Введение к работе
Актуальность проблемы. В настоящее время научно-технический прогресс в двигателестроении направлен на повышение степени форсирования двигателей при одновременном снижении токсичности отработавших газов, увеличением ресурса работы, улучшением экономичности.
В результате форсирования двигателей внутреннего сгорания (ДВС) происходит увеличение тепловых нагрузок. В связи с этим следует уделить особое внимание разработке и экспериментальной проверке математических моделей для расчёта граничных условий теплообмена со стороны рабочего тела. Использование такого мощного инструмента, каким является теория пограничного слоя, для ДВС стало возможным только в последнее время, что отчасти можно объяснить сложным характером протекания внутрицилиндро-вых процессов.
В связи с этим, для доводки существующих и проектировании перспективных ДВС, а также для ускорения исследований и снижения их стоимости необходима разработка и использование расчётно-экспериментальных методов, учитывающих особенности физических процессов, протекающих в цилиндре и, в частности, в пограничных слоях в камере сгорания (КС) ДВС.
Цель исследования. Основная цель данного исследования — разработка расчётно-экспериментального метода определения нестационарных граничных условий теплообмена со стороны рабочего тела, с учётом: О теплоизолирующего действия слоя нагара, образованного на тепловоспри-
нимающих поверхностях основных деталей быстроходного дизеля; О нестационарного характера изменения турбулентного числа Прандтля в
условиях течения и теплообмена в пограничном слое; О уточнённых значений эмпирических коэффициентов в а-формуле для расчёта осреднённой по поверхности теплоотдачи и степеней черноты рабочего тела в камерах сгорания быстроходных дизелей; Ф взаимодействия конвекции и излучения на основе использования математической модели турбулентного пограничного слоя. Научная новизна. Разработан и экспериментально проверен новый уточнённый метод определения локальных нестационарных граничных условий со стороны рабочего тела с учётом теплоизолирующего действия слоя нагара, образующегося на тепловоспринимающей поверхности камеры сгорания быстроходного дизеля.
Предложен новый альтернативный метод обработки экспериментальных данных при использовании датчиков теплового потока, выгодно отличающийся от существующего.
Предложены уточнённые эмпирические коэффициенты для расчёта осреднённой теплоотдачи и эмпирическая формула для нестационарной степени черноты в условиях камеры сгорания быстроходного дизеля, позволившие улучшить точность и скорость расчёта локальных нестационарных тепловых потоков.
Получены точные решения для толщины потери энтальпии в турбулентном пограничном слое, позволившие определить локальные тепловые нагрузки на поверхностях камеры сгорания, а также определить значение нестационарного числа Прандтля.
Практическая ценность. Теоретические исследования, проведённые в данной работе, а также разработанные программы для ПК с достаточной степенью точности отражают реальную картину физических процессов, имеющих
место в камере сгорания быстроходного дизеля, что было подтверждено экспериментально; полученные результаты используются для расчёта локальных нестационарных граничных условий в КС дизеля Д-144; они могут быть успешно использованы как при доводке существующих, так и при проектировании новых перспективных ДВС, так как позволяют более достоверно определить тепловое и термонапряжённое состояние.
Разработан альтернативный метод обработки результатов измерения с помощью датчика на основе дополнительной (вспомогательной) стенки.
Получены достоверные теоретические и экспериментальные данные по локальному теплообмену в камере сгорания дизеля Д-144
Точные решения уравнения турбулентного пограничного слоя для различных криволинейных поверхностей с успехом могут быть использованы для расчёта локальных нестационарных тепловых потоков для широкого класса быстроходных дизелей с полуразделённой и разделённой камерами сгорания, а также для других энергетических установок с наличием радиационно-конвективного теплообмена.
Разработаны алгоритмы и программы расчёта для ПК, позволяющие уже на стадии проектирования прогнозировать локальные тепловые нагрузки в зависимости от пределов форсировки.
Реализация результатов работы. Результаты работы используются в НИИКТИДе (г. Владимир) при доводке быстроходных дизелей с разделённой и полуразделённой камерами сгорания, а также при выполнении хоздоговорных и госбюджетных НИР и в учебном процессе на кафедре Э-2 МГТУ им. Н.Э.Баумана.
Апробация работы. Материалы диссертационной работы были доложены на:
The International Symposium on the Heat Transfer in Boiling and Condensation and 11-th International School-Seminar of Young Scientists and Specialists, May 21-24, 1997, Moscow;
VI Междунородном научно-практическом семинаре "Совершенствование мощностных, экономических и экологических показателей ДВС", 26-30 июня, 1997 г., Владимир;
Международной научно-технической конференции "Двигатель-97", 14-16 октября, 1997 г., Москва, МГТУ.
Диссертационная работа была заслушана и одобрена на заседании кафедр "Поршневые и комбинированные двигатели внутреннего сгорания" и "Теоретические основы теполтехники" МГТУ им. Н.Э.Баумана (1998 г.).
Публикации. Материалы диссертации опубликованы в 5 печатных работах, а также изложены в отчётах по хоздоговорным и Госбюджетным НИР, выполненным в МГТУ им. Н.Э.Баумана за 1994-97 гг.
Объём работы. Диссертация состоит из введения, четырёх глав и списка литературы. Она содержит 124 страниц основного текста, 44 рисунков, 12 страниц со списком использованной литературы, включающим 131 наименования.