Разработка методики численного моделирования течения газа в полости впускного канала двигателя внутреннего сгорания

На правах рукописи

ТЮНИН АЛЕКСАНДР ВИКТОРОВИЧ РАЗРАБОТКА МЕТОДИКИ ЧИСЛЕННОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ ТЕЧЕНИЯ ГАЗА В ПОЛОСТИ ВПУСКНОГО КАНАЛА ДВИГАТЕЛЯ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ Специальность 05.13.18 – математическое моделирование, численные методы и комплексы программ

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Барнаул – 2010

Работа выполнена в ГОУ ВПО «Алтайский государственный технический уни верситет им. И.И. Ползунова»

Научный консультант: кандидат физико-математических наук, доцент Лёвкин Игорь Васильевич

Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук, профессор Пышнограй Григорий Владимирович доктор физико-математических наук, профессор Алтухов Юрий Александрович

Ведущая организация: Институт конструкторско-технологической информатики РАН, г. Москва

Защита состоится «25» июня 2010 г. в 12-00 часов на заседании диссертаци онного совета Д 212.005.04 в ГОУ ВПО «Алтайский государственный универ ситет» по адресу: 656049, г. Барнаул, пр. Ленина, 61.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Алтайского государственно го университета по адресу: 656049, г. Барнаул, пр. Ленина, 61.

Автореферат разослан «22» мая 2010 г.

Ученый секретарь диссертационного совета, д. ф.-м. н., профессор С.А. Безносюк

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность исследования. Двигателестроение относится к одной из наиболее науко- и капиталоемких отраслей машиностроения. Создание новых и модернизация существующих двигателей внутреннего сгорания (ДВС) является актуальной проблемой, необходимость решения которой обусловлена тенден цией роста требований к их характеристикам, а именно: повышение удельной мощности, улучшение экономических и экологических показателей, а также снижение материальных затрат при проектировании.

Успешное решение указанных проблем в значительной степени зависит от понимания процессов, протекающих в двигателе, и от возможной точности их прогнозирования и расчета с использованием математических методов.

Газодинамические процессы в проточных частях двигателя характеризу ются сложным трехмерным, а во многих случаях и нестационарным течением рабочего тела, связанным как с геометрией проточной части, так и с особенно стями компоновки и рабочего процесса двигателя.

В традиционной методике проектирования значительную долю (до 30 50% общих затрат) составляют затраты на экспериментально-доводочные ис следования и испытания, а также на устранение выявленных в результате испы таний дефектов. Поэтому задача автоматизации процесса проектирования, включающая задачу углубленных расчетно-теоретических и эксперименталь ных исследований сложных физических явлений, имеющих место во впускном канале двигателя, приобретает особую актуальность.

Степень изученности темы исследования. Моделирование течений в каналах основывается, главным образом, на решении уравнений Навье-Стокса и Рейнольдса. Разработка новых разностных алгоритмов для численного интег рирования этих уравнений стимулируется, с одной стороны, возрастающими требованиями к точности численных расчетов, а с другой стороны, необходи мостью проведения расчетов во всем проточном тракте за приемлемое время.

Использование неравномерных сеток с малыми пространственными шагами ставит проблему создания неявных разностных схем с большим запасом устой чивости и эффективной разрешимостью, сопоставимой с явными алгоритмами.

Необходимость проведения многовариантных расчетов диктует высокие требо вания к быстродействию алгоритмов и экономичному расходованию памяти компьютерной системы. Немаловажным аспектом является универсальность численного метода, то есть его применимость для широкого класса задач.

Из основополагающих работ по исследованию и моделированию газоди намических процессов в ДВС следует отметить труды Р.З. Кавтарадзе, В.Г.Зубкова, Н.Р. Брилинга, Б.Х. Драганова, А.С. Орлина.

Значительная часть работ, в которых применяются вычислительные ме тоды, посвящена исследованию процессов газодинамики и теплообмена в об ластях достаточно простой формы (прямоугольной, цилиндрической и т.п.). Та кие задачи имеют определенное прикладное значение и обычно являются тес товыми для проверки работоспособности новых математических моделей. Од нако реальная геометрия каналов, встречающихся на практике, далеко не всегда имеет простую форму.

Особый практический интерес представляют каналы, имеющие нерегу лярную криволинейную границу (диффузоры, волновые и винтовые каналы).

Ранее расчеты подобных каналов проводились с использованием криволиней ных координат и расчетных сеток, адаптированных к границам области тече ния. Однако задача построения криволинейной сетки сама по себе является дос таточно сложной.

