Анализ физико-химических основ расчета горения 153
2.5.3. Разработка кинетической модели горения топлива 157
2.5.4. Моделирование процесса образования окиси азота 173
2.6. Выводы по разделу 183
3. Методы и средства физического моделирования процессов смесеобразования и сгорания 189
3.1. Метод исследования распределения массы топлива и скорости его движения по длине струи 189
3.2. Метод исследования распределения скорости движения газовой фазы по длине топливной струи 201
3.3. Методы исследования распределения параметров свободной топливной струи в ее поперечном сечении 211
3.4. Методы исследования характеристик топливной струи при взаимодействии со стенками камеры сгорания и потоками заряда цилиндра 220
3.5. Метод анализа рабочего процесса дизеля по индикаторным диаграммам 230
3.6. Выводы по разделу 235
4 Проверка адекватности моделирования и исследование процессов топливоподачи, смесеобразования и сгорания 242
4.1. Распределение масс и скоростей движения компонентов топливной струи по ее длине 242
4.2. Распределение параметров топливной струи в ее поперечном сечении 249
4.3. Распределение масс и скоростей движения в пристенной струе 256
4.4. Процессы топливоподачи, смесеобразования и сгорания в условиях реального двигателя 267
4.5. Выводы по разделу 276
5 Методы и средства повышения качества смесеобразования и сгорания в судовых среднеоборотных дизелях 282
5.1. Система критериев качества смесеобразования и сгорания в дизеле, методы повышения качества 282
5.2. Программа расчета процессов топливоподачи, смесеобразования и сгорания 287
5.3.Результаты расчетно-экспериментального согласования конструктивных и регулировочных параметров дизеля 290
5.3.1. Расчетно-экспериментальный выбор параметров топливной аппаратуры и камеры сгорания для дизеля типа ЧН 30/38 290
5.3.2. Расчетный выбор параметров камеры сгорания для дизеля типа ЧН 30/38 300
5.3.3. Расчетно-экспериментальный выбор параметров топливной аппаратуры и камеры сгорания для дизеля типа ЧН 26/26 303
5.4. Выводы по разделу. Рекомендации к выбору параметров топливной аппаратуры и камеры сгорания дизеля 308
Заключение 316
Список использованных источников 324
Приложения 341
- Модели процесса распада топливной струи
- Структура и динамика движения топливной струи
- Метод исследования распределения скорости движения газовой фазы по длине топливной струи
- Распределение параметров топливной струи в ее поперечном сечении
Введение к работе
На заседании Правительства Российской Федерации, состоявшемся 10 июня 2003 г., рассмотрен вопрос "О комплексе мер по развитию машиностроения". Из материалов заседания следует необходимость решения актуальной хозяйственной проблемы повышения технического уровня и конкурентоспособности машиностроительной продукции, обеспечения ее соответствия отечественным и международным стандартам. Ряд заводов отрасли двигателестроения, в том числе заводы, производящие судовые среднеоборотные дизели, сосредоточили свои усилия на разработке новых и модификации выпускающихся двигателей, которые будут отвечать современным, непрерывно возрастающим требованиям к их технико-экономическим и экологическим показателям.
Одним из важнейших путей решения указанной проблемы является повышение качества смесеобразования и сгорания в дизеле. Это обстоятельство обусловило выбор темы диссертации.
Для повышение качества смесеобразования и сгорания на практике в основном применяют метод трудоемкой и дорогостоящей доводки рабочего процесса на испытательном стенде завода, в ходе которой варьируют те или иные параметры топливной аппаратуры (ТА) и камеры сгорания (КС). Решения зачастую принимают по интуиции, методом проб и ошибок, без достаточно ясного понимания сущности происходящих в дизеле процессов, базирующегося на устаревших знаниях, без "локального" рассмотрения процессов, без ориентиров в виде некоторых критериев их качества и без предварительной количественной оценки. При этом не всегда достигают наилучшего результата согласования параметров дизеля.
Разработка действенных средств выполнения указанной важной работы возможна на основе решения научной проблемы, которой посвящено данное исследование. Проблема состоит в получении новых научных знаний о явлении и сущности процессов смесеобразования и сгорания в дизеле, в разработке научно обоснованной математической модели этих процессов, критериев их качества, методов и средств повышения качества, необходимых для решения важной хозяйственной и социальной задачи применения энергосберегающих и экологически чистых технологий в транспортной энергетике.
