ДИССЕРТАЦИЯ
на соискание учёной степени кандидата технических наук
Научный руководитель:
д.т.н., профессор
Гаряев Андрей Борисович
Москва – 2022
Оглавление
Введение. 5
Глава I. Анализ современного состояния исследования струйных течений. 10
1.1 Аналитические исследования. 10
1.2. Экспериментальные исследования. 16
1.3 Численные исследования. 21
1.4 Распространение топливных струй в камере сгорания автомобильного двигателя с прямым впрыском. 21
1.4.1 Прямой впрыск топлива. 21
1.4.2 Особенности смесеобразования в сопле инжектора и камере сгорания двигателя. 25
Выводы по главе I 27
Глава II. Планирование экспериментальных исследований и разработка экспериментальной установки для изучения нагретых струй жидкостей. 28
2.1 Постановка цели и определение задач экспериментальных исследований 29
2.2 Параметры проведения эксперимента. 29
2.3 Выбор оптических методов исследования. 31
2.4 Разработка экспериментальной установки. 36
2.5 Разработка методов обработки результатов эксперимента в программной среде Matlab. 41
Выводы по главе II 46
Глава III. Результаты экспериментального исследования влияния температуры жидкости на характеристики распространения струй. 46
3.1 Дальнобойность и угол раствора. 47
3.2 Оценка количества паровой и жидкой фаз в струе. 50
3.3 Траектория изгиба струй в сносящем потоке. 51
3.4 Влияние физических свойств углеводородов на их распространение. 54
3.5 Анализ механизмов влияния подогрева струй жидких углеводородов на распространение струй. 54
Выводы по главе III 58
Глава IV. Численное моделирование распространения жидких струй углеводородов в программной среде OpenFOAM.. 58
4.1 Построение математической модели с использованием решателя sprayFoam 58
4.1.1 Основные уравнения. 61
4.1.2 Модель турбулентности. 62
4.1.3 Модели для вычисления источниковых членов в уравнениях переноса 63
4.2 Геометрия и сетка, критерий Куранта-Фридриха-Леви. 67
4.3 Входные параметры модели и граничные условия. 69
4.4 Результаты моделирования. 71
Выводы по главе IV.. 71
Глава V. Модель распространения струи в сносящем потоке на основе закона сохранения импульса. 72
5.1 Построение модели. 72
5.2 Сравнение результатов моделирования с экспериментом. 72
5.3 Выводы по главе V.. 72
Заключение. 73
Список литературы.. 73
Приложение. 79
Основные обозначения:
Введение
Актуальность темы исследования:
Одной из серьёзных экологических проблем являются большие выбросы углекислого газа. По данным всемирного энергетического агентства транспорт при сжигании топлива производит 24% прямых выбросов СО2 [1]. Согласно Глобальной Инициативе Повышения Топливной Экономичности Транспортных Средств общее снижение выбросов CO2 к 2050 году для всех видов наземного транспорта должно составить 65% [2]. Обязательства данной инициативы взяла на себя и Российская Федерация, обозначив в энергетической стратегии до 2035 года цель по удельному снижению расхода топлива на транспорте на 13–15% вследствие оптимизации двигателей внутреннего сгорания [3].
Одним из главных методов, который позволит снизить выбросы СО2 от транспорта, является оптимизация процесса смесеобразования в камере сгорания двигателя. Одним из важных факторов, влияющих на данный процесс, является температура впрыскиваемого топлива, определяющая такие параметры впрыскиваемой струи топлива как дальнобойность, угол раствора, количество жидкой и паровой фаз, параметры распыла, характер испарения капель. Топливная струя в камере сгорания подвергается влиянию сносящего воздушного потока, поступающего из впускного клапана и раздувающего струю в поперечном направлении. Это также оказывает влияние на поле концентраций, давлений и температур в камере сгорания. Помимо этого, необходимо понимание влияния физических свойств впрыскиваемых жидкостей на параметры распространения струй.
Понимание механизмов влияния температуры на распространение струй, в том числе при наличии сносящего потока, также актуально для других многочисленных областей техники, таких как процессы смесеобразования в топках промышленных печей, котельных установок и в камерах сгорания двигателей, струйное охлаждение поверхностей изделий и промышленных аппаратов, процессы в оросительных камерах систем кондиционирования, охлаждение воды в эжекционных градирнях, системы напыления и покраски, сушка пищевых продуктов. [ТЗ2]
Таким образом, актуальность выполнения настоящей работы обусловлена необходимостью качественного систематического описания процесса смесеобразования в камере сгорания двигателя и факторов, оказывающих на него влияние, с целью снижения вредных выбросов от автомобильного транспорта, а также необходимостью расширения понимания закономерностей распространения струй углеводородов различной температуры в том числе в сносящем потоке для их дальнейшего применения в других областях науки и техники.
Целью работы является экспериментальное исследование и численное моделирование влияния температуры на процесс распространения жидких струй углеводородов в сносящем потоке и при его отсутствии.
Задачи исследования
1. Разработка и монтаж экспериментальной установки с использованием двух оптических методов исследования – прямого теневого метода и Шлирен-метода.
2. Проведение экспериментов по впрыску двух углеводородов при следующих условиях – температура 25–98 °С, давление впрыска 100,170 бар, скорость сносящего потока 0–50 м/с. Для получения достоверных результатов каждый впрыск повторить 10 раз.
3. Разработка метода и проведение обработки полученных результатов в среде Matlab.