Таким образом, можно утверждать, что математическое моделирование газодинамических процессов в областях сложной конфигурации с целью интел лектуальной поддержки деятельности инженера-конструктора является акту альной задачей.

В настоящей работе использованы фундаментальные подходы в области автоматизированного проектирования И.П. Норенкова, В.А. Осипова, М. Прин са, И. Сазерленда, А.И. Половинкина, Ю.М. Соломенцева, а также результаты теоретических, экспериментальных и численных исследований газодинамиче ских процессов в областях сложной конфигурации М.Г. Круглова, Д.Д. Мати евского, С.Г. Черного, К.Г. Белоконь, А.М. Бубенчикова, Ю.А. Гришина, В.А.Лашко, Л.А. Васильева, Г.Г. Черных, Б. Лаундера, Д. Сполдинга, Д. Андер сона, Р. Плетчера и других отечественных и зарубежных ученых.

Выявленные проблемы инженерного анализа рассматриваемых техниче ских объектов определили необходимость разработки методики и средств под держки вычислительного эксперимента при проектировании впускных каналов ДВС. Это позволило сформулировать цель работы и поставить научную задачу.

Целью работы является разработка инженерной методики численного моделирования течения газа в полости впускного канала двигателя внутреннего сгорания.

Для достижения указанной цели в работе поставлены следующие задачи:

– исследование существующих средств и методов моделирования газоди намических процессов в областях произвольной конфигурации;

– выбор математической модели турбулентного движения газового пото ка во впускном канале винтового типа и обоснование допущений;

– разработка алгоритма расчета потерь давления в канале на основе вы числительного эксперимента;

– проведение серии вычислительных экспериментов на основе математи ческой модели турбулентного движения газового потока;

– исследование адекватности математической модели путем сравнения расчетов с данными, полученными в результате промышленных испытаний;

– модификация инженерной методики проведения газодинамических ис пытаний впускных каналов ДВС на основе разработанной вычислительной тех нологии.

Положения, выносимые на защиту:

– обоснование выбора математической модели, описывающей газодина мические процессы во впускном канале ДВС, на базе осредненных по Рей нольдсу уравнений Навье-Стокса для вязкого несжимаемого газа;

– рекомендации по конструированию расчетной сетки и выбору моделей турбулентности, подходящих для расчета течения во впускном канале винтово го типа;

– методика проведения и результаты численного моделирования турбу лентного течения вязкого несжимаемого газа в полости впускного канала с применением оригинального расчетно-моделирующего комплекса.

Предметом исследования является впускной канал головки цилиндров дизелей семейства Д-440 производства ОАО «ПО “Алтайский моторный за вод”», локальные и интегральные газодинамические характеристики потока.

Методы исследования. В работе используется математическое модели рование газодинамических процессов, методы численного решения дифферен циальных уравнений в частных производных и систем нелинейных дифферен циальных уравнений. Для проведения вычислительных экспериментов исполь зуются инженерные пакеты с открытым программным кодом. Общей методоло гической основой исследования является системный подход.

Научная новизна. На основании анализа доминирования факторов про цесса течения газа в полости впускного канала ДВС разработана новая вычис лительная технология исследования газодинамических процессов в каналах сложных геометрических форм, позволяющая обосновывать выбор конструк тивных параметров при проектировании проточных трактов ДВС, а также при менять ее при решении технических проблем, связанных с исследованием ши рокого класса пространственных турбулентных сложных течений газа.

Обоснованы рекомендации по конструированию расчетной сетки, обес печивающие достижение приемлемой для практических целей точности расче тов. Разработана инженерная методика расчета параметров течения газа во впу скных каналах винтового типа ДВС.

Практическая ценность. Показано, что корректное численное модели рование стационарного турбулентного течения газа во впускном канале двига теля внутреннего сгорания по точности определения локальных и интегральных характеристик не уступает экспериментальным данным. Тем самым обоснована возможность существенного сокращения затрат на экспериментальную доводку новых моделей каналов.

Адекватная вычислительная модель предоставляет инженеру конструктору технологию визуализации полей скоростей и давлений в полости канала, формируя когнитивные образы зависимости геометрии (конструкции) канала и эффективности его работы, что позволяет решать задачи выбора опти мальной геометрической формы впускных каналов.

Обоснованность и достоверность результатов диссертационной работы обеспечивается корректностью постановок рассматриваемых задач, использо ванием апробированных вычислительных алгоритмов и расчетных схем, а так же соответствием расчетов экспериментальным данным, полученным на про мышленной испытательной установке.