Из оценки существующего подхода к решению обсуждаемой практической задачи и формулировки научной проблемы следует, что объектом исследования должны быть локальные процессы объемного смесеобразования и сгорания топлива в судовых среднеоборотных дизелях. В качестве предмета исследования принята организация целенаправленного воздействия на локальные процессы смесеобразования и сгорания при проектировании и эксплуатации дизелей.
В рамках обозначенной научной проблемы с учетом предмета и объекта исследования определена следующая цель диссертационной работы: развитие теоретических основ математического и физического моделирования смесеобразования и сгорания в судовом дизеле, разработка методов использования моделирования при согласовании параметров топливной аппаратуры, камеры сгорания и заряда цилиндра, которое обеспечивает повышение топливной экономичности, надежности и экологических показателей дизеля.
Известно, что в изучаемом комплексе процессов ключевая роль принадлежит смесеобразованию, определяющему показатели сгорания топлива и, в конечном счете, показатели работы дизеля. Из опыта следует, что проблема организации рационального смесеобразования начинается с отсутствия общепризнанного критерия его качества. Исследователями предложены весьма разнообразные критерии, которые носят частный характер. Каждый из них бесспорно отражает некоторые существенные свойства смесеобразования. Это способствует адекватному представлению о процессе и частично может решить проблему его рациональной организации. Однако встает вопрос, какой из критериев выбрать? Необходимость выбора побуждает выдвинуть гипотезу о возможности формирования и использования системы критериев качества смесеобразования. Ожидается, что такая система критериев поможет повысить эффективность работ по организации процесса.
Для достижения поставленной цели диссертационной работы с учетом результатов анализа использующихся на практике показателей качества и известных моделей процессов смесеобразования и сгорания поставлены следующие основные задачи:
1. Уточнить теоретические основы математического моделирования и разработать математические модели локальных процессов смесеобразования и сгорания в дизеле;
2. Разработать методы и средства физического моделирования локальных процессов смесеобразования;
3. Проверить адекватность математических моделей и исследовать с их помощью процессы топливоподачи, смесеобразования и сгорания;
4. Разработать методы и средства повышения качества смесеобразования и сгорания в судовых дизелях, предложив систему критериев качества;
5. Разработать практические рекомендации по повышению качества смесеобразования и сгорания в судовых среднеоборотных дизелях.
В качестве методологической базы исследования трудно выделить какую-либо одну работу. В той или иной степени использованы концепции и отдельные решения Р.З. Кавтарадзе, Т. Камимото, О.Н. Лебедева, Б.П. Пугачева, А.С. Пунды, Н.Ф. Разлейцева, Ю.Б. Свиридова и других авторов.
Применен системный подход, в соответствии с которым процессы смесеобразования и сгорания представлены как система. Важным аспектом работы является анализ связей элементов системы.
Ввиду разнообразия моделируемых процессов в исследовании применен комплексный подход к изучению явлений, который предусматривает использование в рамках решения одной задачи средств, предоставляемых различными дисциплинами и научными направлениями.
В работе применен широкий набор общих методов научного познания: методы теоретического и эмпирического исследования, методы, используемые как на теоретическом, так и на эмпирическом уровне (абстрагирование, анализ, синтез, моделирование). Использованы также специальные методы. На защиту выносятся:
- математические модели процессов смесеобразования и сгорания в дизеле, отличающиеся локальностью описания процессов и содержащие ряд новых теоретических решений;
- комплекс методов и средств физического моделирования локальных процессов смесеобразования в дизеле;
- новые научные факты, относящиеся к локальным процессам смесеобразования, позволяющие уточнить представления о внутрицилиндровых процессах в дизеле и идентифицировать параметры математических моделей;
- методы повышения качества смесеобразования и сгорания в судовом дизеле, основанные на использовании сочетания средств физического и математического моделирования локальных внутрицилиндровых процессов и иерархической системы критериев качества смесеобразования;
- результаты повышения качества смесеобразования и сгорания в различных модификациях судовых дизелей типов ЧН 30/38 и ЧН 26/26 за счет согласования параметров ТА и КС, практические рекомендации к согласованию параметров дизелей.
