Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Температурное состояние охлаждаемых деталей и процесс теплоотдачи в охлаждающую среду 12
1.1 Влияние режимных параметров на температуру охлаждаемых деталей 12
1.1. Исследование особенностей процесса теплоотдачи в полостях охлаждения ДВС 20
1.3 Исследование гидродинамических параметров течения жидкости в полостях охлаждения ДВС 37
1.4. Обзор и анализ программных продуктов для исследования течений жидкости и газа 45
Выводы к первой главе 50
ГЛАВА 2. Моделирование гидродинамических процессов для определения параметров системы охлаждения 52
2.1 Уравнения математической модели движения вязкой несжимаемой жидкости 52
2.2 Постановка задачи и обоснование выбора исходных данных при численном исследовании гидродинамических процессов в полостях охлаждения ДВС 56
2.3 Обоснование выбора и наложения граничных условий 61
2.4 Выбор модели турбулентности 64
2.5 Обработка результатов расчета 65
2.6 Расчет основных гидродинамических параметров всего гидравлического тракта систем охлаждения ДВС 68
2.6.1. Основные положения и алгоритм расчета 68
2.6.2. Методика расчета потокораспределения жидкости между полостями охлаждения отдельных цилиндров с учетом определения локальных гидродинамических параметров 72
2.6.2.1. Основные положения методики 72
2.6.2.2 Разработка и описание графа системы охлаждения 73
2.6.2.3. Составление и решение системы алгебраических нелинейных уравнений 74
2.6.2.4 Выбор начальных приближений и граничных условий 80
2.6.2.5 Обработка результатов расчета 82
Выводы ко второй главе,.» 86
ГЛАВА 3. Численое исследование гидродинамических параметров течения жидкости в полостях охлаждения гильзы и головки цилиндра 87
3.1 Численное исследование гидродинамических параметров течения жидкости в полостях охлаждения гильзы цилиндра двигателя 87
3.1.1 Цели исследования и постановка задачи 87
3.1.2 Конструкция полости охлаждения и характер течения жидкости в ней 89
3.1.3. Результаты исследования параметров течения жидкости в полостях охлаждения гильз цилиндров 96
3.2 Численное исследование гидродинамических параметров течения жидкости в полостях охлаждения головки цилиндра двигателя 115
ГЛАВА 4. Экспериментальная проверка влияния гидродинамических параметров течения охлаждающей жидкости на величину температур гильз и головок цилиндров 123
4.1 Экспериментальное определение температур гильз цилиндров 123
4.1.1. Методика экспериментального определения температуры гильзы цилиндра 123
4.1.2 Результаты экспериментального исследования по определению температур гильз цилиндра 128
4.2 Экспериментальное определение температур головок цилиндров 134
4.2.1 Методика экспериментального определения температуры головки цилиндра 134
4.2.2 Результаты экспериментального исследования по определению температур головки цилиндра 136
Выводы по работе 139
Литература 140
Приложение 149
- Исследование гидродинамических параметров течения жидкости в полостях охлаждения ДВС
- Постановка задачи и обоснование выбора исходных данных при численном исследовании гидродинамических процессов в полостях охлаждения ДВС
- Результаты исследования параметров течения жидкости в полостях охлаждения гильз цилиндров
- Результаты экспериментального исследования по определению температур гильз цилиндра
Введение к работе
Широкое распространение двигателей внутреннего сгорания обусловливает особое значение усовершенствования их конструкции, технико-экономических показателей, экологических показателей и повышения надежности [1], Надежность и высокие удельные показатели двигателей внутреннего сгорания (ДВС) обеспечиваются работой теплона-пряженных деталей, зависящей от их температурного состояния, которое зависит от эффективной работы системы охлаждения (СО),
Совершенствование СО невозможно без знания локальных гидродинамических параметров течения охлаждающей жидкости (ОЖ) в полостях охлаждения, а именно локальных скоростей и направлений потоков ОЖ относительно охлаждаемых поверхностей. Экспериментальное определение локальных гидродинамических параметров — достаточно трудоёмкая задача, требующая большого объема доводочных работ, значительно увеличивающих время и затраты на создание новых двигателей. Более эффективным способом определения локальных гидродинамических параметров является математическое моделирование, при использовании которого на стадии проектирования ДВС определяются скорости и направления течения ОЖ в полостях охлаждения, а также гидравлические потери давления- Всё это позволяет дать рекомендации по проектированию корпусных деталей двигателя (блоков и головок цилиндров) с учетом геометрии полостей охлаждения, сократить время на разработку новых двигателей с высокими технико-экономическими и экологическими показателями.