Апробация работы. Основные положения и результаты диссертации об суждались на всероссийской научно-методической конференции «Математиче ское образование в регионах России» (Барнаул, 2008 г.), научно-технической конференции «Повышение качества продукции и эффективности производства» (Курган, 2006 г.), научно-технической конференции молодых преподавателей, аспирантов, студентов (Барнаул, 2004 г.), юбилейной 60-й научно-технической конференции студентов, аспирантов и профессорско-преподавательского со става (Барнаул, 2002 г.).

Отдельные разделы работы докладывались на заседаниях кафедр «Авто мобили и автомобильное хозяйство» и «Системы автоматизированного проек тирования» Алтайского государственного технического университета, на ка федре вычислительной математики и программирования Алтайской государст венной педагогической академии.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 10 работ, в том числе одна работа в издании, рекомендованном ВАК.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и списка литературы, включающего 118 наименований. Рабо та изложена на 119 страницах текста, включает 20 рисунков и 6 таблиц.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность работы. Дана характеристика со стояния проблемы, поставлены цель и задачи исследования, сформулированы научная новизна и практическая ценность результатов, приведены основные положения, выносимые на защиту.

В первой главе приводится анализ научно-технической литературы, по священной методам экспериментального и численного исследования газодина мических процессов в каналах сложных геометрических форм.

При проектировании впускных каналов основной задачей является полу чение газодинамических характеристик потока рабочего тела, обеспечивающих удовлетворительную наполняемость цилиндров двигателя во всем рабочем диапазоне последнего. Это достигается соответствующим выбором геометрии элементов проточной части канала.

Физический эксперимент является важным источником информации об особенностях течений газа во впускном канале. Однако исследования такого рода становятся все более затруднительными, дорогостоящими, а иногда и про сто невозможными. Получаемая в ходе эксперимента информация далеко не всегда обладает достаточной полнотой. В связи с этим в настоящее время в ин женерной практике возрастает роль численного моделирования.

Численное моделирование течений газа в проточных частях ДВС позво ляет детально исследовать характеристики потока в любой его точке, а также определять величины гидродинамических потерь, связанных с образованием пограничных слоев, возникновением отрывных зон и т.д. Кроме того, последо вательно и целенаправленно видоизменяя форму канала в процессе численного эксперимента, можно найти такую его конфигурацию, которая в наибольшей степени будет отвечать предъявляемым требованиям.

Проведенный анализ предметной области позволил сформулировать цели и задачи исследования.

Во второй главе описана математическая постановка задачи, которая включает систему осредненных по Рейнольдсу уравнений Навье-Стокса для случая турбулентного трехмерного течения вязкого несжимаемого газа.

Прежде всего, отмечается, что характер потока в канале зависит от его конструкции. На структуру потока в канале влияет также неравномерность поля скорости на входе в канал, нестационарность течения, форма клапана.

Во впускных каналах возможны три варианта течения. Первый вариант течения – безотрывный – наблюдается в каналах с гидродинамически целесо образной формой проточной части. Безотрывное течение возможно во впуск ных каналах при малых подъемах клапана. Предположение о безотрывном те чении является условным, так как в любом случае поток отрывается от стержня клапана или от выступа направляющей клапана.

Для второго варианта течения характерно наличие у стенок канала лока лизованных областей отрыва пограничного слоя. В основном имеет место ре жим трехмерного нестационарного отрыва, отличающегося изменением во вре мени интенсивности и положения зоны отрыва.

Третий вариант течения отличается наличием в потоке проникающих от рывов. Такое течение наблюдается во впускных каналах при относительно больших величинах открытия клапана. Отрыв потока от стенок приводит к то му, что часть периметра клапанной щели оказывается вне основного потока. В этой части клапанной щели происходит обратное течение из цилиндра в канал.

При открытии клапана происходит струйный отрыв, т.е. отрыв потока от вы пуклой и вогнутой поверхностей канала и от поверхности седла клапана.

Таким образом, течение в каналах имеет ярко выраженный пространст венный характер, поэтому корректное описание течения газа во впускном кана ле возможно только с привлечением модели, опирающейся на систему трех мерных уравнений Навье-Стокса.

Принято считать, что уравнения Навье-Стокса полностью описывают турбулентные явления, происходящие в потоке газа. Однако для реализации та кой возможности при численном моделировании необходима чрезвычайно мел кая сетка, достаточная для разрешения турбулентных вихрей наименьших мас штабов. Вследствие этого прямое численное моделирование турбулентности для задач, имеющих практический интерес, в настоящее время не представляет ся возможным.