Научная новизна работы заключается в решении сформулированной выше научной проблемы. В рамках этого решения получены новые научные результаты:
а) Разработана система содержащих новые теоретические решения математических моделей распыливания топлива, движения топливной струи, ее взаимодействия со стенками КС, испарения топлива, предпламенных процессов и процессов горения в дизеле. Основными отличительными свойствами моделей являются локальность описания процессов, подтвержденность адекватности моделирования обширными экспериментальными исследованиями и приемлемый уровень сложности, обеспечивающий требуемое быстродействие программы расчета при решении инженерных задач;
б) При разработке математических моделей впервые теоретически обоснованы взаимодействие "турбулентного" и "кавитационного" механизмов распада топливной струи, обоснован характер изменения линейной массы и скорости движения жидкого топлива по длине импульсной струи дизельной форсунки. Для расчета взаимодействия топливной струи со стенками КС дизеля предложено использовать метод конформных отображений.
Впервые в расчете самовоспламенения топливовоздушной смеси в дизеле наряду с тепловым ускорением учтено цепное ускорение предпламенных реакций. При этом также впервые учтена концентрационная неоднородность смеси.
Предложена кинетическая модель двухстадийного горения топлива с образованием основных промежуточных и конечных продуктов. Предварительная оценка констант кинетических уравнений модели горения осуществлена с использованием уточненного автором выражения связи между энергией активации и тепловым эффектом химических реакций (уточненного правила Поляни-Семенова);
в) Теоретически обоснован и разработан комплекс новых методов физического моделирования смесеобразования. В состав комплекса входят методы экспериментального исследования: 1) распределения массы распыленного топлива по длине импульсной струи; 2) изменения скоростей движения капельного топлива и спутного потока газа по длине импульсной струи; 3) распределения локальных расходов топлива в поперечном сечении струи; 4) распределения локальных скоростей газовой фазы топливной струи в ее поперечном сечении; 5) распределения массы и скорости движения топлива в пристенной струе; 6) влияния радиальных потоков в камере сгорания на развитие топливной струи;
г) Путем использования перечисленных методов впервые получены экспериментальные характеристики изменения линейной массы топлива по длине импульсной струи в любой момент ее развития. Получены новые уточненные данные об изменении скоростей движения топлива и спутного потока газа по длине импульсной струи, а также о распределении массы топлива в пристенном слое в процессе взаимодействия топливной струи со стенкой КС. Уточнены профили расхода топлива и скорости движения спутного потока газа в поперечном сечении стационарной топливной струи.
В указанных экспериментальных исследованиях установлены новые научные факты:
- обнаружено, что в процессе развития топливной струи вопреки известной "зонно-трассовой" модели не происходит необратимого накапливания массы топлива в зоне фронта струи;
- выявлены и описаны количественно существенно различающиеся по характеристикам два участка движения жидкого топлива в струе -начальный и основной. На начальном участке, занимающем значительную часть пространства КС, разность скоростей жидкого топлива и спутного потока газа столь велика, что широко распространенное допущение об их равенстве, принимаемое при математическом моделировании, не может быть оправдано;
- выяснено, что характеристики распыливания топлива форсункой оказывают существенное влияние на профиль скорости спутного потока газа в поперечном сечении струи;
- установлено, что распределение массы топлива по различным направлениям от точки встречи струи со стенкой КС зависит в основном от угла между осью соплового отверстия и поверхностью стенки. Влиянием других факторов можно пренебречь.
С учетом установленных научных фактов уточнены представления о процессах смесеобразования и сгорания в дизеле. д) На основании обнаруженного в экспериментах совпадения графиков перемещения фронта пламени и соответствующей элементарной порции топлива в струе сделан вывод о том, что распространение пламени в условиях дизеля происходит преимущественно за счет движения горючей смеси, сопровождаемого конвективным тепломассообменом между ее компонентами, т.е. происходит при определяющей роли диффузионного механизма распространения пламени;
е) Объяснены причины противоречивого влияния характеристики впрыскивания топлива и параметров КС на топливную экономичность дизеля и эмиссию наиболее токсичного компонента продуктов сгорания - окислов азота NOx. Предложен принцип поиска компромиссных решений, в соответствии с которым следует добиваться, с одной стороны, своевременного использования воздуха между топливными струями и на периферии КС для эффективного сгорания топлива, с другой стороны, уменьшения неравномерности распределения топливовоздушной смеси по объему КС (особенно в период действия высоких температур в цилиндре) для снижения скорости образования окиси азота.
