probenerИзвестия высших учебных заведений. ПРОБЛЕМЫ ЭНЕРГЕТИКИPower engineering: research, equipment, technology1998-99032658-5456Kazan State Power Engineering University10.30724/1998-9903-2019-21-5-22-28probener-1099Research ArticleЭНЕРГЕТИКАPOWER ENGINEERINGФизическое и численное моделирование тепломеханических характеристик стационарных потоков в газовоздушных трактах поршневых двигателейPhysical and numerical simulation of the thermal and mechanical characteristics of stationary flows in the gasair paths of piston engineshttps://orcid.org/0000-0002-4481-3607ПлотниковЛ. В.PlotnikovL. V.

Плотников Леонид Валерьевич – кандидат технических наук, доцент кафедры «Турбины и двигатели»

г. Екатеринбург

Leonid V. Plotnikov

Ekaterinburg

plotnikovlv@mail.ruБродовЮ. М.BrodovYu. M.

Бродов Юрий Миронович – доктор технических наук, зав. кафедрой турбин и двигателей

г. Екатеринбург

Yurii M. Brodov 

Ekaterinburg

turbine66@mail.ruЖилкинБ. П.ZhilkinB. P.

Жилкин Борис Прокопьевич –доктор физико-математических наук, профессор кафедры «Теплоэнергетика и теплотехника»

г. Екатеринбург

Boris P. Zhilkin 

Ekaterinburg

tot@ustu.ruНеволинА. М.NevolinA. M.

Неволин Александр Михайлович – доцент кафедры «Турбины и двигатели»

г. Екатеринбург

Alexander M. Nevolin 

Ekaterinburg

lexandr_nevolin@mail.ruМисникМ. О.MisnikM. O.

Мисник Мария Олеговна – магистрант

г. Екатеринбург

Maria O. Misnik 

Ekaterinburg

misnikmariya@yandex.ruУральский федеральный университет имени первого Президента России Б.Н. ЕльцинаРоссияUral Federal University named after the first President of Russia B.N. YeltsinRussian Federation2019161220192152228Copyright © Плотников Л.В., Бродов Ю.М., Жилкин Б.П., Неволин А.М., Мисник М.О., 20192019Плотников Л.В., Бродов Ю.М., Жилкин Б.П., Неволин А.М., Мисник М.О.Plotnikov L.V., Brodov Y.M., Zhilkin B.P., Nevolin A.M., Misnik M.O.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://www.energyret.ru/jour/article/view/1099

Тепломеханическое совершенство впускных и выпускных систем во много определяют эффективность рабочих процессов поршневых ДВС. В статье представлены результаты численного моделирования и экспериментального исследования теплоотдачи газовых потоков в профилированных газовоздушных системах ДВС. Приводятся описание методики численного моделирования, экспериментальной установки, конфигураций исследуемых гидравлических систем, приборной базы и методики проведения опытов. На основе численного моделирования установлено, что использование в выпускных системах ДВС профилированных участков с поперечными сечениями в форме квадрата или треугольника приводит к снижению коэффициента теплоотдачи на 5-11 %. Показано, что применение во впускной системе поршневых ДВС профилированных участков также приводит к снижению коэффициента теплоотдачи до 10 % при скоростях потока воздуха до 40 м/с и росту коэффициента теплоотдачи до 7% при более высоких скоростях. Экспериментальные исследования качественно подтверждают результаты моделирования.

Thermomechanical perfection of intake and exhaust systems largely determine the efficiency of the working process of reciprocating engines (ICE). The article presents the results of numerical simulation and experimental study of the heat transfer of gas flows in profiled gas- air systems of ICEs. A description of the numerical simulation technique, experimental setup, configurations of the studied hydraulic systems, measuring base and features of the experiments are given. On the basis of numerical modeling, it has been established that the use of profiled sections with cross sections in the shape of a square or a triangle in exhaust systems of an ICEs leads to a decrease in the heat transfer coefficient by 5-11%. It is shown that the use of similar profiled sections in the intake system of reciprocating engines also leads to a decrease in the heat transfer coefficient to 10 % at low air flow rates (up to 40 m/s) and an increase in the heat transfer coefficient to 7% at high speeds. Experimental studies qualitatively confirm the simulation results.