Одним из способов исключения локальных мелкомасштабных пульсаций в уравнениях Навье-Стокса является осреднение по времени. Метод осреднения по правилам Рейнольдса предполагает запись уравнений переноса осредненно го по времени потока со всеми предполагаемыми масштабами турбулентности.

Такой подход значительно уменьшает вычислительные ресурсы, необходимые для решения численной задачи. В том случае, если осредненный поток является стационарным, то основные уравнения не содержат производных по времени и установившееся решение получается более экономичным.

В декартовой системе координат (х1, х2, х3) осредненные по Рейнольдсу уравнения Навье-Стокса с замыканием по гипотезе Буссинеска в случае несжи маемого газа и изотермического процесса1 записываются в виде:

– уравнение неразрывности:

ui 0;

xi – уравнения движения для трех проекций:

ui ui u j p 2 k ve ij, t x j xi xj где ui u j ve t ;

ij ;

x j xi ui – осредненные компоненты вектора скорости;

p – осредненное давление;

k – кинетическая энергия турбулентности;

– кинематическая вязкость;

t – турбулентная вязкость.

При осреднении по времени, в уравнениях Навье-Стокса появляются но вые члены, которые можно интерпретировать как градиенты «кажущихся» (рейнольдсовых) напряжений, связанных с турбулентным движением. Полу ченная система уравнений оказывается незамкнутой, поэтому с помощью до полнительных гипотез, называемых моделями турбулентности, необходимо связать рейнольдсовые напряжения с характеристиками турбулентного течения.

В данной работе для моделирования турбулентности применяются двух параметрические моделей семейства k- – «RNG» и «Standard»2.

В стандартной («Standard») k--модели турбулентная кинетическая энер гия находится из уравнения:

k k 2vk ku j k G 2, t x j x j y где – скорость диссипации турбулентности;

y – расстояние до ближайшей твердой стенки;

u u j ui k k ;

G t i k t ;

t C lv ;

;

x xi x j l j 1 k 2y k 2y l Cl y 1 exp( ) ;

l Cl y 1 exp( ).

Av v A v Скорость диссипации турбулентной кинетической энергии определяется Андерсон, Д. Вычислительная гидромеханика и теплообмен. В 2-х т. / Д. Андерсон, Д. Таннехил, Р. Плетчер.

– М. : Мир, 1990.

из уравнения переноса:

u j C 1 G C 2, t x j x j k k где t.

Эмпирические константы в приведенных выше уравнениях равны:

C 0,09, C1 1,45, C 2 1,92, Cl 0, 42C, A 2Cl, Av 70, k 1, 1,3.

В модели «RNG» параметры турбулентности вычисляются из следующих уравнений:

k k ku j k G ;

t x j x j C*1 G C 2, u j t x j x j k k где u u u k t t k ;

, t C ;

G t i j i ;

x k j xi x j 1 0 G C*1 C 1 ;

.

C Эмпирические константы в данной модели следующие:

C 0,085, C1 1,42, C 2 1,68, k 0,719, 0,719, 0 4,38, =0,012.

Для дискретизации исходных уравнений в работе применяется метод ко нечных объемов (МКО). Одним из важных свойств МКО является то, что в нем заложено точное интегральное сохранение таких величин, как масса, количест во движения и энергия на любой группе конечных объемов и, следовательно, на всей расчетной области. Это свойство проявляется при любом числе узловых точек, а не только в предельном случае большого их числа. Таким образом, да же решение на грубой сетке удовлетворяет точным интегральным балансам.

Численное решение системы уравнений проводится на разнесенной сетке, схематично представленной на рисунке 1. Это означает, что, различные зави симые переменные определяются в различных точках сетки. На рисунке 1 вид Wilcox, D. Turbulence Modeling for CFD / D. Wilcox. – DCW Industries, Inc. – 1993.

но, что давление определяется в центре ячейки, а компоненты скорости – на границах. Такая процедура делает сетку удобной для проведения дискретиза ции по методу конечных объемов.

Для решения системы дискретизированных уравнений в данной работе применяется итерационный алгоритм SIMPLE3. Основная идея SIMPLE подобных алгоритмов заключается в том, что для расчета давления использует ся разностное уравнение, полученное из дискретных аналогов уравнений коли чества движения и неразрывности. Градиент давления определяется по значе ниям давления в двух соседних узлах, что позволяет избежать рассогласования полей скорости и давления.

Далее приведены граничные и начальные условия моделирования.

Во входном сечении (входное окно патрубка) задается граничное условие входа с нормальной скоростью. Составляющие вектора скорости Vx, Vz и мас совый расход воздуха Q через сечение патрубка в зависимости от высоты под нятия клапана H приведены в таблице 1.