ж) Для повышения качества смесеобразования и сгорания в дизеле предложена совокупность методов математического и физического моделирования топливоподачи и элементарных внутрицилиндровых процессов, промежуточных и завершающих стадий протекания комплекса этих процессов.
Предложено использовать иерархическую систему критериев качества смесеобразования, состоящую из генерального критерия - удельного индикаторного расхода топлива в дизеле и ряда частных критериев, непосредственно характеризующих смесеобразование и применяющихся в определенной последовательности.
Практическую ценность представляет собой разработанный комплекс методов повышения качества смесеобразования и сгорания в дизеле за счет согласования конструктивных и регулировочных параметров ТА, КС и заряда цилиндра. Использование этих методов позволяет решить задачу обеспечения максимальной топливной экономичности дизеля при ограничении его тепломеханической напряженности и токсичности отработавших газов. При этом достигается существенное сокращение стоимости и сроков доводки рабочего процесса дизеля. Определены общие принципы согласования указанных параметров дизеля, а также даны конкретные рекомендации к согласованию параметров применительно к различным модификациям судовых дизелей ЧН 30/38 и ЧН 26/26.
Ряд научно обоснованных решений защищены четырьмя авторскими свидетельствами. В приложениях к тексту диссертации помещены копии актов об использовании результатов диссертации в промышленности, научных институтах и высших учебных заведениях.
Модели процесса распада топливной струи
Распад топливной струи, являясь исходным процессом смесеобразования, оказывает существенной влияние на все последующие внутрицилиндровые процессы.
Систематическое изучение распыливания топлива началось в 30-е годы прошлого столетия. Достижения тех лет в полной мере характеризуют работы А. Генлейна, К. Вебера, О. Гольфельдера, Д.У. Ли, Р. Спенсера, П.К. Швейцера, О. Клюзенера и др. Сравнительно недавние и современные исследования выполнены В.А. Кутовым, М.Н. Кухаревым, А.С., Лышевским, И.В. Астаховым, В. И. Трусовым, Л.М. Рябикиным, О.Н. Лебедевым, С. Н. Чирковым, С.А. Скоморовским, Р.А. Гафуровым, Г.А. Глебовым и другими. Однако чрезвычайно сложный комплекс явлений, сопровождающих процесс распыливания топлива в дизеле, до сих пор затрудняет создание общепринятой теории этого процесса.
При изучении результатов выполненных исследований, необходимо различать термины "распад струи" и "распыливание топлива". К сожалению, в литературе отсутствует достаточно четкое определение этих терминов и строгое объяснение различий между ними. Некоторые современные исследователи [161] полагают, что "переход кавитационного распада потока в распыливание можно физически интерпретировать как проявление предельного режима механизма перемещающейся кавитации ...", при котором в результате схлопывания каверн в сопловом канале возникает переход "из режима интенсивно кавитирующего течения в двухфазную систему (мелкодисперсное топливо + пары топлива)". Встречаются указания на невозможность четкого определения границы между различными формами распада [170].
Факт неопределенности в терминах уже сам по себе может свидетельствовать об отсутствии общепринятого понимания физики рассматриваемого процесса. Изучив современные достижения в области теории распада, предстоит освободиться от указанной неопределенности.Подробный анализ опубликованных работ был изложен автором ранее [189]. Ниже приведем его основные результаты.
Качество распыливания традиционно характеризуется его тонкостью и однородностью [170]. Важно организовать процесс распада струи так, чтобы получить высокое качество распыливания на всех стадиях впрыскивания, включая начальную и заключительную, когда имеет место низкий уровень давления топлива перед соплом.
При объемном смесеобразовании, как известно, топливо частично попадает на стенку. Близость стенки к соплу форсунки оказывает существенное влияние на все внутрицилиндровые процессы [133, 183, 299, 303]. Какое количество топлива и в каком виде (жидкость, пар) достигает стенки - зависит от многих факторов, в частности, от режима истечения и качества распыливания топлива.Учитывая существенность роли распада топливной струи в процессах смесеобразования, необходимо рассмотреть известные результаты соответствующих исследований. Их анализ должен показать какую модель распада следует принять за основу при разработке методики расчета показателей качества распыливания топлива, которая могла бы стать составной частью комплекса средств обеспечения высококачественного смесеобразования и сгорания в дизеле.
