Тема: ГАЗОДИНАМИКА И ТЕПЛООБМЕН ПУЛЬСИРУЮЩИХ ПОТОКОВ В СИСТЕМАХ ГАЗООБМЕНА УСТРОЙСТВ ПЕРИОДИЧЕСКОГО ДЕЙСТВИЯ

Актуальность темы исследования. Устройства периодического действия широко используются во всех отраслях техники. К ним можно отнести машины для сжатия и расширения рабочего тела (поршневые и шестеренчатые компрессоры), транспортные энергетические установки (поршневые, роторные, роторно-поршне­вые двигатели), холодильные машины и тепловые насосы. Основной принцип ра­боты этих устройств состоит в том, что отдельные порции реагентов вводятся в рабочую камеру, а по завершению процесса удаляются из нее. При этом в подаю­щих и отводящих системах подобных машин возникает нестационарное, пульсиру­ющее движение газов с характерным изменением во времени. Ярким примером та­ких технологий является рабочий цикл в поршневых двигателях внутреннего сго­рания (ПДВС), которые являются самыми распространенными устройствами среди тепловых двигателей. В их системах газообмена движение газообразных сред со­здается полостью-цилиндром переменного объема. В данной работе именно этот тип устройств выбран в качестве объекта для практической реализации результатов исследований, поскольку эффективность работы поршневых ДВС зависит не только от совершенства процесса сгорания топлива в цилиндре-полости, но и от качества заполнения полости рабочим телом и степени опорожнения ее от отрабо­тавших газов, т.е. от процессов, происходящих во впускных и выпускных системах (системах газообмена). В конечном счете, эти процессы во многом определяют ко­личество и качество рабочего тела на момент начала сгорания (его теплофизиче­ские характеристики), что оказывает непосредственное влияние на эксплуатацион­ные показатели энергетических установок.
В процессах заполнения и опорожнения полости двигателя рабочим телом происходит ряд недостаточно изученных теплофизических явлений, таких как:
1) влияние разных физических механизмов создания движения газов (нагнетание или разряжение) на газодинамику и теплообмен пульсирующих потоков; 2) влия­ние геометрической конфигурации отдельных элементов газодинамической си­стемы на процессы переноса; 3) особенности газодинамики и теплообмена пульси­рующих потоков в газодинамических системах сложной конфигурации при разных начальных условиях; 4) влияние внешней турбулентности (механического воздей­ствия лопаточного аппарата) на тепломеханические характеристики пульсирую­щих потоков в газодинамических системах. Именно эти фундаментальные задачи были рассмотрены в данной работе.
Проведенные исследования соответствуют приоритетным направлениям разви­тия науки и технологий в РФ по теме энергосбережения, а также критическим техно­логиям по энергоэффективному преобразованию энергии органического топлива.
Цель работы - выявить особенности процессов теплопереноса пульсирую­щих потоков газа в газодинамических системах сложной конфигурации, создавае­мых при заполнении и опорожнении полости переменного объема при разных начальных условиях, а также при механическом воздействии на такое течение, и на этой основе разработать технические решения по управлению газодинамикой и, как следствие, теплообменом в системах газообмена для повышения эффективно­сти поршневых двигателей.
Задачи исследования:
1) оценить влияние газодинамической нестационарности на интенсивность теплоотдачи потоков газа в газодинамических системах сложной конфигурации, возникающих при заполнении и опорожнении полости переменного объема;
2) провести сравнительный анализ газодинамики и теплоотдачи стационарных и пульсирующих потоков в газодинамических системах при разных механизмах со­здания движения потоков и для различных граничных условий;
3) установить влияние геометрии каналов в системах газообмена на газодина­мические и теплообменные характеристики потоков газа при заполнении и опорож­нении полости переменного объема;
4) на основе стендовых испытаний оценить влияние конфигурации (формы по­перечного сечения) впускной системы на мощностные характеристики поршневого дизельного двигателя;
5) оценить влияние внешней турбулентности, создаваемой лопаточным аппа­ратом компрессора ТК, на газодинамику и теплообмен потоков в выходном канале турбокомпрессора;
6) выявить физические и режимные факторы, определяющие газодинамику и теплообмен пульсирующих потоков в системах газообмена поршневых двигателей с турбокомпрессором (ТК) и без него при заполнении и опорожнении полости пе­ременного объема...