С другой стороны, введение законодательных ограничений по вредным выбросам (нормы EURO 3, EURO 4), которые обновляются каждые три года, заставляет разработчиков двигателей существенно сокращать время на разработку новых моделей двигателей. Период времени на разра-
ботку модели двигателя у ведущих западноевропейских и американских компаний сегодня 10«*.12 месяцев. В таких жестких условиях основным методом проектирования двигателей становятся CAD/CAE - технологии, позволяющие за счет твердотельного параметрического проектирования и численных исследований существенно сократить затраты времени и средств па разработку нового двигателя.
Цель диссертационной работы: совершенствование гидродинамических параметров течения жидкости в полостях охлаждения дизеля на основе численного моделирования, способствующего снижению температур теплонапряженных деталей.
Работа направлена на повышение надежности работы основных деталей дизельного двигателя - гильзы и головки цилиндра за счет использования наиболее экономичных и достоверных способов исследования с применением средств, реализующих элементы CAD/CAE — технологий.
Научная новизна заключается в следующих, защищаемых автором, положениях.
Обоснована необходимость проектирования корпусных деталей двигателя с учетом локальных особенностей геометрии полостей охлаждения гильз и головок цилиндра.
Разработана методика расчета локальных гидродинамических параметров течения ОЖ с учетом турбулентности и вихревого характера потока в каналах, которые реально отображают геометрию полостей охлаждения двигателя,
Разработала методика расчета потокораспределения ОЖ в СО, в основе которой лежит совместное использовании численных методов исследования локальных гидродинамических параметров и расчета сложных разветвленных цепей.
Постоянное повышение удельных мощностных показателей наряду с уменьшением удельных массовых показателей двигателей, снижение стоимости их разработки, увеличение продолжительности испытании вынуждают разработчиков искать новые методы исследования.
До настоящего времени, как самый доступный, применялся метод экспериментального определения гидродинамических параметров течения жидкости (скоростей и направлений течения потоков жидкости) при помощи термоанемометров, трубок Пито-Прандля, манометрической съемки гидравлического тракта системы охлаждения. В виду сложности проведения этих экспериментальных исследований, связанных со сложностью происходящих процессов в полостях охлаждения, а так же больших материальных и временных затрат (для проведения исследования требуется изготовление опытного образца двигателя) данный способ исследования не оправдывает себя в современных условиях проектирования двигателей. Поэтому эффективным методом, позволяющим получать информацию о гидродинамических параметрах течения жидкости в полостях охлаждения, является численные методы исследования.
Существовавшие до настоящего времени методы расчета гидродинамических параметров течения жидкости базировались на решении уравнения Лапласа для потенциального течения жидкости. Результаты, получаемые при решении данного уравнения имели большую пофешность по сравнению с экспериментальными данными, поэтому данные методы не получили широкого распространения в практике создания двигателей внутреннего сгорания, В то же время сегодняшний уровень проведения расчетных исследований требует создания трёхмерных расчетных моделей с высокой степенью дискретизации при помощи объемных конечных элементов с нелинейной функцией формы. Учет данных факторов позволит на основе средств CAD/CAE технологий разработать более совершенные методики расчета. Первым шагом в этом направлении является проведение
численного исследования гидродинамических параметров течения охлаждающей жидкости в полостях охлаждения гильз и головок цилиндров.
Всё вышеперечисленное позволяет сделать вывод о том, что создание эффективной расчетной методики исследования и анализа гидродинамическнх параметров течения жидкости в полостях охлаждения гильз и головок цилиндров является своевременной и актуальной научно-исследовательской задачей.