В соответствии с многочисленными наблюдениями в число явлений, вызывающих и сопровождающих распад, входят и колебания поверхности сплошной струи, вызванных различного рода возмущениями, и турбулентность потока, и кавитация в сопловом канале. Как правило, признавая наличие перечисленных явлений, авторы расходятся во мнении о том, какое из них следует считать определяющим. Это обстоятельство стало причиной существенных различий в способах количественной оценки качества распыливания. Известные модели распада струи можно условно разделить на три группы, в которых распад струи рассматривается как результат: 1) развития поверхностных колебаний; 2) кавитации в сопловом канале; 3) развития турбулентности потока. Заметим, что предложенное деление моделей в некоторой степени условно. Дело в том, что во многих работах решающая роль отводится комбинации перечисленных процессов.
В ходе анализа известных моделей предстоит оценить обоснованность допущений моделей, возможность их использования для количественной оценки качества распыливания и для определения вектора скорости частицы топлива в момент ее образования.
В общих чертах авторами представляется следующая картина распада. Поверхность струи, выходящей из соплового отверстия, подвергается малым возмущениям. Эти возмущения возникают вследствие колебаний сопла, отклонений его от правильной круглой формы, шероховатости поверхности соплового канала, наличия в струе твердых частиц и пузырьков воздуха, вихревого движения жидкости и т.д. В результате на поверхности струи возникают волновые колебания, амплитуда которых в процессе распространения волны может возрастать. При малых скоростях истечения имеет место осесимметричная форма колебаний. По мере увеличения скорости существенное влияние на поведение струи оказывает сопротивление окружающего воздуха. По достижении некоторой скорости истечения струя приобретает искривленную волнообразную форму. Сторонники рассматриваемых моделей считают непременным наличие на выходе из сопла сплошного участка нераспавшейся струи. Распад происходит под действием сил инерции, сил поверхностного натяжения жидкости и динамического влияния окружающей среды. Размер образующейся при распаде капли соответствует длине волны неустойчивого колебания поверхности.
В результате теоретических исследований устойчивости и распада жидких струй А.С. Лышевский [166] записал уравнение, устанавливающее связь между частотой колебаний и параметрами, которые определяют характер развития колебаний. Однако его решение относительно частоты колебаний в общем виде не может быть получено. Решение этого уравнения дано для некоторых частных случаев - либо для очень малых скоростей истечения топлива (при этом, очевидно, не может быть учтено влияние на процесс окружающей среды), либо для невязкой жидкости.
Предпринята попытка решить задачу распада струи для наиболее сложных условий - с учетом влияния на параметры движения сил вязкости, инерции, поверхностного натяжения, а также влияния окружающей среды. В ходе решения получается сложное трансцендентное уравнение, исследование которого в общем случае невозможно. Автор ограничился его анализом лишь для некоторых частных случаев. Наиболее важным результатом решения задачи, на наш взгляд, следует считать выявление качественных связей между величинами, безразмерными критериями, определяющими процесс распада. Количественные же связи устанавливаются посредством эмпирических зависимостей.Расчеты, выполненные на основе упомянутых теоретических исследований для реальных условий впрыскивания топлива, показали, что при диаметре соплового отверстия dc = 0,22 мм длина нераспавшегося участка струи
Структура и динамика движения топливной струи
На основе анализа известных моделей развития топливной струи (см. 1.3), а также ранее выполненных исследований автора данной работы [56] может быть предложена следующая вербальная (словесная) модель. Моделируемое явление характеризуется как нестационарная двухфазная многокомпонентная турбулентная струя, жидкая фаза которой представляет собой полидисперсные частицы топлива и в которой происходят нестационарные процессы тепломассообменного и силового взаимодействия между компонентами.
Не прибегая к детальному описанию процессов, аналогичных изучаемому [176], изложим основные особенности физической картины движения топливной струи, которые необходимо учитывать при разработке математической модели, пригодной для решения поставленных в работе задач. Для простоты изложения будем иметь в виду двухфазную двухкомпонентную топливовоздушную турбулентную струю.
