Глава I . Анализ современного состояния исследования струйных течений

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.

 

 

Аналитические исследования

Основные работы, посвященные аналитическому исследованию струй, представлен в Таблица 1 в хронологическом порядке[ТЗ11].

Одной из первых фундаментальных работ, посвященных струйным течения, является докторская диссертация Сергея Алексеевича Чаплыгина «О газовых струях» [4], представленная в Московском математическом обществе в 1896 году. Его работа «О газовых струях» посвящена изучению течений газа со скоростью, приближающейся к скорости звука. В ней ученый впервые:

· обнаружил, что при небольших скоростях потока плотность воздуха почти не меняется (при скоростях до 100 м/с сжимаемостью воздуха можно пренебречь).

Таблица 1 - Основные работы, посвященные аналитическому исследованию струй[ТЗ12]

№	Автор и название	Год	Основные результаты исследования
1	С. А. Чаплыгин «О газовых струях»	1896	при скоростях до 100 м/с сжимаемостью воздуха можно пренебречь
2	Г. Н. Абрамович «Теория свободной струи и её приложения»	1936
3
4
5

преобразовал уравнения движения газа к чрезвычайно простому виду, введя специальные переменные, непосредственно связанные с физической картиной течения.

· решил задачу об истечении газовой струи из безграничного сосуда с плоскими стенками, перпендикулярными оси струи. Группа задач об истечении струй из сосудов с прямолинейными стенками исторически была первой, получившей практическое применение в науке и технике.

В 1936 году вышла в свет монография Г. Н. Абрамовича «Теория свободной струи и её приложения» [5], посвященная исключительно вопросам распространения затопленных струй.  Затопленная или свободная струя на данный момент является наиболее хорошо исследованным видом струй. Шлихтинг в своей работе по теории пограничного слоя [6] характеризовал распространение затопленной струи следующим образом: «Такая струя возникает при истечении жидкости из отверстия или насадка. Вскоре после выхода из отверстия она становится турбулентной, вследствие чего частично смешивается с окружающей её покоящейся средой. Кроме того, струя увлекает за собой граничащую с ней среду, поэтому количество вещества, протекающего через поперечное сечение струи, увеличивается по мере удаления от отверстия. При этом струя по мере удаления от отверстия расширяется, но одновременно уменьшается её скорость; однако полный импульс струи остаётся постоянным».

В 1954 году Бай Ши-и опубликовал работу «Теория струй» [7]. Книга представляет собой широкий обзор всех имеющихся к моменту её публикации работ в области теории струй. В частности, рассмотрены сжимаемые и несжимаемые струи, смешение струй различных газов, применение основных уравнений гидродинамики для описания струйных течений, установившееся течение в сопле. Автор применяет теорему Бернулли для нахождения скорости выхода жидкой струи из сосуда под действием силы тяжести и под действием внутреннего избыточного давления[ТЗ13].

Г. Биркгоф, Э. Сарантонелло в 1957 году публикуют работу «Струи, следы и каверны» [8]. Данная книга, как и книга Бай Ши-и представляет читателю широкий обзор всех работ в области теории струй. Однако с 1940-х годов происходит переворот в области численных методов, в связи с чем глава 9 данной книги посвящена применению численных методов для решения задач описания струйных течений. Кроме того, авторы впервые рассматривают соударение двух струй, вытекающих из каналов с прямолинейными стенками.

И. О. Хинце в работе «Турбулентность» [9], вышедшей в свет в 1959 году, большое внимание уделяет описанию методов и аппаратуры обычно применяемых для измерения количественных характеристик турбулентности, в том числе неизотропной свободной турбулентности, а также затрагивает вопросы тепло- и массообмена струе.

