Процессы локального радиационно-конвективного теплообмена в камерах сгорания судовых дизелей тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.08.05, доктор технических наук Руднев, Борис Иванович

• Руднев, Борис Иванович
• доктор технических наук
• 1998

Оглавление диссертации доктор технических наук Руднев, Борис Иванович

ОСНОВНЫЕ УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ.

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА 1. АНАЛИЗ ОСНОВНЫХ РАБОТ ПО ИССЛЕДОВАНИЮ ЛОКАЛЬНОГО РАДИАЦИОННО-КОНВЕКТИВНОГО ТЕПЛООБМЕНА В КС ДИЗЕЛЕЙ.

1.1. Условия протекания процесса радиационно-конвектив-ного теплообмена в КС дизелей.

1.2. Расчетно-экспериментальные оценки локальных скоростей, температур рабочего тела и концентрации частиц сажи в КС.

1.3. Локальный радиационно-конвективный теплообмен между рабочим телом и стенками КС.

1.4. Основные задачи исследования.

ГЛАВА 2. МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ЛОКАЛЬНОГО КОНВЕКТИВНОГО ТЕПЛООБМЕНА В КС ДИЗЕЛЕЙ.

2.1. Анализ и особенности системы дифференциальных уравнений конвективного теплообмена применительно к КС дизелей.

2.2. Численное решение системы дифференциальных уравнений конвективного теплообмена в КС.

2.2.1. Одномерная постановка задачи.

2.2.2. Конечно-разностная аппроксимация дифференциальных уравнений при одномерной постановке задачи.

2.2.3. Двумерная постановка задачи.

2.2.4. Конечно-разностная аппроксимация дифференциальных уравнений при двумерной постановке задачи.

2.3. Использование методов теории турбулентного пограничного слоя для расчета локальных конвективных тепловых потоков в КС.

2.3.1. Некоторые положения теории турбулентного пограничного слоя и его интегральные соотношения.

2.3.2. Расчетная зависимость для определения локального конвективного теплового потока в КС.

2.4. Расчетно-экспериментальный метод определения скорости рабочего тела в цилиндре дизеля по измеренным значениям колебаний температуры поверхностей деталей КС.

Выводы.

ГЛАВА 3. МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ЛОКАЛЬНОГО РАДИАЦИОННОГО ТЕПЛООБМЕНА В КС ДИЗЕЛЕЙ.

3.1. Особенности излучения пламени в КС дизелей.

3.2. Температура пламени, концентрация частиц сажи в КС и радиационные характеристики поверхностей.

3.3. Расчетно-экспериментальный метод определения интегральной степени черноты дизельного пламени.

3.4. Некоторые предварительные положения к математическому описанию процесса локального радиационного теплообмена в КС дизелей.

3.5. Математическая модель локального радиационного теплообмена в КС дизелей.

Выводы.

ГЛАВА 4. МЕТОДИКИ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОГО ИССЛЕДОВАНИЯ ОСНОВНЫХ ПАРАМЕТРОВ РАДИАЦИОННО-КОНВЕКТИВНОГО ТЕПЛООБМЕНА В КС ДИЗЕЛЯ.

4.1. Колебания температуры в деталях КС и локальный суммарный тепловой поток.

4.2. Локальный радиационный тепловой поток.

4.3. Температура пламени и концентрация частиц сажи в объеме КС.

4.4. Краткое описание экспериментальной установки и комплекса измерительной аппаратуры.

4.4.1. Экспериментальная установка.

4.4.2. Комплекс измерительной аппаратуры.

4.4.3. Методика обработки опытных данных.

4.5. Оценка погрешностей основных измеряемых величин.

ГЛАВА 5. РЕЗУЛЬТАТЫ РАСЧЕТНО-ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОГО ИССЛЕДОВАНИЯ ПАРАМЕТРОВ ЛОКАЛЬНОГО РА-ДИАЦИОННО-КОНВЕКТИВНОГО ТЕПЛООБМЕНА В КС ДИЗЕЛЕЙ.

5.1. Основные параметры рабочего процесса, динамика тепловыделения и температурное состояние деталей

5.2. Экспериментальные характеристики локального нестационарного радиационно-конвективного теплообмена между рабочим телом и стенками КС дизеля при испытании на различных режимах работы.

5.2.1. Колебания температуры на поверхности деталей

5.2.2. Локальная плотность теплового потока на поверхностях деталей, значения температуры пламени и скорости рабочего тела в КС.

5.3. Расчетные характеристики локального нестационарного конвективного теплообмена в КС дизелей.

5.3.1. Изотермы, изостеры и изобары рабочего тела в

5.3.2. Поля скоростей рабочего тела.

5.3.3. Локальная плотность конвективного теплового потока на поверхностях деталей КС.

5.4. Расчетные характеристики локального нестационарного радиационного теплообмена в КС дизелей.

5.5. Сравнение расчетных и экспериментальных локальных конвективных, радиационных и суммарных тепловых потоков по поверхностям КС.

5.6. Некоторые практические рекомендации для расчета локальных конвективных и радиационных тепловых потоков в КС дизелей.

Выводы.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «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 высоко- и 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 "Тепло- и 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.