Рис. 1. Разнесенная расчетная сетка Значения k и во входном сечении определяются через интенсивность турбулентности I и характерный масштаб турбулентных вихрей L по форму лам (1).

k 3 k I u ;

, (1) L где I – интенсивность турбулентности (отношение турбулентной флуктуации скорости к средней скорости потока);

Флетчер, К. Вычислительные методы в динамике жидкостей : в 2 т. / К. Флетчер. – М. : Мир, 1991.

L – гидравлический диаметр входного патрубка.

В расчетах параметры I и L приняты равными: I 0,1;

L 0,077 м.

Применяемые в расчетах модели турбулентности семейства k- справед ливы только для полностью развитых турбулентных течений, т.е. когда t.

Очевидно, что вблизи твердой поверхности турбулентные флуктуации подав ляются стенкой. Поэтому вблизи стенки течению присущи свойства как лами нарного, так и турбулентного режима. В связи с этим для расчета параметров турбулентного потока вблизи стенки применяются эмпирически полученные законы, описывающие поведение потока. Так, безразмерная тангенциальная со ставляющая скорости определяется по формуле (2).

y ;

y ym u ln E y, (2) ;

y ym где – постоянная Кармана ( = 0,41);

Е – эмпирическая константа, определяющая степень шероховатости стенки (для гладкой стенки Е = 9).

В (2) используется обозначение для безразмерного расстояния до стенки:

u y y, (3) где ut – модуль тангенциальной составляющей скорости;

u – динамическая скорость, определяемая по формуле (4).

u w, (4) где w – напряжение трения на обтекаемой поверхности.

В выходном сечении (нижняя плоскость камеры сгорания) задается усло вие свободного выхода потока, а компоненты скорости экстраполируются из нутри расчетной области.

Таблица Исходные данные для расчетов H, мм Q, кг/с V, м/с Vx, м/с Vz, м/с 2 0,04 7,6 -3,8 6, 4 0,08 14,96 -7,48 12, 6 0,11 20,11 -10,05 17, 8 0,14 24,96 -12,48 21, 10 0,16 28,84 -14,42 24, 12 0,17 30,22 -15,11 26, В третьей главе приводится описание методики газодинамических испы таний впускного тракта 43/91, применяемой на ОАО «Производственное объе динение “Алтайский моторный завод”» (ОАО «ПО АМЗ»). Данная методика распространяется на головки цилиндров всех типов двигателей, выпускаемых ОАО «ПО АМЗ» и устанавливает программу и методы сравнительных, кон трольных и доводочных испытаний впускных и выпускных каналов на безмо торном стенде.

При испытании объектов методика позволяет определять следующие па раметры:

– сопротивление объекта испытаний (потеря давления на исследуемом участке) в зависимости от расхода воздуха и подъема клапана;

– момент количества движения воздушного заряда.

Перечисленные параметры определяются путем прямых измерений по терь давления на требуемом участке и замером реактивного момента на спрям ляющей решетке. Все измерения проводятся при установившемся режиме.

Показаны основные недостатки, присущие экспериментальным методам исследования в общем и методике 43/91 в частности.

Приводится методика построения твердотельной модели объекта иссле дования, включающей впускной патрубок, впускной канал, клапан и камеру сгорания (см. рис. 2).

Рис. 2. Твердотельная модель объекта исследования Показано, что общие принципы автоматизации проектирования поверх ностей изделий в машиностроении предусматривают комплексный подход, за ключающийся в том, что процессы проектирования, воспроизведения экспери ментальных образцов и их испытания, а также изготовление изделий серийного производства должны базироваться на единой математической модели.

На практике, при геометрическом профилировании канала, используется график изменения площадей поперечных сечений. Существует семейство гра фиков площадей поперечных сечений каналов, соответствующих различным значениям величины подъема клапана.

Одним из основных преимуществ автоматизированного способа проекти рования каналов ДВС является возможность моделирования непрерывных се мейств поперечных сечений и продольных направляющих, и получения инфор мации о любом их количестве в виде таблиц координат или чертежей шабло нов.

Проведена параметризация твердотельной модели, позволяющая автома тически изменять исходную конфигурацию впускного канала, геометрию его деталей и соответствующую расчетную сетку. Таким образом, инженеру конструктору предоставляется возможность генерации семейства конфигура ций каналов, удовлетворяющих конструктивным ограничениям. Варьирование параметров происходит посредством интерактивного командного файла.

