|
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.
| 
Вы находитесь:
