Процессы локального радиационно-конвективного теплообмена в камерах сгорания судовых дизелей

Долгосрочные научные прогнозы подтверждают, что в обозримом будущем дизели по-прежнему будут составлять основу транспортной и стационарной энергетики. Это объясняется их высокой экономичностью и рядом других существенных преимуществ по сравнению с остальными типами тепловых двигателей.

Современные тенденции развития дизелей связаны прежде всего с увеличением их удельной мощности и улучшением экономических характеристик. Это обуславливает появление целого ряда проблем и одна из наиболее важнейших из них возрастание теплонапряженности деталей, образующих КС. Взаимодействие рабочего тела со стенками КС приводит к крайне неравномерному тепловому нагружению ее деталей. Высокие локальные тепловые потоки на указанных поверхностях являются основной причиной низкой эксплуатационной надежности современных форсированных дизельных двигателей.

Вместе с тем процессы локального радиационно-конвективного теплообмена между рабочим телом и стенками деталей КС все еще остаются недостаточно изученными и являются одним из узких мест в теории ДВС. В связи с этим создание надежных экспериментально обоснованных расчетно-теоретических методов исследования локального радиационно-конвективного теплообмена в КС дизелей являются актуальной проблемой. Ее решение позволяет значительно повысить уровень проектирования дизелей, в том числе с применением САПР и получить большой народнохозяйственный эффект за счет уменьшения затрат на проектирование и экспериментальную доводку двигателей.

Цель работы. Основная цель работы заключается в решении комплекса экспериментальных, теоретических и методических задач, связанных с созданием новых уточненных математических моделей и методов расчета локального радиационно-конвективного теплообмена в КС дизелей.

Научная новизна работы состоит в том, что:

— предложен оригинальный подход к решению задачи локального конвективного теплообмена, основанной на использовании фундаментальных законов сохранения, элементов теории турбулентного пограничного слоя и их численной реализации на ЭВМ с помощью МКР;

— рассмотрена и решена задача потенциального течения рабочего тела в КС дизельного двигателя в нестационарной постановке, в результате получены поля температуры, скорости, плотности и давления рабочего тела;

— предложена и реализована математическая модель локального конвективного теплообмена в КС дизелей;

— выполнены анализ взаимодействия потоков излучения в КС дизеля и оценка роли эффективного излучения, что позволило модифицировать фундаментальную постановку задачи радиационного теплообмена;

— предложена и реализована математическая модель локального радиационного теплообмена в КС со сложной геометрией;

— впервые в практике экспериментальных исследований теплообмена в КС дизелей выполнено одновременное измерение суммарных и радиационных тепловых потоков, температуры пламени и концентрации частиц сажи.

Достоверность и обоснованность научных положений определяются:

— применением общих систем уравнений, выражающих фундаментальные законы сохранения энергии, массы и импульса с соответствующими начальными и граничными условиями, современных численных методов реализации математических моделей;

— использованием для обоснования предложенных математических моделей локального радиационно-конвективного теплообмена достоверных опытных данных, полученных автором на разработанной им специальной экспериментальной установке для измерения основных параметров рабочего процесса дизеля и локальных нестационарных тепловых потоков, темпе.

16 Ч ратуры пламени и концентрации частиц сажи в КС в широком диапазоне изменения нагрузочных и скоростных режимов;

— использованием достоверных результатов экспериментальных и расчетных исследований, выполненных другими авторами в МГТУ, ЦНИДИ, СПбГТУ, ГМА им. адм. С. О. Макарова (С.-Петербург), ВАТТ (С.Петербург), ХПИ, МАДИ, ИТТФ АН Украины, в Висконсинском университете, в университете г. Лафборо (Англия), в фирме «Даймлер-Бенц» и др.;

— экспериментальным подтверждением достаточной точности разработанных математических моделей конвективного и радиационного теплообмена на примерах распределения нестационарных локальных суммарных, конвективных и радиационных тепловых потоков, а также стационарных температур и их колебаний, замеренных на поверхности крышки цилиндров и других деталей КС при широком диапазоне изменения режимов работы двигателя;

— применением ГОСТов, нормативных актов и соответствующей градуировкой элементов измерительного комплекса при расчетно-экспериментальном исследовании дизелей.

Значимость работы для науки и практики состоит в том, что:

— развиты теоретические и расчетные основы проектирования и доводки дизелей путем дальнейшей разработки теоретических и экспериментальных методов определения локальных тепловых нагрузок и теплового состояния деталей ЦПГ дизелей;

— разработаны алгоритмы и программы, реализующие математические модели локального радиационно-конвективного теплообмена между рабочим телом и стенками КС и позволяющие с достаточной для практики точностью решать комплексные задачи проектирования перспективных конструкций дизелей, доводки и модернизации существующих;

— при непосредственном участии и по проекту автора в лаборатории ДВС технического университета (С.-Петербург) была создана экспериментальная установка для измерения локальных нестационарных температур, радиационных и суммарных тепловых потоков, температуры пламени и концентрации частиц сажи в КС высокооборотного дизеля. Кроме этого автором созданы оригинальные конструкции поверхностного железо-никелевого термоприемника и датчика радиационного теплового потока и в соавторстве предложена и реализована конструкция установки для динамической градуировки поверхностных термоприемников;

— решение ряда теоретических, экспериментальных и методических вопросов определения локальных тепловых нагрузок и теплового состояния деталей КС позволяют значительно сократить затраты на проектирование и доводку высокои среднеоборотных дизелей;

— результаты диссертационной работы внедрены на Коломенском тепловозостроительном заводе, в объединении «Кировский завод» (С.Петербург), а также в учебный процесс Дальневосточного государственного технического рыбохозяйственного университета.