Рассмотрена проблема построения расчетных сеток, которая является ключевой с точки зрения практического применения методов численного расче та течений газа.

Сформулированы следующие рекомендации по построению сетки:

– для построения поверхностной сетки, адекватно описывающей геомет рию исследуемого объекта, рекомендуется использовать треугольные ячейки с характерными размерами в пределах от 0,6 до 5 мм;

– при построении объемной расчетной сетки рекомендуется использовать сетку, состоящую из усеченных прямоугольных и тетраэдрических элементов (гибридная сетка). В области оси потока рекомендуется использовать только прямоугольные элементы, избегая при этом ячеек, вытянутых в направлении градиента рассчитываемого параметра. Также не следует допускать сильной скошенности ячеек (углы, образованные сеточными линиями, должны отли чаться от прямых не более чем на 45°);

– в области клапана и клапанной щели необходимо использовать сетку, состоящую из тетраэдрических элементов. При этом необходимо измельчение сетки, как минимум с коэффициентом 1/4;

– для корректного описания пристеночных слоев необходимо сгущение узлов расчетной сетки к поверхности. Чтобы снизить погрешность вычислений, в этой области рекомендуется строить сетку с прямоугольными ячейками.

По результатам серии тестовых расчетов, приводятся рекомендации, ка сающиеся размерности расчетной сетки:

– на сетках малой размерности (менее 50000 ячеек) значения коэффици ента потерь давления в канале сильно завышены. Это, в первую очередь, связа но с недостаточной точностью расчета пограничного слоя и участка течения в клапанной щели;

– при использовании сеток большой размерности (более 250000 ячеек) в рамках стационарной постановки не удалось свести итерационный процесс к решению.

Использование указанных выше рекомендаций позволяет получить каче ственную расчетную сетку, обеспечивающую необходимую точность расчетов за приемлемое время.

Проведена серия расчетов трехмерного течения во впускном канале при различных высотах поднятия впускного клапана, получены следующие резуль таты:

1) построены картины течения газа во внутренней полости впускного ка нала и на выходе из него;

2) рассчитаны основные характеристики потока (распределение давления, скорости, турбулентности и т.д.).

В расчетах использовалась сетка размерностью 152000...155000 ячеек (в зависимости от высоты поднятия клапана). При этом время расчета одного ва рианта на компьютере на базе процессора, работающего на частоте 1,8 ГГц, с оперативной памятью 2 Гб составляло порядка 40 минут.

Проводилось сравнение расчетного перепада давления в канале со значе ниями, полученными на реальной установке (см. рис. 3).

Погрешность рассчитывалась по следующей формуле:

Pэксп Pрасч P * 100%.

Р эксп Результаты расчетов приведены в таблицах 2 и 3, а также на рисунке 3.

В таблицах 2 и 3 приняты следующие обозначения: H – высота поднятия клапана, Pвх – давление на входе в канал, Pвых – давление на выходе из канала, Pрасч – перепад давления в канале (расчетное значение), Pэксп – перепад дав ления в канале (экспериментальное значение).

Таблица Результаты расчета (модель «Standart» k-) H, мм Pвх, Па Pвых, Па Pрасч, Па Pэксп, Па P* 2 17978,8 6822,57 11156,23 10297,04 8,3% 4 25602,21 12950,25 12651,96 10002,83 26,5% 6 21631,93 11175,52 10456,41 9120,23 14,7% 8 18432,02 7247,7 11184,27 9806,7 14% 10 21330,09 11408,15 9921,94 10885,44 8,9% 12 16651,49 7523,91 9127,58 10198,97 10,5% Таблица Результаты расчета (модель «RNG» k-) H, мм Pвх, Па Pвых, Па Pрасч, Па Pэксп, Па P* 2 18114,34 7010,7 11103,62 10297,04 7,7% 4 24837,23 13435,48 11401,75 10002,83 14% 6 21512,75 11446,88 10065,87 9120,23 10,4% 8 18719,18 8578,6 10140,58 9806,7 3,4% 10 21723,84 11842,1 9881,74 10885,44 9,2% 12 16209,18 7344,35 8864,83 10198,97 13,1% 14000 Эксперимент Модель Standard k-e Модель RNG k-e Перепад давления, Па высота поднятия клапана, мм 2 4 6 8 10 Рис. 3. Сравнение расчетных и экспериментальных данных Анализ картин течения показывает:

– отсутствие отрывных и локальных зон завихрения вдоль всего профиля канала и клапана для всех исследованных высот поднятия клапана;

– хорошее согласование геометрии канала с профилированием деталей клапанной щели, что обеспечивает равномерность распределения потока по пе риметру щели.