Купить

В заключении диссертации сформулированы основные выводы.
1. Показано, что газодинамическая нестационарность, характерная для порш­невых ДВС, снижает интенсивность теплоотдачи в 1,1-1,5 раза при заполнении по­лости, тогда как в случае опорожнения полости имеет место, как интенсификация, так и подавление теплоотдачи (разница составляет ±35 %).
2. Установлены существенные отличия в газодинамике и теплообмене при- стационарном и пульсирующем течении газа в системах газообмена при заполне­нии (разряжение) и опорожнении полости (нагнетание): 1) показано, что в стацио­нарном режиме течения при опорожнении полости степень турбулентности на по­рядок выше, чем при заполнении полости; тогда как, в случае пульсирующих по­токов при заполнении и опорожнении полости нет столь существенных различий в величине степени турбулентности (разница не превышает 25 %); 2) повышенная турбулизация потока при стационарном течении через выпускную систему приво­дит к интенсификации теплоотдачи до 30 % по сравнению с системой впуска; в свою очередь, различия в интенсивности теплоотдачи в газодинамических систе­мах в случае пульсирующих потоков при заполнении и опорожнении полости пе­ременного объема находятся в пределах 15 %.
3. Показано влияние формы поперечного сечения каналов в газодинамических системах поршневого двигателя на газодинамику и теплообмен потоков при запол­нении и опорожнении полости переменного объема.
3.1. Установлено, что использование профилированного участка во впускной системе приводит к следующим изменениям (в сравнении с базовой системой): 1) росту степени турбулентности пульсирующих потоков до 22 %; 2) повышению относительного коэффициента теплоотдачи на 3-15 %; 3) увеличению расхода га­зов через систему на 5-12 %.
3.2. Выявлено, что применение профилированного участка в выпускной си­стеме вызывает следующие изменения (по сравнению с базовой системой): 1) рост степени турбулентности пульсирующего потока до 33 %; 2) подавление теплоот­дачи в системе на 25-41 %; 3) повышение расхода через систему на 7-17 %.
4. На основе стендовых испытаний двигателя 1Ч 7,5/6,0 установлено, что при­менение квадратного или треугольного участка во впускной системе приводит к росту мощности дизеля на 1-17 % при сохранении удельного расхода топлива по сравнению с базовой модификацией ПДВС.
5. Данные о газодинамике и теплообмене потоков в выходном канале компрес­сора ТК (без поршневой части) показали, что 1) исходный уровень степени турбу­лентности потоков составляет от 0,01 до 0,21 (с ростом частоты вращения вала ТК происходит снижение величины степени турбулентности); 2) с ростом исходной степени турбулентности потока от 0,08 до 0,16 происходит снижение на 20% ин­тенсивности теплоотдачи в выходном канале за компрессором ТК.
6. Установлено, что наличие турбокомпрессора в системах газообмена приво­дит к значительным отличиям в закономерностях изменения тепломеханических характеристик потоков: 1) наличие ТК во впускной системе приводит к увеличе­нию максимальных значений скорости потока на 15-50 %, вызывает рост степени турбулентности пульсирующих потоков до 30 % и интенсификацию теплообмена до 2 раз по сравнению с системой без ТК; 2) наличие ТК в выпускной системе при­водит к снижению максимальных значений скорости потока воздуха на 10-40 %, вызывает рост степени турбулентности нестационарного потока до 2 раз и подав­ление теплоотдачи на величину не более 15 % в сравнении с системой без ТК...
Купить