4. Определение и анализ механизмов влияния температуры на дальнобойность, угол раствора, количество жидкой и паровой фаз струи. Определение и анализ влияния сносящего потока на траекторию паровой и жидкой фаз струи. Выявление основного механизма влияния температуры на распространение жидких струй углеводородов.
5. Проведение численных экспериментов в программном комплексе OpenFOAM. Оценка достоверности полученных результатов путём их сравнения с результатами экспериментов, оценка применимости программного комплекса для моделирования течения жидких струй различной температуры в сносящем потоке и в его отсутствие.
6. Разработка простой физической модели [ТЗ3]
Научная новизна:
1. Впервые получен ряд новых экспериментальных исследований.
2. Выявлено следующее влияние роста температуры на распространение струй жидких углеводородов:
· дальнобойность струи снижается на 25–27%;
· угол раствора расчёт в среднем в два раза;
· площади проекции паровой фазы увеличивается для изооктана на 8,1%, для этанола – на 11,4%;
· снос струй этанола сильнее, чем снос струй изооктана, в связи с более интенсивным испарением капель этанола по сравнению с каплями изооктана.
3. Выявлено, что испарение капель является наиболее вероятным механизмом влияния температуры на распространение струй изооктана и этанола.
4. Разработан метод в среде Matlab для обработки результатов экспериментальных исследований. [ТЗ4]
5. В результате численного моделирования в пакете OpenFOAM показано, что [ТЗ5]
Практическая ценность
1. Выявленные закономерности влияния температуры на распространение жидких струй углеводородов в том числе в сносящем воздушном потоке обеспечивают более ясное понимание физической картины процесса.
2. Предложенный способ обработки экспериментальных результатов в среде Matlab позволяет определять дальнобойность, угол раствора, траекторию сноса струй, а также оценивать площадь проекции паровой и жидкой фаз струи.
3. С помощью предложенных параметров настройки солвера sprayFoam в программном комплексе OpenFOAM можно получить близкую к экспериментальным результатам картину распространения струй изооктана и этанола. [ТЗ6]
4. Использование простой физической модели распространения жидких струй, основанной на применении закона сохранения импульса, позволяет быстро оценить траекторию отклонения струи.
5. Предложен метод определения границ жидкой и паровой фазы
Достоверность полученных результатов. Достоверность полученных экспериментальных результатов обеспечивалась многократным повторением эксперимента [ТЗ7] – каждый впрыск при одинаковых условиях повторялся 10 раз, всего было выполнено 700 впрысков. Достоверность выявленных закономерностей подтверждается результатами численного моделирования выполненного в OpenFOAM[ТЗ8], а также согласованием с результатами экспериментальных и численных исследований других авторов.
Основные положения, выносимые на защиту
1. Выявленные экспериментальным путём и в ходе проведения численного моделирования закономерности распространения жидких струй углеводородов при возрастании их температуры, в том числе …
2. Метод обработки фотографий струй, полученных в ходе эксперимента, в среде Matlab.
3. Результаты численного моделирования.
4. Физическая модель распространения жидких струй, основанная на применении закона сохранения импульса.
Апробация работы [ТЗ9]
Основные результаты диссертационной работы были изложены на 9-й международной школе-семинаре молодых учёных и специалистов «Энергосбережение – теория и практика», г. Москва 2018 г.; 25, 27, 28-й международной научно-технической конференции студентов и аспирантов «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика», г. Москва 2019, 2021, 2022 г[ТЗ10].; международной (XX Всероссийской) научно-технической конференции «Состояние и перспективы развития электро- и теплотехнологии» г. Иваново, 2019 г.; Всероссийской научной конференции с международным участием «XI семинар ВУЗов по теплофизике и энергетике» г. Санкт-Петербург, 2019 г.; пятнадцатой всероссийской (седьмой международной) научно-технической конференции студентов и аспирантов и молодых учёных, г Иваново, 2020 г.
Публикации
Основные положения и выводы диссертационной работы изложены в одиннадцати опубликованных работах, в том числе в двух изданиях, входящих в базу данных Scopus и в одном научном журнале из перечня ВАК России.
Личный вклад автора
Материалы и результаты диссертационного исследования получены соискателем лично или в соавторстве. Личный вклад автора для достижения полученных результатов заключается в:
1. планировании экспериментальных исследований, сборке экспериментальной установки и проведении эксперимента;
2. разработке программ в среде Matlab для обработки полученных экспериментальных данных;
3. настройке параметров модели для проведения численного моделирования в среде OpenFOAM;
4. обработке и анализе результатов экспериментального и численного исследований.
Структура и объём работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы, состоящего из ___ наименований и приложения. Общий объём диссертации составляет ___ страниц, включая рисунки, таблицы и приложение.
Глава I. Анализ современного состояния исследования струйных течений
Струйные течения используются во многих областях науки и техники. Лишь некоторые из таких областей:
· процессы смесеобразования в топках промышленных печей, котельных установок и организация процесса смесеобразования в камере сгорания двигателей;
· струйное охлаждение поверхностей изделий и промышленных аппаратов;
· процессы сушки;
· охлаждение воды в эжекционных градирнях;
· системы напыления и покраски;
· рассеивание вредных выбросов в атмосфере или в водоёмах.
В связи с широкой областью применения существует значительное количество аналитических, экспериментальных и численных исследований посвященных изучению принципов распространения струйных течений.