Так, в левой части рисунка 4 приведен профиль скоростей в области кла панной щели, полученный на основе экспериментальных исследований4. В пра вой части рисунка 4 изображено поле скоростей, полученное в результате рас чета (высота поднятия клапана – 10 мм).

Выполненные расчеты показали приемлемую точность и надежность предлагаемого метода. Приведенные результаты расчета хорошо согласуются с экспериментальными данными.

По результатам расчетов можно сделать вывод, что использование моде ли турбулентности «RNG» k- обеспечивает более высокую точность расчетов по сравнению со стандартной моделью.

В четвертой главе рассмотрены вопросы создания инженерной методики численного исследования течений во впускных каналах на основе разработан ной вычислительной технологии.

Применяя системный подход, можно считать, что двигатель представляет собой сложную систему, поэтому разработка новых перспективных дизелей со пряжена с организацией большого комплекса теоретических, опытно конструкторских и экспериментальных работ.

Рис. 4. Профиль скоростей в области клапанной щели впускного канала Драганов, Б.Х. Конструирование впускных и выпускных каналов двигателей внутреннего сгорания / Б.Х. Дра ганов, М.Г. Круглов, В.С. Обухова. – Киев : Вища шк. Головное издательство, 1987.

Анализ технически достижимого и рационального уровня автоматизации процесса разработки дизелей позволяет наметить четыре основных направления автоматизации:

1) информационное обслуживание разработок;

2) моделирование конструкций и анализа их работы;

3) испытание и исследование опытных образцов;

4) управление разработками.

В целях продвижения на ОАО «ПО АМЗ» современных технологий про ектирования впускных каналов разработан расчетно-моделирующий комплекс (см. рис. 5), состоящий из нескольких взаимосвязанных частей, каждая из кото рых реализована посредством специализированного программного обеспече ния.

На начальном этапе проектирования, использование автоматизированных систем твердотельного моделирования (CAD-систем) позволяет визуализиро вать канал, что значительно повышает эффективность конструктора проектировщика сложного изделия «головка цилиндров».

Адекватная (подтвержденная натурным экспериментом) вычислительная модель в автоматизированной системе газодинамического моделирования (САЕ-системе) дает инженеру-конструктору вычислительную технологию ви зуализации полей скоростей и давлений в полости канала, формируя когнитив ные образы зависимости качества работы канала, которая определяется вычис ляемыми параметрами, от его геометрии (конструкции). Добиваясь за счет из менения геометрии повышения качества канала, инженер-конструктор входит в противоречие с реализацией других элементов объекта проектирования, таким образом, ему дается когнитивная предпосылка, которая определяет направле ние совершенствования конструкции.

Появление CAD/CAE-систем с открытым исходным кодом делает дос тупными (в финансовом аспекте) вычислительные модели и вычислительные технологии проектирования с более глубокой автоматизацией за счет доступно сти исходных кодов. Фактически, такие технологии сводят затраты на проекти рование лишь к интеллектуальным затратам проектировщика и разработчика CAD/CAE-моделей.

Итак, представленный расчетно-моделирующий комплекс можно опреде лить как информационную компьютерную среду, организованную в соответст вии с собственной концепцией предприятия и состоящую из автоматизирован ных систем моделирования, оригинальных расчетных моделей и методик.

Комплекс предназначен как для выполнения проектирования впускных каналов ДВС, так и в целом для модельного сопровождения этапов жизненного цикла изделия.

Чертеж Создание Импорт 3D-модели (редактирование) в пакет газодинами изделия ческого анализа 3D-модели Моделирование (инженерный расчет) БД результатов Начальные и натурных граничные условия испытаний моделирования БД результатов Анализ вычислительных результатов экспериментов расчета Выпуск конструкторской документации Рис. 5. Обобщенная структура расчетно-моделирующего комплекса ЗАКЛЮЧЕНИЕ В диссертации решена задача расчета параметров пространственного тур булентного потока во впускном канале ДВС на основе разработки вычисли тельной технологии, включающей математическую модель на базе системы уравнений Навье-Стокса, осредненных по Рейнольдсу. Решение данной задачи имеет существенное значение для применения математического моделирования при изучении газодинамических процессов в проточных частях ДВС.

Предлагаемая вычислительная технология обеспечивает приемлемые для инженерных расчетов время и точность расчетов, поэтому продуктивна для конструкторской практики.

В диссертационном исследовании получены следующие результаты:

1. Обоснован выбор математической модели для описания газодинамиче ских процессов во впускном канале головки цилиндров дизельных двигателей семейства Д-440 в случае вязкого несжимаемого газа.