В 1960 году публикуется известная монография Г. Н. Абрамовича «Теория турбулентных струй» [10]. Автор впервые говорит об аффинности профилей скорости, температуры и концентраций примеси, предлагая зависимости, описывающие их изменения для плоскопараллельной и круглой затопленных струй. Абрамович приводит схему струи, говоря о наличии ядра струи, переходного и основного участка. Автор говорит о нормальном законе распределения скорости, температуры и концентрации примеси в струе. Абрамович впервые рассматривает двухфазную струю в воздухе и говорит о том, что с гидродинамической точки зрения такую струю при внесении соответствующих поправок, можно рассматривать, как газовую струю, содержащую тяжелые примеси. При теоретическом рассмотрении двухфазной струи, предполагая, что примесь влияет на характеристики струи через изменение её плотности. Автор предлагает методику определения траектории плоской струи в сносящем потоке – выделяется элемент струи и составляется условие равновесия всех действующих на него сил; получающееся обыкновенное дифференциальное уравнение интегрируется при тех или иных допущениях. Автор впервые говорит о форме струи в сносящем потоке (газовой струи, распространяющейся в газовой среде или водной струи, распространяющейся в водной среде), приводя в основном эмпирические выражения для определения её траектории, основанные на соотношении скоростных напоров в сносящем потоке и начальном сечении струи. Автор также впервые говорит о том, что струя в сносящем потоке в поперечном сечении имеет подковообразную форму (рисунок 1), что также подтверждается экспериментальными исследованиями других авторов.

М. И. Гуревич в работе «Теория струй идеальной жидкости» [11], опубликованной в 1961 году приводит закон асимптотического расширения струи и доказывает, что сжимаемость не влияет на данный закон. Автор также рассматривает механизмы столкновения двух свободных струй, боковое истечение струи из канала, истечение из прямоугольного сосуда с отверстием внизу и сбоку, струйные течения тяжёлой жидкости и учитывает силы поверхностного натяжения в струйных течениях.

Г. Шлихтинг в работе «Теория пограничного слоя», опубликованной в 1965 году, построил математическую модель круглых струй, основанную на приближенных соотношениях пограничного слоя, полученных Прандтлем для плоских и осесимметричных струй.

В 1984 году выходит книга «Теория турбулентных струй» Г. Н. Абрамовича [12] в соавторстве с другими исследователями. Книга существенно дополняет издание 1960 года, рассматривая следующее:

· струи сжимаемого газа с неравномерными полями параметров и переменной степенью турбулентности в начальном сечении;

· струи пространственной формы;

· сложные струйные течения, возникающие при отрыве пограничного слоя;

· взаимодействие струи с твёрдой поверхностью и потоком другого направления.

· двухфазные струям, истечение газовых струй в жидкость, и струи, подверженные влиянию сил плавучести, закрученные струи и т. д.

Глава 18 «Струя в поперечном потоке» раздела V «Сложные струйные течения» полностью посвящена закономерностям распространения жидких струй в сносящем потоке жидкости или газовых струй в сносящем потоке газа. В ней предложена новыя методика определения траектории струи в сносящем потоке. Абрамович Г. Н. предполагает, что обтекание струи потоком идентично обтеканию эллипса и выводит три уравнения для определения перепада давлений перед и после струи и нахождения полуосей эллипса (рисунок 2).

Про книгу Lefebve, A.H. Atomization and sprays, Hemisphere Publishing Corporation, 1989 + Сажин + Терехов

Модель распространения дизельной струи, предложенная Маскулус и Катке в 2009 году [13], до сих пор используется большинством исследователей для поиска угла раствора и дальнобойности затопленных струй. Модель основана на предложенной Абрамовичем по описанию движения контрольного объёма путём применения закона сохранения импульса и массы к контрольному объёму, однако Маскулус и Катке рассматривают нестационарный процесс распространения струи, записывая уравнения сохранения импульса и массы следующим образом:

 А затем для их решения применяют метод дискретизации – разностную схему против потока, получая следующее: [ТЗ14]

Модель имеет следующие допущения:

· модель является одномерной;

· отсутствует проскальзывание между каплями и окружающим воздухом;

· отсутствует испарение в струе;

· впрыскиваемое топливо несжимаемое;

· турбулентные силы вязкости не учитываются;

· градиенты давления вдоль оси струи не учитываются;

· угол раствора струи считается постоянным.