Осредненное течение может быть представлено так. Частицы топлива, образующиеся при распаде струи на выходе из сопла, движутся в воздушной среде, находясь под действием сил инерции и сил аэродинамического сопротивления. В результате торможения о воздух частицы теряют, а воздух приобретает некоторое количество движения. Скорость частиц падает.
Последующие частицы, двигаясь в спутном потоке воздуха, приведенном в движение впереди летящими частицами, испытывают меньшее сопротивление. Поэтому на некотором расстоянии от сопла эти частицы могут "догнать" впереди летящие и вступить с ними во взаимодействие, опосредованное воздухом. Взаимодействие заключается, в частности, в том, что "обгоняющие" моли топливовоздушной смеси оттесняют "обгоняемые" моли к периферии поперечного сечения струи (к так называемой ее оболочке). Здесь указанные моли теряют скорость (вплоть до нуля). Такой механизм "обгона" способствует увеличению массы топлива на всех участках длины развивающейся струи. Далее вследствие эжектирующего действия струи "обгоняемые" моли могут вновь быть вовлеченными в ядро струи, причем частицы этих молей могут вновь разгоняться движущимся воздухом.
В какой мере частицы топлива следуют за воздухом указанных условных молей зависит от размеров частиц. Крупные частицы, ввиду малого отношения площади поверхности к массе, испытывают меньшее воздействие аэродинамического сопротивления и поэтому в меньшей мере подвержены переносу в оболочку струи.
В зоне фронта, встретившись с неподвижным воздухом, частицы резко тормозятся и отходят на периферию струи по механизму, описанному автором ранее [56]. При этом, вследствие резкого снижения абсолютной скорости частиц возможно некоторое повышение их локальной концентрации. Взаимодействие частиц с неподвижным воздухом может вызвать некоторое увеличение вероятности их вторичного дробления.
Наблюдаемое исследователями различие в характере движения фронта струи на так называемых начальном и основном участках ее длины [166], возможно, является отражением различия в режимах обтекания частиц воздухом (в относительном движении) внутри струи. Можно предположить, что внутри струи также имеются начальный и основной участки (этот тезис нуждается в экспериментальной проверке). Начальному участку свойственен существенный разрыв осевых скоростей частиц топлива и воздуха при постепенном сближении этих скоростей с увеличением расстояния от сопла. В этом также предстоит убедиться в данном исследовании. Радиальные скорости воздуха, эжектируемого в струю из окружающего пространства, на этом участке значительны и их векторы направлены к оси струи. На основном участке осевые скорости частиц и воздуха близки друг к другу, а радиальные меняют знак на обратный и становятся направленными от оси струи [146, 278, 289], способствуя расширению последней.
Осевые скорости, как известно, имеют максимум на оси струи. На профиль параметров движения в поперечном сечении струи, очевидно, влияют наличие капель и характер распределения их размеров. Для выявления этого влияния целесообразно выполнить специальные эксперименты.
Как показали наши исследования [137, 183], а также исследования других авторов [280, 296, 297], в процессе взаимодействия струи со стенкой КС решающую роль играет газовый поток. Обнаружено [137, 183], что еще до вступления видимого контура струи в непосредственный контакт со стенкой происходит заметное усиление торможения струи и ее отклонение от первоначального направления. Обтекающий стенку газовый поток, воздействуя на движущиеся капли топлива, препятствует оседанию значительной их части на стенку. При этом мелкие капли, уносимые газовым пристенным потоком, не вступают в контакт с поверхностью. Крупные капли в зависимости от их размера, физических свойств топлива и нормальной составляющей скорости движения к поверхности, вступив в контакт, могут либо "отразиться" от стенки и продолжить движение в пристенном потоке (при числе Вебера We 5 [296]), либо "осесть" на стенке (при We 40). Характер взаимодействия "осевших"частиц топлива (вторичное дробление, образование жидкой пленки) зависит, в частности, от температуры стенки [113] и шероховатости ее поверхности.