2. Разработана методика создания параметрической твердотельной моде ли объекта исследования, включающего полость впускного канала винтового типа.

3. Сформулированы рекомендации по конструированию трехмерной рас четной сетки и выбору модели турбулентности семейства k-, обеспечивающих получение решения задачи определения газодинамических характеристик пото ка с заданной точностью за приемлемое время.

4. Выполнена серия расчетов турбулентных течений газа во впускном ка нале головки цилиндров дизелей Д-440. Получены поля скоростей, давлений, турбулентной энергии в полости впускного канала.

5. Подтверждена адекватность математической модели и корректность принятых допущений путем сопоставления полученных результатов с данными промышленных испытаний.

6. Проведена модификация инженерной методики расчетов параметров течения во впускном канале двигателя, базирующаяся на результатах вычисли тельного эксперимента.

ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ Работы, опубликованные автором в ведущих рецензируемых научных журналах, рекомендованных ВАК Министерства образования и науки Россий ской Федерации:

1. Лёвкин И.В., Тюнин А.В. Моделирование течений газа во впускном ка нале ДВС // Известия вузов. Северо-Кавказский регион. Технические науки. – Ростов-на-Дону, : Изд-во ЮФУ, 2008. – №5. – С. 73-75 (авт. – 0,2 п.л.).

Другие публикации:

2. Тюнин А.В., Лёвкин И.В. Применение вычислительного эксперимента при моделировании газового потока в выпускном канале дизеля // Юбилейная 60-я научно-техническая конференция студентов, аспирантов и профессорско преподавательского состава, посвященная 60-летию АлтГТУ. – Барнаул : Изд во АлтГТУ, 2002. – C. 18 (авт. – 0,1 п.л.).

3. Лёвкин И.В., Тюнин А.В. Применение вычислительного эксперимента при моделировании газового потока в выпускном канале дизеля / Алтайский государственный технический университет им. И.И. Ползунова. – Барнаул, 2003. – 14 с. : илл. – Деп. в ВИНИТИ 14.04.2003 г., № 697-В2003 (авт. – 0,35 п.л.).

4. Тюнин А.В. Информационная технология для конструирования и до водки проточных каналов ДВС // Сборник тезисов научно-технической конфе ренции молодых преподавателей, аспирантов, студентов. – Барнаул, 2004. – С.

26-27 (авт. – 0,2 п.л.).

5. Тюнин А.В. Построение впускных каналов винтового типа средствами пакета «SolidWorks» // Повышение качества продукции и эффективности про изводства : материалы научно-технической конференции. Вестник Курганского гос. ун-та. – Курган, 2006. – С. 51-52 (авт. – 0,2 п.л.).

6. Тюнин А.В. Математическое моделирование потоков во впускном тру бопроводе ДВС // Научные разработки автотранспортного факультета Алтай скому краю. – Барнаул, 2007. – C. 53-57 (авт. – 0,4 п.л.).

7. Тюнин А.В. Математическое моделирование газового потока во впуск ном тракте дизеля // Математическое образование в регионах России : материа лы всероссийской научно-методической конференции. – Барнаул : БГПУ, 2008.

– С. 93-96 (авт. – 0,3 п.л.).

8. Тюнин А.В. Некоторые вопросы конструирования расчетных сеток // Математическое образование в регионах России : материалы всероссийской на учно-методической конференции. – Барнаул : БГПУ, 2008. – С. 89-92 (авт. – 0,3 п.л.).

9. Тюнин А.В. О моделях турбулентности, применяемых для расчета по тока во впускном канале ДВС // Математическое образование в регионах Рос сии : материалы всероссийской научно-методической конференции. – Барнаул :

БГПУ, 2008. – С. 85-89 (авт. – 0,3 п.л.).

10. Шапошников Ю.А., Тюнин А.В. Расчетная методика впускного канала двигателя внутреннего сгорания // Ползуновский вестник. – Барнаул : Изд-во АлтГТУ, 2009. – С. 44-50 (авт. – 0,2 п.л.).

Лицензия ЛР № 0221352 от 14.07.1999 г.

Лицензия Плр № 020109 от 15 07.1999 г.

Подписано в печать 19.05.2010 г. Формат 60х90 1/16.

Ризография. Усл.п.л. 1,45. Тираж 120 экз. Заказ 708.

Барнаульский юридический институт МВД России.

Организационно-научный и редакционно-издательский отдел.

656038, г. Барнаул, ул. Чкалова, 49;

www.buimvd.ru.