Написать про истечение жидкости из насадок различной формы

Численные исследования

Написать про исследования в OpenFOAM [35-47]

Прямой впрыск топлива

Большинство современных автомобилей оснащены двигателями внутреннего сгорания с прямым впрыском, которые пришли на смену двигателям с внешним смесеобразованием (карбюратором) или распределённым впрыском. Сама технология прямого впрыска была впервые применена в авиастроении в 1940-е годы. Первый автомобиль с двигателем, использующим прямой впрыск, был выпущен фирмой Mitsubishi в 1996 году. До настоящего момента инженеры по всему миру активно совершенствуют технологию прямого впрыска, так как именно она предоставляет возможности удовлетворения современных экологических требований при сохранении высокой эффективности двигателя. Главным конструктивным отличием системы прямого впрыска является отсутствие впускного коллектора, где происходит подготовка топливно-воздушной смеси перед подачей в камеру сгорания. В такой системе сопло инжектора располагается прямо в цилиндре двигателя, и впрыск происходит напрямую в камеру сгорания. Технология прямого впрыска имеет ряд преимуществ по сравнению с распределённым впрыском:

1. Возможность контроля количества впрыскиваемого топлива.

В двигателях с прямым впрыском возможно напрямую регулировать как количество подаваемого в камеру сгорания топлива, так и воздуха. Это позволяет двигателю работать на смесях с разными стехиометрическими коэффициентами и существенно снижает количество топлива, потребляемого двигателем. Кроме того, при впрыске топлива во впускной коллектор на ещё закрытом впускном клапане с обратной стороны образуется плёнка или даже лужица топлива. Это обстоятельство приводит к задержке подачи топливно-воздушной смеси в камеру сгорания, а также к тому, что контроль реального количества топлива, поданного в камеру сгорания, усложняется. В среднем такому двигателю требуется 10 циклов для обеспечения устойчивого колебания образовавшей плёнки во впускном отверстии, из-за чего 90% выбросов несгоревших углеводородов образуется в течение первых 90 секунд работы двигателя [48]. Технология прямого впрыска полностью устраняет эту проблему.

2. Улучшение распыла топлива

Так как в системах с прямым впрыском топлива используются инжекторы высокого давления, то размер капель топлива в среднем составляет 5–100 микрон, в то время как в системах распределённого впрыска – 120 микрон. Более мелкий распыл существенно улучшает испарение с поверхности капель, интенсифицируя тепломассообмен в камере сгорания, что позитивно влияет на процесс смесеобразования.

3. Снижение зависимости от дросселирования

Количество воздуха, поступающего во впускной коллектор в двигателях с распределённым впрыском, регулируется с помощью дроссельной заслонки, что неизбежно ведёт к термодинамическим потерям на дросселирование. В двигателе с прямым впрыском также есть дроссельная заслонка перед впускным клапаном, однако в таком двигателе основной возможностью регулирования состава топливно-воздушной смеси является регулировка количества впрыскиваемого топлива. Таким образом потери на дросселирование в двигателе с прямым впрыском значительно меньше.

4. Увеличение степени сжатия

При прямом впрыске топлива тепло, затрачиваемое на его испарение, отбирается у воздуха поступающего в цилиндр двигателя из впускного клапана. В результате снижается вероятность детонации и степень сжатия может быть повышена. Повышение степени сжатия приводит к росту давления в конце сжатия и соответственно к увеличению термического коэффициента полезного действия.

5. Режим послойного смесеобразования

Режимы работы двигателя можно условно разделить на два основных – работа на гомогенной смеси при высоких и средних нагрузках и работа в режиме послойного смесеобразования при низких нагрузках и в режиме холостого хода (Рисунок 1).

Рисунок 1 – Формирование (а) гомогенной и послойной (b) смеси в цилиндре двигателя с прямым впрыском

Работа на гомогенной смеси подразумевает образование в камере сгорания гомогенной смеси с коэффициентом избытка воздуха близким к единице. В таком режиме работы впрыск топлива происходит, когда поршень находится в нижней мёртвой точке. В этот же момент происходит открытие впускного клапана, из которого поступает сносящий поток, раздувающий струю в поперечном направлении. Изучение влияния данного потока на струйное течение является важной задачей, так как именно сносящий поток во многом определяет смесеобразование в камере сгорания. Так, например, при длительном открытии впускного клапана и высокой скорости сносящего потока может произойти смачивание головки поршня, что ведёт к большим выбросам сажи. Работа двигателя на гомогенной смеси характеризуется высоким потреблением топлива и стабильной работой.