Апробация работы. Результаты расчетных и экспериментальных исследований, составляющих основу диссертации, докладывались на: краевых и отраслевых научно-технических конференциях Приморского краевого Правления НТО пищевой промышленности (Владивосток, 1977 г.), НТО судостроительной промышленности им. А. Н. Крылова (Владивосток, 1977 Г.) — отраслевой научно-технической конференции «Вопросы повышения надежности и эффективности судовых энергетических установок» (Владивосток, 1985 г.) — Дальневосточной научно-практической конференции «Проблемы транспорта Дальнего Востока» (Владивосток, 1995 г.) — межвузовской научно-технической конференции «Проблемы развития морского транспорта на Дальнем Востоке» (Владивосток, 1997 г.) — Всесоюзной научной конференции «Тепловыделение, теплообмен и теплонапряженность высокофорсированных ДВС, работа их на неустановившихся режимах» (Ленинград, 1976 г.) — Всесоюзной научной конференции «Рабочие процессы в двигателях внутреннего сгорания» (Москва, 1978 г.) — научном семинаре с международным участием по корабельной энергетике (Варна, Болгария, 1979 г.) — Всесоюзной научно-технической конференции «Перспективы развития комбинированных двигателей внутреннего сгорания и двигателей новых схем и топлив» (Москва, 1980 г.) — национальной научно-технической конференции с международным участием «Развитие и производство автомобильных и тракторных дизельных двигателей» (Варна, Болгария, 1980 г.) — Всесоюзной научной конференции «Рабочие процессы в двигателях внутреннего сгорания» (Москва, 1982 г.) — Всесоюзной научной конференции «Проблемы совершенствования рабочих процессов в двигателях внутреннего сгорания» (Москва, 1986 г.) — Всесоюзной научно-технической конференции «Перспективы развития комбинированных двигателей внутреннего сгорания и двигателей новых схем и на новых топливах» (Москва, 1987 г.) — 19-ом Международном симпозиуме МЦТМ «Теплои массообмен в бензиновых и дизельных двигателях» (Дубровник, Югославия, 1987 г.) — Международной конференции по двигателям внутреннего сгорания, KONES" 87 (Люблин, Польша, 1987 г.) — Первом Международном форуме по тепломассообмену (Минск, 1988 г.) — Международной конференции по двигателям внутреннего сгорания, KONES" 88 (Познань, Польша, 1988 г.) — Международной конференции по двигателям внутреннего сгорания, KONES 89 (Вроцлав, Польша, 1989 г.) — Всесоюзной научно-технической конференции «Повышение надежности и экологических показателей автомобильных двигателей» (Горький, 1990 г.) — Всесоюзной научно-технической конференции «Актуальные проблемы развития двигателей внутреннего сгорания и дизельных установок» (Ленинград, 1990 г.) — Международной конференции по двигателям внутреннего сгорания, KONES'91 (Познань, Польша, 1991 г.) — 12-ом Всесоюзном межотраслевом научно-техническом семинаре «Рабочий процесс, теплообмен, теплонапряженность деталей ДВС» (С.-Петербург, 1991 г.) — Втором Международном форуме по тепломассообмену (Минск, 1992 г.) — Втором Международном симпозиуме по малым дизельным двигателям, CIMAC92 (Варшава, Польша, 1992 г.) — Международной научно-технической конференции «Совершенствование быстроходных дизелей» (Барнаул, 1993 г.);

Второй Международный научно-технической конференции «Актуальные проблемы фундаментальных наук» (Москва, 1994 г.) — Первой Российской национальной конференции по теплообмену (Москва, 1994 г.) — Тихоокеанской Международной конференции «Математическое моделирование и криптография», РММС-95 (Владивосток, 1995 г.) — 4-ом Международном симпозиуме по малым дизельным двигателям, CIMAC 96 (Варшава, Польша, 1996 г.).

Публикации. Основные материалы диссертации изложены в двух учебных пособиях [196, 197], в отдельных научных и периодических изданиях [13−15, 30, 36,76,100−115,198−233,246, 323, 395,434−437], а также в отчетах по госбюджетным и хоздоговорным темам Дальрыбвтуза и Государственного технического университета (С.-Петербург) за 1975;1995 гг. [80, 81, 93, 175,176,180,184−186].

Автор защищает:

— Экспериментально обоснованные математические модели локального конвективного и радиационного теплообмена в КС дизелей, позволяющие определить:

— поля температуры, скорости, плотности и давления рабочего тела в объеме КС;

— локальные плотности конвективного, радиационного и суммарного тепловых потоков на поверхностях КС;

— тепловое состояние деталей ЦПГ дизеля.

— Расчетно-экспериментальный метод определения локальной интегральной степени черноты дизельного пламени;

— Методы численной реализации указанных выше математических моделей и результаты, полученные при этом;

— Результаты определения локальных нестационарных конвективных, радиационных и суммарных тепловых потоков на поверхностях КС дизеля, а также данные по температуре пламени, концентрации частиц сажи в объе.

20 ме КС и скорости рабочего тела, полученные экспериментальным путем на специальной установке.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, 5 глав и заключения. Глава 1 содержит краткий анализ работ по исследованию локального радиационно-конвективного теплообмена в дизелях и основные задачи исследования. Главы 2−5 содержат материалы по разработанным математическим моделям локального конвективного и радиационного теплообмена, методики экспериментального определения основных параметров теплообмена в КС дизеля, результаты проведенных исследований и основные выводы.