Первая глава посвящается вопросам по изучению теплообменных процессов в полостях охлаждения деталей ДВС - гильзы и головки цилиндра. Представлен обзор работ известных ученых в этой области А.А. Чиркова, АЛС Костина, P.M. Петриченко, Н.А. Иващенко, Н.Д. Чайнова, Б. С. Стефановского, А.Л. Новенникова, Г\Б. Розенблита, Д.Б. Кузнецова по исследованию интенсивности процесса теплообмена в полостях охлаждения гильзы и головки цилиндра- Общей особенностью всех работ является то, что в уравнениях, определяющих коэффициент теплоотдачи (в форме чисел Нуссельта) в критерий Рейнольдса входит величина среднерасходной скорости, определяемой по расходу жидкости через полость охлаждения и эквивалентному диаметру. По этой причине критериальные уравнения позволяют определять лишь осредненные по поверхности коэффициенты теплоотдачи. Вместе с тем, Б. С. Стефановским, А, Л. Новенниковым было показано, что необходимо изучать локальные особенности теплообмена для прогнозирования температурного состояния деталей ДВС.
Рассмотрены методы экспериментального исследования гидродинамических параметров течения ОЖ в полостях охлаждения. Большинством авторов показано, что течение жидкости в полостях охлаждения является турбулентным, характеризующимся наличием зон обратного течения, что говорит о вихревом характере потока ОЖ.
Рассмотрены также расчетные методы, в основе которых лежат численные методы механики жидкости и газа, получившие распространение с развитием ЭВМ. Одно из первых применений метода конечных элементов (МКЭ) в области исследования гидродинамических параметров (локальных скоростей потока, направлений течения, давлений) в полости охлаждения принадлежит, по видимому, В,Б Орлову (ЦНИДИ) и М.И, Рамазанову (МГТУ им- Н. Э. Баумана). Однако в работах этих авторов решается уравнение Лапласа для потенциального течения жидкости, что приводило к росту погрешности расчета. По этой причине такие расчеты не получили пока распространения в практике создания ДВС- Решить задачу по определению локальных гидродинамических параметров течения жидкости для турбулентного вихревого течения позволяют современные профессиональные программные продукты, реализующие численные методы механики жидкости и газа. Обосновано применение для этой цели профессионального программного продукта ANSYS/FLOTRAN.
Сформулированы цели и задачи работы.
Во второй главе приводится математический аппарат, на котором базируется моделирование гидродинамических параметров течения ОЖ, а именно системы дифференциальных уравнений в частных производных для турбулентного течения жидкости. Решение этой системы уравнений для исследуемых областей, которые представляют собой полости охлаждения гильзы или головки цилиндра аналитическими методами невозможно, поэтому решение осуществляется численным методом, а именно МКЭ, реализуемым в среде программного продукта ANSYS/FLOTRAN, Разработана методика численного исследования локальных гидродинамических параметров течения жидкости в полостях охлаждения с учетом турбулентности и непотенциальности потока.
Предложена методика расчета потокораспределения ОЖ между всеми элементами СО, позволяющая так же определять потери давления в каждой её точке и необходимые параметры насоса- Данная методика отличается от ранее известных применением минимального числа экспериментальных данных, а так же простотой использования. Используя данную методику ещё на стадии проектирования двигателя можно определить вес гидравлические параметры систем охлаждения ДВС.
В третья глава посвящена численному исследованию гидродинамических параметров течения ОЖ в полостях охлаждения гильз и головок цилиндра современных высокофорсированных дизельных двигателей В результате исследования гидродинамических параметров течения жидкости в полости охлаждения гильзы цилиндра предложены конструктивные решения, касающиеся изменения размеров полости. Использование измененной полости охлаждения, обеспечивает наилучшие гидродинамические параметры течения охлаждаемой жидкости.
При исследовании гидродинамических параметров течения жидкости в полости охлаждения головки цилиндра были определены распределения жидкости между каналами, подводящими жидкость к полости, а так же сопротивление каждого канала. Было определено, что наибольшим сопротивлением обладает канал, подводящий жидкость к наиболее теплонапряженной части головки цилиндра — межклапанной перемычки. Так же определены скорости потока жидкости в каждой точке полости.
В четвертой главе приводятся результаты экспериментальной проверки влияния расчетных гидродинамических параметров (скорости и направления течения жидкости) на температуру гильзы и головки цилиндра.
В результате проведенного эксперимента установлено, что применение измененной полости охлаждения гильзы цилиндра, позволяет снизить максимальную температуру гильзы цилиндра на 12.. Л4 С.
Для головки цилиндра проанализировано влияние максимальной скорости потока жидкости в полости охлаждения на температуру огневого днища. В результате этого установлено, что в самой горячей зоне головки цилиндра - межклапанной перемычки температура равна 275С» что является достаточно низкой температурой в данной области для головки сделанной из чугуна, при достаточно высокой удельной мощности двигателя. Предельная температура для деталей, выполненных из чугуна, достигает 400С.