Описываемое течение имеет сложную турбулентную структуру широкого спектра турбулентности [270]. Малые размеры капель топлива ограничивают масштаб турбулентности внутри них. Возникающие в жидкости пульсации быстро затухают. Поэтому турбулентность внутри капель не может оказать
Метод исследования распределения скорости движения газовой фазы по длине топливной струи
Экспериментальные данные о локальных скоростях движения газовой фазы (воздуха) в топливной струе, также как данные о массах и скоростях жидкого топлива, требуются для уточнения представлений о реальной картине изучаемого процесса и проверки адекватности предложенной математической модели движения струи (см. 2.3). Необходимо подтвердить справедливость полученных теоретическим путем выводов о наличии значительного разрыва осевых скоростей частиц топлива и спутного газа на начальном участке струи, о существенном сближении этих скоростей по мере продвижения компонентов струи к ее фронту. Желательно количественно оценить указанные скорости. Предстоит убедиться в том, что при математическом моделировании в расчете скоростей можно исходить из условия сохранения суммарного количества осредненного движения жидкой и газовой фаз, по крайней мере, в пределах полости КС. Принципиально важно выяснить приемлемо ли в нашем случае встречающееся в публикациях допущение о равенстве скоростей фаз в осредненном движении [161, 247].
Исследователями предпринимались многочисленные попытки экспериментального определения скоростей движения газа (воздуха) в струе дизельной форсунки. При этом, как правило, указанные скорости оценивались весьма опосредованными способами. Например, в работах японских авторов часто проводились измерения скоростей воздуха, втекающего в струю через ее боковую "поверхность". Это - так называемые методы "масляного тумана", "дымовой проволоки", "дымового заряда" [146, 264, 278, 289]. Скорость втекающего тумана или дыма измерялась при помощи высокоскоростной киносъемки. Следует отметить низкую точность этих измерений и отсутствие связи их результатов с данными о скорости движения частиц топлива.
В других исследованиях [126, 127] была использована камера, разделенная на две части диафрагмой, в которой выполнено отверстие круглой формы. При работе устройства по оси отверстия распространяется топливная струя. Зарегистрировав перепад давлений на диафрагме, расчетным путем определяют скорость перетекающего воздуха и принимают его за скорость газовой фазы в струе. Очевидно, что здесь имеет место искажение струи диафрагмой, на которое указано в работе [199], и с этим выводом следует согласиться. Рассматриваемому методу, так же как предыдущему, свойственны значительные погрешности измерений и отсутствие информации о движении частиц топлива в струе.
Известны методы, основанные на измерении секундного количества движения топливной струи на различных расстояниях от сопла при помощи датчика силы [НО, 245, 247]. Важно отметить, что при использовании этих методов не решался вопрос о разделении суммарного количества движения струи на составляющие, относящиеся отдельно к топливу и отдельно к воздуху. Кроме того, упомянутые датчики силы не обладают свойством независимости выходного сигнала от координат точки приложения измеряемой силы, что может вызвать существенные погрешности измерений. Не во всех работах в достаточной мере учтены гидродинамические особенности взаимодействия струи с датчиком [109].
Отмеченные особенности известных методов и средств не позволяют применить их в неизменном виде при решении задач данной работы. Новый метод должен обеспечить возможность раздельной оценки как количеств движения топлива и воздуха, так и скоростей их движения. При использовании датчика силы необходимо решить вопросы о независимости его выходного сигнала от координат точки приложения измеряемой силы, а также по возможности учесть гидродинамику взаимодействия струи с силовоспринимающим элементом датчика.
Предлагаемый метод [58, 74] основан на комплексном использовании описанного выше ячеистого стробоскопа и специально разработанного датчика силы. Для получения характеристик скорости движения спутного газа (воздуха) в струе wa (м/с) вместо ячеистого барабана 2 (см. рис. 3.3) в люке 8 камеры высокого давления устанавливают датчик силы.
Секундное количество движения струи Рс представляет собой сумму двухсоставляющих - количества движения топлива Рj и количества движенияспутного воздуха Ра.
По описанным выше измерениям при помощи ячеистого стробоскопа вычисляется составляющая Ру:где as - коэффициент неравномерности количества движения топлива.Составляющая Ра определяется как разность
С использованием выражений (3.6) и (3.7) получают распределение секундных количеств движения топлива и воздуха по длине струи для любого момента времени ее развития.Выполненные операции позволяют получить распределения средних по расходу скоростей движения топлива w/c» и воздуха wa ср по длине струи.