В режиме послойного смесеобразования двигатель работает на обеднённой смеси с коэффициентом избытка воздуха около 2. При дальнейшем повышении коэффициента избытка воздуха возникают трудности со стабильностью работы двигателя. В таком режиме впускной клапан открывается до впрыска, впуская поток воздуха, который при движении поршня вверх начинает закручиваться и воздействует на струю снизу, отклоняя её в область свечи зажигания (Рисунок 1 b). Сам впрыск топлива происходит, когда поршень находиться практически в верхней мёртвой точке. Это нужно для того, чтобы обеспечить необходимую для возгорания концентрацию топлива только в области близкой к свече зажигания, а в остальных частях камеры сгорания находиться обеднённая смесь. Такой режим работы двигателя имеет как достоинства, так и недостатки. К достоинствам можно отнести снижение количества, потребляемого двигателем топлива, а также снижение тепловых потерь со стенок цилиндров. Существенным недостатком является то, что высокий коэффициент избытка воздуха стимулирует образование большого количества оксидов азота, что вынуждает применять дополнительные фильтры очистки выхлопных газов, а также использовать рециркуляцию выхлопных газов. Кроме того, крайне сложно обеспечить стабильную работу двигателя в режиме послойного смесеобразования во всём диапазоне нагрузок.

Описанные выше достоинства системы прямого впрыска могут обеспечить значительную теоретическую экономию топлива за счёт трёх факторов – работа в режиме послойного смесеобразования, снижение потерь при дросселировании и повышение степени сжатия в цилиндре. Бензиновые двигатели с прямым впрыском экономят до 60% топлива в режиме холостого хода, до 35% - в низко- и средненагруженных режимах и до 6% в режимах полной нагрузки [49]. Такая экономия топлива вместе с современными системами очистки выхлопных газов позволяют удовлетворить высоким экологическим стандартам, предъявляемым в настоящий момент к двигателям внутреннего сгорания, работающим на традиционном топливе.

1.4.2 Особенности смесеобразования в сопле инжектора и камере сгорания двигателя

К движущим силам смесеобразования в сопле инжектора относится кавитация и турбулентность. Давление впрыска бензиновой струи и её температура в топливной системе автомобиля равны 100–300 бар и 90 °С соответственно. При поднятии иглы инжектора происходит впрыск топлива в среду с давлением 0,3–8 бар и температурой около 25 °С. На Рисунок 2 представлена схема процесса кавитации в сопле инжектора постоянного диаметра. При поднятии иглы инжектора топливо

Рисунок 2 - Кавитация в сопле инжектора

поступает в сопло, при этом из-за геометрии сопла, высокого давления и скорости топливо стремится к оси канала, а по краям верхней части сопла происходит отрыв потока, и образуются области низкого давления, где топливо интенсивно испаряется. Далее паровые области образуются по мере движения топлива в сопле по причине наличия вихревых зон с пониженным давлением, вызванных турбулентностью. Таким образом при выходе струи из инжектора значительную её часть составляет пар. [ТЗ23] Геометрия сопла инжектора сильно влияет на кавитацию, так при использовании расширяющегося сопла явление кавитации усиливается, а при использовании сужающегося сопла, наоборот – уменьшается.

Второй движущей силой распада струи является турбулентность. Скорость выхода топливной струи из инжектора составляет 150 до 400 м/с. Числа Рейнольдса находятся в интервале 6,49·10⁵ – 9,05·10⁵. При этом такое турбулентное течение не является установившимся в силу очень маленьких размеров сопла инжектора – его диаметр имеет порядок десятых долей миллиметра – и высокой скорости впрыска. Впрыск длиться не более 1–2 миллисекунд.