В заключении приведены основные выводы по результатам диссертационной работы.
Исследование гидродинамических параметров течения жидкости в полостях охлаждения ДВС
Одни из первых попыток исследовать характер течения жидкости были предприняты в работе [19], Здесь при помощи прибора (рис, 1.11) определялись скорости и направления течения жидкости. Действие прибора основано на том, что в поток перпендикулярно движению жидкости вводится два параллельных металлических электрода. На гильзу цилиндра и на один из электродов подается напряжение от специального генератора. Через определенное время импульс подается на другой электрод. Когда электрод находится под напряжением, то на нем за счет электролиза образуется газовое облако водорода. Варьируя временем между импульсами, подаваемым на электроды, можно добиться слияния газовых пузырьков, сносимых потоком. Если за некоторое время удастся достигнуть слияния газовых облачков, сгенерированных на первом и втором электродах, то для горизонтального потока можно считать, что за это время поток прошел расстояние между электродами.
Для измерения скорости и направления потока датчик скорости вводится в полость охлаждения. Введение тонких электродов не нарушает характера течения жидкости в полости охлаждения. Ориентация датчиков по потоку осуществляется путем поворота его вокруг оси, пока не будет достигнуто наложение газового облака от первого и второго электродов. Совпадение газовых облаков позволяет судить о направлении потока жидкости.
Исследованный при помощи этого прибора характер течения жидкости двигателя 4Д 19/ЗОМ приведен на рис. 1Л2. Сторона подвода жидкости обозначена цифрой 1, цифрой 2 обозначена противоположная сторона, цифрами 3 и 4 обозначена стороны перпендикулярные сторонам 1 и 2. Из рисунка видно, что характер течения жидкости носит сложный характер- На ряду с восходящими потоками наблюдаются и нисходящие. Присутствуют зоны с замкнутой циркуляцией.
Недостатком данного метода измерения скорости в потоке жидкости является зависимость его показателей от многих физических параметров жидкости, плотность, температура, количество примесей, а также сложность настройки датчика и прибора.
Наряду с работой [19] в ОАО «АВТОДИЗЕЛЬ» (Ярославский моторный завод) была сделана попытка исследовать характер течения жидкости в полости охлаждения двигателя 84 13/14. Для этого блок цилиндра изготовили с прозрачными окнами. Через эти окна производили фотографирование подкрашенного потока жидкости. Недостатком данного исследования является то, что, таким образом, возможно, установить только качественную картину течения жидкости, К тому же эти эксперименты связаны с большими материальными и временными затратами.
На кафедре Двигателей внутреннего сгорания ярославского политехнического института (в настоящее время Ярославский государственный технический университет) [20] был предложен метод для исследования параметров течения жидкости в полостях охлаждения ДВС. В основе метода лежит измерение скорости течения жидкости при помощи термоанемометров. Для измерения скорости использовали термоанемометр 55Д01 фирмы «Диза Электроник» в комплекте с пленочными датчиками 55А81 и цифровым вольтметром 55Д30. Датчики были установлены в полость охлаждения головки цилиндра двигателя 84 12/12 (КАМАЗ 740), Измерения проводили в диапазоне расходов 0,00025...0,001 м /с. Датчик устанавливался на расстоянии 5.,.10 мм от охлаждаемой поверхности- Подвод воды осуществлялся через два отверстия диаметром 14 мм и одним 10 мм. Места замеров и результаты измерений приведены на рис. 1.13.
По результатам проведенных исследований можно сделать вывод, что термоанемометрия полостей охлаждения позволяет вскрыть характер движения жидкости. На ряду с достоинствами данный метод исследования требует больших материальных и трудовых затрат на подготовку и проведение эксперимента. Рис, 1.13. Расположение точек измерения и результаты замеров локальных скоростей воды в головке цилиндров: -расход воды 0,00025 м3/с, Д - 0,00075 м3/с, о - 0,001 м3/с [20]. Исходя из вышесказанного встает вопрос о развитии расчетных методов исследования, которые еще на стадии проектирования позволяют определять гидродинамические параметры течения жидкости в полостях охлаждения, что позволит выявить места с неудовлетворительным охлаждением, наметить пути совершенствования конструкции полости охлаждения, сократить время и материальные затраты на разработку нового двигателя. Выявленный сложный характер течения жидкости затрудняет создание расчетных методов. Первой попыткой определить гидродинамические параметры течения жидкости в полости охлаждения была сделана В- Б. Орловым [21]. В. Б, Орлов предполагая, в первом приближении, потенциальность движения получить для усредненных параметров турбулентного потока уравнение идеальной несжимаемой жидкости.
