Стационарная термогазодинамика потоков в цилиндре и выпускной системе поршневого двигателя

ЦЕЛЬ. На основе физико-математического моделирования оценить влияние конструкции выпускного коллектора на газодинамику и теплообмен стационарных турбулентных потоков газа в цилиндре и выпускной системе поршневого двигателя внутреннего сгорания для разных граничных условий.

МЕТОДЫ. Исследование газодинамики и теплообмена потоков осуществлялось с помощью CFD-подхода в специализированном программном обеспечении российского производства. Моделирование выполнялось для перепада давления от 0,15 до 40 кПа (скорость потока на выходе из системы 10-130 м/с). Для моделирования использовалась k-ε модель турбулентности. Расчетная сетка состояла из 610000 ячеек. Изменение конструкции заключалось в использовании профилированных каналов с поперечными сечениями в форме круга (диаметр 30 мм), квадрата (сторона 30 мм) и треугольника (сторона 52 мм).

РЕЗУЛЬТАТЫ. В статье описаны математическая модель, изучаемая геометрия выпускной системы и анализ полученных данных. В качестве газодинамических характеристик потока были выбраны поле скоростей, изолинии одинаковых скоростей и касательные вектора скорости. Дан анализ газодинамики в продольном сечении выпускной системы и клапана, а также визуализация структуры потока в 4 контрольных сечениях вдоль длины выпускной системы. Коэффициент теплоотдачи в выпускной системе использовался для оценки теплообменных характеристик потока. Показаны качественные и количественные отличия в газодинамических и теплообменных показателях потоков для разных конструкций выпускной системы.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ. Установлено, что существуют общие газодинамические эффекты при течении газа в разных элементах выпускной системы. Показана эволюция структуры потока вдоль длины системы выпуска на базе изменения поля скоростей, изолиний одинаковых скоростей и касательных вектора скорости. Выявлены вихревые структуры, образующиеся в клапанном узле и углах профилированных каналов. Установлено, что использование профилированных каналов в выпускной системе приводит к снижению коэффициента теплоотдачи на величину от 5 до 12 %.

1. Reitz R.D., Ogawa H., Payri R., Fansler T., et al. IJER editorial: The future of the internal combustion engine // International Journal of Engine Research. 2020. V. 21(1). Р. 3-10.

2. Makartchouk A. Diesel Engine Engineering: Thermodynamics, Dynamics, Design, and Control. New York, Basel: Marcel Dekker Inc., 2002. 392 р.

3. Krastev V.K., d’Adamo A., Berni F., Fontanesi S. Validation of a zonal hybrid URANS/LES turbulence modeling method for multi-cycle engine flow simulation // International Journal of Engine Research. 2020. V. 21(4). P. 632-648.

4. Ko I., Rulli F., Fontanesi S., d’Adamo A., Min K. Methodology for the large-eddy simulation and particle image velocimetry analysis of large-scale flow structures on TCC-III

5. engine under motored condition // International Journal of Engine Research. 2021. V. 22(8). P. 2709-2731.

6. Dias Ribeiro M., Mendonça Bimbato A., Araújo Zanardi M., Perrella Balestieri J.A., Schmidt D.P. Large-eddy simulation of the flow in a direct injection spark ignition engine using an open-source framework // International Journal of Engine Research. 2020. V. 22(4). P. 1064-1085.

7. Buhl S., Hain D., Hartmann F., Hasse C. A comparative study of intake and exhaust port modeling strategies for scale-resolving engine simulations // International Journal of Engine Research. 2018. V. 19(3). P. 282-292.

8. Bai S., Chen G., Sun Q., Wang G., Li G.-X. Influence of active control strategies on exhaust thermal management for diesel particular filter active regeneration // Applied Thermal Engineering. 2017. V. 119. P. 297-303.

9. Wu X., Chen J., Xie L. Optimal design of organic Rankine cycles for exhaust heat recovery from light-duty vehicles in view of various exhaust gas conditions and negative aspects of mobile vehicles // Applied Thermal Engineering. 2020. V. 179. Article number 115645.

10. Simonetti M., Caillol C., Higelin P., Dumand C., Revol E. Experimental investigation and 1D analytical approach on convective heat transfers in engine exhaust-type turbulent pulsating flows // Applied Thermal Engineering. 2020. V. 165. Article number 114548.

11. Cerdoun M., Khalfallah S., Beniaiche A., Carcasci C. Investigations on the heat transfer within intake and exhaust valves at various engine speeds // International Journal of Heat and Mass Transfer. 2020. V. 147. Article number 119005.