При этом Wfcp находится из выражения (3.6), а для вычисления wacpиспользуется первое уравнение Эйлера, в соответствии с которымгде ра - плотность воздуха в струе, кг/м3. В первом приближении ра можно принять равной плотности воздуха в окружающем струю пространстве; Fc -площадь поперечного сечения струи, м2, которая оценивается по результатам высокоскоростной киносъемки процесса развития струи; аа - коэффициент неравномерности количества движения воздуха.
Выведем выражения коэффициентов а у и аа, участвующих в формулах(3.6) и (3.8) для связи средних по расходу скоростей топлива и воздуха с количеством их движения.По аналогии с коэффициентом неравномерности кинетической энергии, использующимся в гидравлике при записи уравнения Бернулли для течения в трубе [108], коэффициент неравномерности количества движения в общем виде может быть записан:
Распределение параметров топливной струи в ее поперечном сечении
Достаточно полное представление об изменении свойств струи по радиусу ее поперечного сечения может дать набор характеристик распределения локальных скоростей движения топлива и воздуха, размеров частиц топлива и их концентрации, параметров турбулентности потоков фаз, а также температуры. Получение всех указанных характеристик в рамках одного экспериментального исследования представляет собой трудноразрешимую задачу. Поэтому для проверки адекватности предложенной математической модели внутрицилиндровых процессов решено получить, во-первых, распределение локальных расходов жидкого топлива по сечению струи, т. е. распределение величины, несущей в себеинформацию о локальных скорости топлива, g1,0 размерах его частиц и концентрации, во вторых, распределение локальных скоростей движения воздуха. Профили параметров турбулентности и температуры в испаряющейся струе целесообразно принять по результатам известных экспериментов.
Безразмерные характеристикираспределения локальных расходов,опубликованные в работах различных авторов, показаны на рис. 4.11. По оси абсцисс отложены значения безразмерных радиусов: y = y/Rc - отношение текущегорадиуса к радиусу поперечного сечения струи; у/х - отношение текущегорадиуса к расстоянию от сопла до сечения струи [166]. Даны профили А.С. Лышевского [166], Г.Н. Абрамовича [2], Vara Prasad [20], МАДИ [124]. Ввиду 250 существенного различия известных профилей необходимо было провести собственное экспериментальное исследование. Уточненный профиль расходов жидкого топлива в струе определен предложенным в данной работе методом изокинетического отбора пробы из топливной струи (см. 3.3). Полученные опытные точки показаны на рисунке. Их расположение на графике может быть описано выражением: где gm - расход жидкого топлива на оси струи.
Среднее квадратическое отклонение опытных точек от рассчитанных по формуле оказалось менее 0,06. Разброс опытных точек на рисунке объясняется, главным образом, недостаточной стабильностью положения струи в пространстве, зависимостью указанного положения от неконтролируемых факторов. Граница сечения струи определена по результатам киносъемки.
Распределение локальных скоростей движения воздуха в струе определено предложенным в данной работе методом (см. 3.3), основанном на установленной нами связи между профилями перепада статического давления и скорости.Результаты измерений перепадовстатического давления в различныхточках поперечного сечения струипоказаны на рис. 4.12. Экспериментывыполнены в топливной бомбе вусловиях стационарной струи.
Рис. 4.12. Распределение относительного Исследованы сечения струи,перепада статического давления в попе- расположенные на расстояниях 42, 77 Иречном сечении топливной струи г г мм от сопла. Граница сечения струи определена так же как в предыдущем случае по результатам киносъемки. Опытные точки могут быть аппроксимированы функцией тт\-2,4mсоответствующих значений, рассчитанных по формуле, составило 0,036.
Для того чтобы получить профиль осевой скорости воздуха в струе, необходимо в соответствии с методикой (см. 3.3) ординаты профиля Ар/Артразделить на коэффициент С, [см. формулы (3.7) и (3.8)], характеризующий связь профилей:
Выше в работе для описания распределения скоростей использован универсальный профиль Г. Шлихтинга [240]. Необходимо сравнить полученный профиль с указанным известным профилем, который, судя по работам Г.Н. Абрамовича [2], пригоден для описания движения не только однофазных, но и двухфазных струй. Для сравнения профиль должен бытьпредставлен в виде функции wa/wam = /\уІУо$\ где уо,5 - радиус точки в