Постановка задачи и обоснование выбора исходных данных при численном исследовании гидродинамических процессов в полостях охлаждения ДВС
Данная система уравнений является незамкнутой, так как в ней присутствуют неизвестные величины пульсаций. В связи с этим для замыкания системы уравнений были разработаны полуэмпирические модели турбулентности. Самой распространенной моделью турбулентности является к - с модель (остальные модели турбулентности являются модификацией к - с модели). При использовании этой модели турбулентности вместе с уравнениями неразрывности и уравнениями движения решаются два дифференциальных уравнения для кинетической энергии турбулентности к и скорости её диссипации . При этом хорошие надежные расчетные результаты обеспечиваются использованием эмпирических коэффициентов, полученных при экспериментальных исследованиях. В результате решения системы дифференциальных уравнений для всей вычислительной области определяются скорости и направления течения жидкости, распределение полных и статических давлений.
Для решения систем уравнений (2.6), уравнений (2.7) разработаны различные численные методы решения, в основе которых лежат различные конечно-разностные методы. Наибольшее распространение получили МКЭ и метод конечных объемов. Сущность методов заключается в замене дифференциальных уравнений системой алгебраических уравнений при помощи специальных преобразований. Сущность этих преобразований изложена в работах [56,.,.72]. Здесь следует отметить, что в последнее время большее развитие получил метод конечных объемов, реализуемый программными комплексами STAR-CDf CFX. Это прежде всего связано со специфической особенностью решения задач механики жидкости и газа, однако это ни сколько не уменьшает достоинств и возможностей МКЭ, который так же отлично зарекомендовал себя при решении задач в этой области.
В первой главе уже упоминалось, что благодаря применению стандартных процедур при решении различных по физической сущности задач в практике создания и исследования ДВС удобней использовать ANSYS/FLOTRAN. Поэтому все исследования проведены при помощи этого программного продукта.
Выбор вычислительной области определяется конструкцией полости охлаждения гильзы и головки цилиндра, а так же их взаимным расположением. При исследовании принимаются следующие допущения. 1. В полостях гильз и головок цилиндров многоцилиндровых двигателей гидродинамические процессы идентичны, поэтому в качестве расчетных областей используется модель только полости одной гильзы и одной головки цилиндра, 2. Ввиду малых значений скоростей и давлений охлаждающей жидкости величина её плотности принимается постоянной, 3. Поток жидкости в полости считается стационарным. 4. Процесс течения происходит в изолированной системе без теплообмена с окружающей средой. 5. Величина давления в выходных сечениях полости охлаждения (противодавление на выходе из полости) задается равным атмосферному давлению - Р0 = 105 Па. Для разработки ТТМ полости охлаждения гильзы и головки цилиндра может быть использован любой из профессиональных CAD программ, реализующих ТТМ. В данном случае благодаря широким возможностям по созданию ТТМ, а так же простоте и удобстве использования для построения выбран SolidWorks. На рис. 2.1 приведен фрагмент полостей охлаждения гильзы и головки цилиндра двигателя 8ЧН13/14, Особо нужно отметить технологию создания ТТМ полостей охлаждения, ТТМ создается при помощи специальных средств SolidWorks, позволяющих создавать «литейные формы». Данная технология заключается в том, что при проектировании блока цилиндров ДВС создается его параметрическая ТТМ, которая на первоначальном этапе создания ДВС служит для решения компоновочных конструкторских решений. Далее ТТМ может быть использована при анализе прочности и жесткости конструкции, частот и форм собственных колебаний, а также для построения модели полости охлаждения. Для получения модели полости охлаждения при помощи встроенных опций из объема блока цилиндров вычитается объем полости, который в последствии сохраняется в виде отдельного файла самостоятельной модели. Модель, содержащаяся в этом файле, в последствии может быть редактирована и изменена всеми доступными редакторскими средствами SolidWorks. ТТМ полости охлаждения головки цилиндра в виду большей геометрической сложности создается по чертежам и модели литейного стержня полости. По завершению создания ТТМ при помощи форматов ACIS (SAT), IGES, PAROSOLID она транслировалась в пакет ANSYS/FLOTRAN. Здесь необходимо отметить, что при создании модели для удобства построения все размеры задаются в миллиметрах. Для приведения расчетной системы к одной системе измерения - СИ, необходимо изменить систему задания размера модели на метрическую. Это можно сделать при использовании формата ACIS (SAT), позволяющего при трансляции изменять единицы измерения длины.