12. Plotnikov L.V. Thermal-mechanical characteristics of stationary and pulsating gas flows in a gas-dynamic system (in relation to the exhaust system of an engine) // Thermal Science. 2022. V. 26(1A). P. 365-376.

13. Jang J., Woo Y., Jung Y., Cho C., Kim G., Pyo Y., Han M., Lee S. Research for intake and exhaust system parameterization of 2-cylinder gasoline engine for RE-EV // International journal of energy research, 2018. V. 42(13). P. 4256-4256.

14. Wang T.J. Optimum design for intake and exhaust system of a heavy-duty diesel engine by using DFSS methodology // Journal of mechanical science and technology. 2018. V. 32(7). P. 3465-3472.

15. Bae M.W., Ku Y.J., Park H.S. A Study on Effects of Tuning Intake and Exhaust Systems Upon Exhaust Emissions in A Driving Car of Gasoline Engine // Transactions of the Korean society of mechanical engineers B. 2019. V. 43(5). P. 379-388.

16. Khairuddin U.B., Costall A.W. Aerodynamic optimization of the high pressure turbine and interstage duct in a two-stage air system for a heavy-duty diesel engine // Journal of Engineering for Gas Turbines and Power. 2018. V. 140(5). Article number 052801.

17. Плотников Л.В., Жилкин Б.П., Бродов Ю.М. Влияние поперечного профилирования впускных и выпускных трубопроводов поршневых двигателей на тепломеханические характеристики потоков // Известия вузов. Проблемы энергетики. 2017. № 1/2. С. 119-126.

18. Ma C.-C., Sun L.-W., Fang N., Zhang H. Effects of the Exhaust System on the Performance of a Turbocharged Diesel Engine // Transaction of Beijing Institute of Technology. 2017. V. 37(9). P. 919-925.

19. Karabulut H., Solmaz H., Ipci D. 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. P. 750-760.

20. Albaladejo-Hernández D., García F.V., Hernández-Grau J. Influence of catalyst, exhaust systems and ECU configurations on the motorcycle pollutant emissions // Results in Engineering. 2020. V. 5. 100080.

21. Bordjane M., Chalet D. Analysis of the exchange process in ice using a moving mesh approach // International journal of fluid mechanics research. 2019. V. 46(1). P. 63-87.

22. Torregrosa A.J., Broatch A., Arnau F.J., Hernandez M. On the effect of different flux limiters on the performance of an engine gas exchange gas-dynamic model // International journal of mechanical sciences, 2017. V. 133. P. 740-751.

23. Идельчик И.Е. Аэрогидродинамика технологических аппаратов. (Подвод, отвод и распределение потока по сечению аппаратов). Москва: Машиностроение, 1983. 351 с.

24. Plotnikov L.V. Unsteady gas dynamics and local heat transfer of pulsating flows in profiled channels mainly to the intake system of a reciprocating engine // International Journal of Heat and Mass Transfer. 2022. V. 195. Article number 123144.

25. Plotnikov L., Grigoriev N., Osipov L., Slednev V., Shurupov V. Stationary Gas Dynamics and Heat Transfer of Turbulent Flows in Straight Pipes at Different Turbulence Intensity // Energies. 2022. V. 15(19). Article number 7250.

26. Плотников Л.В., Бродов Ю.М., Жилкин Б.П., Осипов Л.Е., Десятов К.О. Спектральный анализ газодинамических характеристик пульсирующих потоков газа в

27. выпускной системе поршневого двигателя // Известия высших учебных заведений. Проблемы энергетики. 2022. Т. 24. № 1. С. 114-125.

28. Ravi R., Pachamuthu S., Kasinathan P. Computational and experimental investigation on effective utilization of waste heat from diesel engine exhaust using a fin protracted heat exchanger // Energy. 2020. V. 200. Article number 117489.

29. Zhao M., Wei M., Tian G., Song P. Simulation of effects of ORC system installation on heavy-duty truck // Applied Thermal Engineering. 2018. V. 128. P. 1322-1330.

30. Mizythras P., Boulougouris E., Theotokatos G. A novel objective oriented methodology for marine engine–turbocharger matching // International Journal of Engine Research. 2022. V. 23(12). Р. 2105-2127.

31. Плотников Л.В., Бродов Ю.М., Жилкин Б.П., Григорьев Н.И. Особенности тепломеханических характеристик пульсирующих потоков в газовоздушных трактах поршневых двигателей с турбонаддувом // Известия высших учебных заведений. Проблемы энергетики. 2019. Т. 21. № 4. С.77-84.