поршневые ДВСсистемы впуска и выпускагазодинамика и теплообменстационарные потокипоперечное профилированиеreciprocating internal combustion enginesintake and exhaust systemsgas dynamics and heat exchangestationary flowstransverse profilingРабота, по результатам которой написана статья, выполнена при поддержке РНФ в рамках научного проекта 18-79-10003.The work has been supported by the Russian Science Foundation (grant No. 18-79-10003).ReferencesHeywood J.B. Internal combustion engine fundamentals. New York: McGraw-Hill, 1988. 546 р.Heywood JB. Internal combustion engine fundamentals. New York: McGraw-Hill, 1988. 546 р.Драганов Б.Х., Круглов М.Г. Обухова В.С. Конструирование впускных и выпускных каналов двигателей внутреннего сгорания. Киев: Вища шк. Головное издательство. 1987. 175 с.Draganov BH., Kruglov MG., Obuhova VS. Design of intake and exhaust channels of internal combustion engines. Kiev: Vishcha shk. Head Publishing. 1987. 175 p.Lazarev E, Lazarev V, Pomaz A., Salov A. Exhaust gases energy use in the course of gas exchange in diesel-fueled vehicles. WIT Transactions on Ecology and the Environment. 2017. V. 224. № 1. pp. 91-99.Lazarev E, Lazarev V, Pomaz A., Salov A. Exhaust gases energy use in the course of gas exchange in diesel-fueled vehicles. WIT Transactions on Ecology and the Environment. 2017; 224(1):91-99.Гришин Ю.А. Граничные условия для численного расчета газообмена в поршневых двигателях // Инженерно-физический журнал. 2017. Т. 90. № 4. С. 1012-1017.Grishin YA. Boundary Conditions for Numerical Calculation of Gas Exchange in Piston Engines. Journal of Engineering Physics and Thermophysics. 2017;90(4):965-970.Karabulut H. A coupled thermodynamic and dynamic model of a three cylinder diesel engine: A novel approach for gas exchange process // Applied Thermal Engineering. 2017. V. 121. pp. 750-760.Karabulut HA .Coupled thermodynamic and dynamic model of a three cylinder diesel engine: A novel approach for gas exchange process. Applied Thermal Engineering. 2017;121:750-760.Y. Liu, F. Zhang, Z. Zhao, T. Cui, Z. Zuo, S. Zhang. The Effects of Pressure Difference on Opposed Piston Two Stroke Diesel Engine Scavenging Process // Energy Procedia. 2017. V.142. pp. 1172- 1178.Liu F., Zhang Z., Zhao T., et al. The Effects of Pressure Difference on Opposed Piston Two Stroke Diesel Engine Scavenging Process. Energy Procedia. 2017;142:1172-1178.Chalet D. New 0D/1D Physical Approach for Modelling the Gas Dynamics Behavior Inside the Intake System of an Engine // Journal of Thermal Science. 2018. V. 27. № 4. pp. 394-403.Chalet D. New 0D/1D Physical Approach for Modelling the Gas Dynamics Behavior Inside the Intake System of an Engine. Journal of Thermal Science. 2018;27(4): 394-403.B. Franzke, S. Pischinger, P. Adomeit, C. Schernus, J. Scharf, T. Uhlmann. A Sectoral Approach to Modelling Wall Heat Transfer in Exhaust Ports and Manifolds for Turbocharged Gasoline Engines // SAE International Journal of Materials and Manufacturing. 2016. V. 9. № 2. pp. 276-285.A Sectoral Approach to Modelling Wall Heat Transfer in Exhaust Ports and Manifolds for Turbocharged Gasoline Engines. SAE International Journal of Materials and Manufacturing. 2016; 9(2):276- 285.L. Huang, C. Ma, Y. Li, J. Gao, M. Qi. Applying neural networks to the improvement of gasoline turbocharger heat transfer modeling // Applied Thermal Engineering. 2018. V.141. pp. 1080- 1091.Applying neural networks to the improvement of gasoline turbocharger heat transfer modeling. Applied Thermal Engineering. 2018; 141:1080-1091.Кутателадзе С. С. Теплопередача и гидродинамическое сопротивление. М.: Энергоатомиздат, 1990. 367 с.Kutateladze SS. Heat Transfer and Hydrodynamic Resistance: A Handbook. Moscow: Energoatomizdat. 1990.367 p.Жилкин Б.П. Влияние формы поперечного сечения впускного канала на газодинамику и расходные характеристики процесса впуска в ДВС // Известия Высших учебных заведений. Проблемы энергетики. 2009. № 7-8. С. 94-98.Zhilkin BP. Influence of the cross-sectional shape of the inlet channel on the gas-dynamics and flow characteristics of the intake process in the internal combustion engine. Proceedings of the higher educational institutions. Energy sector problems.2009;7-8: 94-98.А.F. Emery, P.K. Neighbors, F.B. Gessner Emery А.F. The numerical prediction of developing turbulent flow and heat transfer in a square Duct // Journal of Heat Transfer. 1980. V. 102. pp. 51-57.Emery АF. The numerical prediction of developing turbulent flow and heat transfer in a square Duct . Journal of Heat Transfer. 1980;102:51-57.Plotnikov L.V. Specific aspects of the thermal and mechanic characteristics of pulsating gas flows in the intake system of a piston engine with a turbocharger system // Applied Thermal Engineering. 2019. V. 160.Plotnikov LV. Specific aspects of the thermal and mechanic characteristics of pulsating gas flows in the intake system of a piston engine with a turbocharger system. Applied Thermal Engineering. 2019.Plotnikov L. The flows structure in unsteady gas flow in pipes with different cross-sections // EPJ Web of Conferences. 2017. V. 159.Plotnikov L. The flows structure in unsteady gas flow in pipes with different cross-section. EPJ Web of Conferences. 2017.Brodov Y.M. Influence of Intake/exhaust Channel Lateral Profiling on Thermomechanics of Pulsating Flows // Technical Physics. 2018. V. 63. № 3. pp. 319-324.Brodov YM. Influence of Intake/exhaust Channel Lateral Profiling on Thermomechanics of Pulsating Flows. Technical Physics. 2018;63(3):319-324.

The authors declare that there are no conflicts of interest present.