Результаты исследования параметров течения жидкости в полостях охлаждения гильз цилиндров
Для исходного варианта расчета ТТМ полостей охлаждения была сделана с радиальным зазором (далее зазор) между наружной поверхностью гильзы цилиндра и ребром 1,5 мм, что соответствует размерам полости охлаждения серийного двигателя 8 ЧН 13/14 (ЯМЗ 7511-10) (здесь по причине достаточно большого зазора канавки для гарантированного слива ОЖ не моделировались).
В качестве граничных условий для расчета параметров течения были заданы следующие свойства ОЖ: -плотность р = 1000 кг/м3; -коэффициент динамической вязкости \х — 0,001 кг/м-с. Поток жидкости принят несжимаемым, адиабатным и стационарным.
Скорость жидкости на входе в полость охлаждения гильзы цилиндра для расчета была задана V — 0,8 м/с, что соответствует расходу жидкости через полость охлаждения одного цилиндра 0,0011 м3/с (65 л/мин) (цифра взято на основании экспериментальных данных проведенных на ОАО «ЛВТОДИЗЕЛЬ») В отверстиях для отвода пара и подвода ОЖ к головке цилиндра задано противодавление Р0 = 105 Па, Для всех поверхностей, ограничивающих ОПТ, задана скорость Vxy,z = 0 м/с.
Для модели с зазором 1,5 мм расчетом установлено, что весь поток жидкости, подводящийся в нижнюю часть полости охлаждения, проходит через зазор вдоль оси гильзы цилиндра- Основные потоки формируются напротив отверстий для отвода жидкости к головке и пароотводного отверстия (картина распределения локальных скоростей потока ОЖ в полостях охлаждения гильз с зазором 1,5 мм приведены на рис 3.7, 3.8). На охлаждаемых поверхностях гильзы цилиндра, располагающихся в плоскостях перпендикулярных пароотводным поверхностям и отверстиям для подвода жидкости к головке присутствуют застойные зоны, Кавитационно-опасные зоны в полости отсутствуют. Максимальные скорости течения ОЖ наблюдаются в зоне зазора, они составляют 8,71 м/с. Гидравлическое сопротивление полости охлаждения гильзы цилиндра при данном расходе ОЖ составляет 0,63 кПа, коэффициент гидравлического сопротивления полости S равен - 5?4 - 105 кПа/(м6/с2). Результаты анализа распределения потоков жидкости в полости охлаждения гильзы среднего цилиндра с зазором 1,5 мм приведены в таблице 3.1. В таблице 3.2 приведены данные для полости охлаждения гильзы с зазором 1,5 мм крайнего цилиндра.
Таким образом, в результате расчета установлено, что для полости охлаждения с зазором 1,5 мм присутствуют застойные зоны и отсутствует поперечное течение ОЖ, Причиной этого является то, что весь поток ОЖ движется через зазор, формируясь напротив отверстий подводящих ОЖ к головке цилиндра. Данный характер течения ОЖ в полости охлаждения гильзы цилиндра сравнен с картиной течения ЖИДКОСТИ, полученной экспериментально (рис. 3,6). Экспериментальная кар шші -течения была получена при испытании двигателя на надежность {370 часов работы), когда ш системе охлаждения использовалась вода с большим содержанием солей кальция и железа. При ітом в местах с интенсивным движением ЖИДКОСТИ налет накипи на гильзе цилиндра отсутствовал, а в местах с менее интенсивным движением жидкости присутствовал больший но толщине слой накшш. Сопоставляя расчетную картину течения ОЖ (рис. 3.7, 3 8) с картиной отложений на гильзе цилиндров (рис. 3.6) видно их полное совпадение Для устранения этого недостатка было принято решение уменьшить зазор до I мм- Здесь следует отметить, что при уменьшении зазора усложнился бы процесс сборки двигателя, поэтому необходимо расчетом найти зазор, при котором обеспечивались нормальные условия сборки и при этом весь поток жидкости в верхнюю часть полости охлаждения, поступал по вертикальному литому каналу. Для определения величины зазора, при котором обеспечивалось бы течение жидкости по вертикальному литому каналу, величину зазора в модели уменьшили на 0,5 мм, после чего зазор составил 1 мм. Здесь же были смоделированы канавки в ребре для гарантированного слива ОЖ. При решении этой задачи ГУ остались прежние, как и при решении предыдущей задачи (с зазором 1,5 мм).