Рисунок 3 – Изменение расхода топлива с течением времени, а – при реальном впрыске; б – теоретическое допущение

 Расход топлива при впрыске не является одинаковым, а изменяется во времени. Так при поднятии иглы инжектора расход топлива увеличивается, а при опускании – уменьшается. Данный процесс показан на Рисунок 3 черной линией. Красной линией показан теоретический расход, который обычно принимается в расчётах, то есть время поднятия и опускания иглы инжектора приравнивают к нулю, а сам расход считают постоянным. Например, в работе [34] авторы отмечают существенные различия в структуре струи в моменты поднятия/ опускания иглы и в момент, когда игла находится в поднятом положении, так называемый квазистационарный режим, когда структура струи гомогенна и её поведение наиболее предсказуемо.

Для бензиновых струй характерно отсутствие «жидких колонн», то есть областей, где струя ещё не распадается на капли. Сопло инжектора покидает парожидкостная струя высокой скорости, уже распавшаяся на капли в результате влияния явлений кавитации и турбулентности. Таким образом, распад струи начинается ещё в сопле инжектора и ещё до её попадания в цилиндр двигателя.

На смесеобразование в камере сгорания также оказывают влияние такие параметры как:

· температура и физические свойства впрыскиваемого топлива;

· сносящий поток скоростью до 50 м/с;

· первичный и вторичный распад капель;

· межфазное взаимодействие в струе;

· взаимодействие между струями (стандартный инжектор, использующийся в автомобильном двигателе, имеет 5–6 сопел).

Итак, работа двигателя с выбранными параметрами оптимизации, это прежде всего компромисс между большим количеством факторов, влияющих на его работу. Инженеры, конструирующие конкретный двигатель, всегда принимают решение в пользу того или иного фактора, отдавая себе отчёт в том, что другие факторы не будут принимать оптимальных значений. Например, при оптимизации выбросов, часто происходит снижение эффективности двигателя. В связи с этим говорить о наличии единой оптимальной модели смесеобразования в камере сгорания или любой другой модели применимой ко всем двигателям нельзя. Так, например, не существует оптимальной формы поршня, момента впрыска, или момента открытия клапанов в целом для всех двигателей. Однако эти параметры существуют в контексте уже конкретного технического решения при конкретных условиях эксплуатации. Именно поэтому усилия многих исследователей направленны на изучение очень узких аспектов работы ДВС, а создание единой модели смесеобразования, применимой ко всем двигателям в целом является чрезвычайно сложной задачей.

Выводы по главе I

На распространение струи влияет множество факторов (перечислить).

Итак, стоит отметить, что описанные исследования носят обширный характер, однако, по-прежнему отсутствует качественное систематическое исследование влияния температуры на закономерности распространения не только затопленных струй жидких углеводородов, но и струй в сносящем потоке. Кроме того, полностью отсутствуют исследования с оценкой количества паровой фазы в подогретых струях жидких углеводородов и в струях в отсутствие подогрева. Также отсутствует однозначный ответ на вопрос какой механизм влияния подогрева струй углеводородов на их распространение является основным. Нет сведений об отличии характера распространения струй веществ с разными физическими свойствами. Данный факт не позволяет в полной мере описать и оптимизировать процесс смесеобразования в камере сгорания двигателя и уменьшить количество вредных выбросов, что обуславливает главную мотивацию выполнения настоящей работы. [ТЗ24]

 

 

Глава II. Планирование экспериментальных исследований и разработка экспериментальной установки для изучения нагретых струй жидкостей

 

 

Экспериментальное исследование, представленное в настоящей работе, выполнено в ходе двух стажировок на кафедре Технической термодинамики университета Фридриха-Александра в городе Эрланген (Германия) в научной группе под руководством профессора Венсинга [][ТЗ25]. Научная группазанимается исследованием распространения струйных течений, смесеобразования и горения в камере сгорания бензиновых и дизельных двигателей, вопросов применения альтернативных топлив, разработкой методов повышения эффективности двигателей внутреннего сгорания и снижения вредных выбросов. В качестве методов исследования в основном применяются лазерные и оптические методы, такие как лазерная флуоресценция, фазовая допплеровская анемометрия, отслеживание частиц методом PIV, прямой теневой метод, шлирен-метод, Рамановская спектроскопия и другие.

 

Вещество