В результате расчета установлено, что поток жидкости, поступающий к нижней части полости охлаждения из распределительного канала блока цилиндров, двигаясь в продольно-поперечном направлении, поступает в вертикальные литые каналы 9 и 10 (средний цилиндр) и в вертикальный литой канал 10 и дополнительную канавку в ребре (в крайнем цилиндре). Через зазор поток жидкости пренебрежимо мал. В верхней части полости охлаждения имеет место поперечное обтекание наружной поверхности гильзы. Следует отметить, что 12,13 % потока ОЖ от поступившего в полость поступает в верхнюю часть из нижней части через канавку для гарантированного слива ОЖ, В верхней части полости эта жидкость сразу поступает в отверстия для подвода жидкости к головке цилиндра. Кавитационно-опасным местом является выборка для слива ОЖ -максимальная скорость в ней достигает V= 6 м/с. Застойные зоны в полости охлаждения отсутствуют. Гидравлическое сопротивление полости при данном расходе ОЖ составляет 0,74 кПа, коэффициент гидравлического сопротивления полости S равен -6,3-10 кПа/(м /с ). Картина распределения локальных скоростей потока ОЖ в полостях охлаждения гильз с зазором 1 мм приведены на рис 3-9, ЗЛО, Результаты анализа распределения потоков жидкости в полости охлаждения среднего цилиндра приведены.
Результаты экспериментального исследования по определению температур гильз цилиндра
В процессе испытаний в качестве ОЖ используется вода, при этом температура её на входе в двигатель поддерживалась в пределах 75 С, воздуха на впуске 20,..25 С Во время проведения исследования добивались стабилизации температур ОЖ и масла в двигателе. В данном случае под тепловой стабилизацией подразумевается то5 что температура ОЖ и масла за 20 минут работы двигателя должна изменяться не более ЧСхМ на полградуса- Расход жидкости через систему охлаждения 0,007 M VC (420 л/мин).
В результате исследования установлено, что для исследуемого двигателя наибольшая температура зафиксирована в самой верхней точке гильзы цилиндра (показания термопары, установленной на расстоянии 3 мм от верхнего бурта гильзы цилиндра). Максимальные температуры гильзы цилиндра, полученные в результате экспериментального исследования двигателя с блоками цилиндров с различными по конструкции полостями охлаждения, сведены в таблицу 4.1 (обозначения сторон гильзы цилиндра в таблице согласно рис.4.2).
Анализ данных таблицы 4Л показывает, что изменение геометрии полости охлаждения гильзы цилиндра, в результате чего были устранены застойные зоны, обеспеченно поперечное обтекание верхней части гильзы цилиндра и увеличились скорости потока, привело к снижению максимальной температуры гильзы среднего цилиндра на 11 С, Температура гильзы крайнего цилиндра на 8 С, с диаметрально противоположной стороны подвода ОЖ к полости охлаждения температура гильзы цилиндра снизилась на 8 С. При удалении канавок для гарантированного слива ОЖ большая часть потока жидкости стала участвовать в поперечном обтекании верхней части гильзы цилиндра и как следствие этого температура гильзы среднего цилиндра снизилась на 13 С. Температура крайнего цилиндра снизилась на 13 С.
Таким образом, экспериментальное исследование по определению температур гильзы цилиндра показало, что применение предложенной в результате численного исследования геометрии полости охлаждения и как следствие этого, интенсификация локальных гидродинамических параметров течения жидкости, привело к снижению температуры гильзы цилиндра в среднем па 12 С.
Распределение температуры вдоль оси гильзы среднего цилиндра со стороны подвода ОЖ к полости приведено на рис, 4.5, на рис. 4.6 приведено распределение температур гильзы среднего цилиндра вдоль её оси с диаметрально противоположной стороны подвода ОЖ- На рис. 4.7 приведено распределение температур со стороны подвода ОЖ гильзы крайнего цилиндра, на рис. 4,8 приведено распределение температур вдоль оси гильзы крайнего цилиндра с диаметрально противоположной стороны подвода ОЖ.
Целью данного исследования определить температуры огневого днища индивидуальной чугунной головки цилиндра двигателя 8 ЧН 13/14 (ЯМЗ 658Л0) и сопоставить их значения со скоростями течения ОЖ в полости охлаждения, определенные в результате численного исследования гидродинамических параметров течения жидкости. При этом сопоставляются температуры и максимальные скорости потока в плоскости измерения температуры.
Для измерения температуры огневое днище снабжено 10 термопарами. Схема заделки термопар показана на рис. 4,9. В огневое днище головки цилиндра термопары устанавливались в стальной капсуле (пистоне) (рис, 4,10). При этом в огневом днище делалось сквозное отверстие, в которое запрессовывали капсулу, а провода выводили наружу через полость охлаждения.
Значение температур регистрировали при помощи электронно-вычислительного комплекса ТД — 1. В процессе испытаний в качестве ОЖ используется так же как и при и измерении температуры головки вода, при этом температура её на входе в двигатель поддерживалась в пределах 75 С. Температура воздуха на впуске в двигатель - 20 - 25 С- Измерение температур проводилось на номинальном режиме работы двигателя (по внешней скоростной характеристике), которая соответствует мощности -Ne = 308 кВт и п = 1900 мин [ Экспериментальное исследование температур (Т С) огневого днища гильзы цилиндра (значения температур приведены в таблице 4,2) подтверждает полученный результат для гильз цилиндра. Так для точек 2, 3, 4 (межклапанная перемычка), располагающихся в зоне наибольшего теплового потока со стороны рабочего тела и как следствие этого обладающие максимальной температурой: 280, 260, 250 С соответственно, выявляется зависимость температуры от скорости продольного обтекания жидкостью охлаждаемой поверхности. Расчетные значения скоростей потока ОЖ для точек 2, 3, 4 равны 0,24, 0,36, 0542 м/с соответственно. Отсюда видно, что с увеличением скорости продольного обтекания жидкостью охлаждаемой поверхности происходит уменьшение температуры огневого днища. Таким образом, видно, что сопоставление температур огневого днища и максимальных скоростей потока ОЖ в полости охлаждения головки цилиндра, определенных в плоскости установки термопар позволяют выявить зависимость скоростей потока и температур. 1. Экспериментальным исследованием установлено, что применение предложенной в результате численного эксперимента конструкции полости охлаждения гильзы цилиндра, в которой по сравнению с другими полостями наблюдаются более интенсивные гидродинамические параметры течения жидкости позволяет снизить температуры гильзы цилиндра на 1L. Л 3С по сравнению с конструкцией полости с зазором 1,5 мм. 2. Сопоставление величин скорости потока ОЖ в полости охлаждения головки цилиндра, определенных в ходе численного эксперимента с температурами огневого днища головки цилиндра показывает их взаимосвязь: точки 5 и 8 (рис. 4.9), в которых температура огневого днища достигает 250 и 200 С (скорость в них 0,26 м/с и 0,24 м/с соответственно). 3. Достаточно высокие скорости течения жидкости в наиболее теп-лонапряженной части головки цилиндра - межклапанной перемычки обеспечивают приемлемый уровень температур огневого днища головки цилиндра: для точки 1 - 275С при скорости потока ОЖ 0?55 м/с. Предельное значение для чугуна при этом составляет 400 С. 1. Подтверждено, что при проектировании корпусных деталей ДВС (блоков и головок цилиндров) должны учитываться локальные особенности геометрии полостей охлаждения, обеспечивающие отсутствие в них застойных зон и равномерное обтекание жидкостью охлаждаемой поверхности. 2. Разработана методика расчета локальных гидродинамических параметров течения ОЖ с учетом турбулентности и вихревого характера потока в каналах, реально отображающих геометрию полостей охлаждения двигателя, 3- Обоснована и разработана методика для расчета потокораспреде-ления ОЖ между всеми элементами СО с использованием МКЭ и расчета сложных разветвленных цепей. 4, Рациональное распределение потоков жидкости, локальных скоростей и направлений потоков ОЖ приводит к уменьшению максимальных температур охлаждаемых деталей.
