РОЗРОБКА І Апробація МЕТОДИКИ МОДЕЛЮВАННЯ РОБОЧИХ ПРОЦЕСІВ В Двигуни внутрішнього згоряння

Наша сеть партнеров Banwar

Курчаткин І. В.1, Горшкалев А.А.2, цапкова А.Б.3

1Студент, 2Аспірант, 3Аспірант, Самарський національний дослідницький університет імені академіка С.П. Королева

РОЗРОБКА І Апробація МЕТОДИКИ МОДЕЛЮВАННЯ РОБОЧИХ ПРОЦЕСІВ В Двигуни внутрішнього згоряння

анотація

У статті представлена розроблена методика моделювання робочих процесів в камері згоряння (КС) двигуна внутрішнього згоряння (ДВЗ). Методика включає опис підготовки тривимірної моделі КС ДВС, накладення кінцево-елементної сітки, завдання граничних умов і настройку рішення. Апробація проводилася на КС авіаційного звездообразного двигуна М-14. Був проведений цикл розрахунків холодної продувки ДВС в програмному комплексі ANSYS IC Engine, проведено порівняння отриманих даних. Запропоновано варіант поліпшення впускного каналу двигуна.

Ключові слова: двигун внутрішнього згоряння, камера згоряння, моделювання процесів.

Kurchatkin I. V. 1, Tsapkova A. B. 2, Gorshkalev A. A. 3

1Student, 2 Postgraduate student, 3 Postgraduate student, Samara University

DEVELOPMENT AND TESTING TECHNIQUE OF MODELING OF WORKING PROCESSES IN INTERNAL COMBUSTION ENGINES

Abstract

The paper presents the developed method of modeling workflows in the combustion chamber (CC) of the internal combustion engine (ICE). The methodology includes a description of the preparation of three -dimensional model of the COP ICE, application of finite element mesh, boundary conditions, and job setting solutions. Testing was conducted at COP aircraft radial engine M -14. Cycle calculations ICE cold purge was performed in the software package ANSYS IC Engine , a comparison of the data. A variant of the engine to improve the intake channel .

Keywords: internal combustion engine, combustion chamber, process modeling.

У статтях [1-7] раніше були розглянуті питання моделювання робочих процесів в ДВС. Окремо увагу було приділено особливостям побудови тривимірної моделі КС ДВС [1] і вирішення питань створення кінцево-елементної сітки в КС ДВС для динамічного розрахунку робочих процесів [2]. Для підготовки тривимірної моделі КС ДВС до моделювання процесів, що протікають в ній в додатку Fluent, необхідно було затрать значна кількість часу, так як всі налаштування і операції проводилися вручну. Їх можна розділити на три основних етапи.

На першому етапі проводилося побудова головки блоку циліндра (ГБЦ) для одного циліндра з впускними і випускними каналами, а також впускними і випускними клапанами в графічному редакторі SolidWorks. Далі після експорту моделі в Ansys Gambit, за допомогою булевих операцій виходить камера згоряння з впускними і випускними каналами і вирізаними впускними і випускними клапанами. У Ansys Gambit модель була розсічена за допомогою створених допоміжних поверхонь на 16 обсягів, згідно з розробленою схемою. Далі були задані умови проникності (Interfaces) дотичних поверхонь між обсягами. Були задані граничні умови тиску на вході (Pressure_inlet) у впускному каналі і тиску на виході (Pressure_outlet) з випускного каналу. Метою даних операцій була підготовка моделі до другого етапу. Створені обсяги дають можливість в зонах руху клапана створити динамічну прямокутну сітку з методом руху - «розшарування» (Layering), і тетрагональную сітку з перестроюванням (Remeshing) при русі [1].

Другим етапом розділі побудови конечноелементной сітки в Ansys Gambit, в кожному розділеному надвоє обсязі на поверхнях з'єднують половини, накладається сітка. В циліндричних обсягах будується чотирикутна сітка (Quad) з розміром осередків 0,5 мм з типом побудови Pave. У поверхнях кільцевого обсягу з профілем трапеції і паралелограма накладається сітка з розміром осередків 0,3 мм і типом побудови Мар. Розмір вибирається з урахуванням того, що дані обсяги стикаються між собою і містять в собі область щілини клапана, тому в даному місці для коректного розрахунку в ANSYS Fluent необхідна умельченная сітка. Тип березня вибирається в зв'язку з формою обсягів, так як дозволяє отримати оптимальні за формою осередку на поверхнях. Використовуючи інструмент Cooper і накладену сітку на поверхнях як джерело, створюється сітка з розміром елемента 1мм [2].

В обсязі камери згоряння накладається трикутна сітка з розміром осередку рівним 2 мм, достатнім для газодинамічного розрахунку в першому наближенні. У впускному і випускному каналах накладається трикутна сітка з розміром осередку рівним 2 мм, так дані області статичні і не вимогливі до малих розмірах осередків. У надпоршневом обсязі створена Кончно-елементна сітка з осередками в формі призми. Звичайно-елементна сітка, виконана даними чином дозволить отримати високі результати газодинамічного і теплового розрахунку основних параметрів в поршневому двигуні [2].

Третім етапом йде завдання граничних умов, включаючи прив'язку рухомим кордонів рівнянь рухів, детально описане в [3-7].

IC Engine - спеціальна система аналізу для моделювання процесів в КС ДВС в додатку Fluent зі спрощеною процедурою підготовки тривимірної моделі КС з частиною впускного і випускного каналів. Дана система дозволять значно скоротити час на підготовку тривимірної моделі, за рахунок того, що всі пункти виконуються в напівавтоматичному режимі, крім завдання граничних умов, даний пункт спрощений тим, що всі необхідні настройки, винесені в окреме вікно.

На початку в програмі задається радіус колінчастого вала, довжина шатуна, зміщення осі обертання колінчастого щодо осі циліндра, мінімальний зазор між сідлом і клапаном. Програма автоматично створює рівняння руху поршня, грунтуючись на введених даних. Так само завантажуються рівняння руху клапанів.

Далі в Design Modeler завантажується тривимірна модель, що складається з єдиної моделі внутрішнього обсягу КС з частиною впускного і випускного каналів і двох окремих моделей впускного і випускного клапанів. На якій вказуються поверхні впускного і випускного каналів, поверхня циліндра, вказуються впускний і випускний клапан, їх сідла і прив'язуються рівняння їх руху. Так само можна вибрати певний кут повороту колінчастого вала (КВ) з якого буде розпочато розрахунок, він може бути заданий або вибраний із запропонованих програмою варіантів.

У даній програмі КС з частиною впускного і випускного каналів буде розбита на 21 об'єм: по 9 обсягів впускний і випускний канали та КС на три обсягу (рисунок 1), два з яких (надпоршневу зона і верхня частина КС) в подальшому розбиваються сіткою з кінцевими елементами у вигляді тетраедрів, а обсяг між ними сіткою з елементами, що мають форму трикутної призми. Це необхідно для того, щоб під час розрахунку елементи навколо клапанів перебудовувалися, а при русі поршня відбувалося пошарове розподіл сітки. Якщо при знаходженні днища поршня в ВМТ стінка циліндра залишається невеликої висоти, програма з великою часткою ймовірності не зможе автоматично розбити КС на три обсягу. В цьому випадку потрібно вказати дві площини, за якими буде розбита КС.

Рис. 1 - КС розбита на різні обсяги

Перед запуском поділу даної моделі на обсяги для перевірки коректності заданих налаштувань запускається перегляд анімації руху днища поршня і клапанів. Після того як всі задано програма розбиває цю модель на обсяги, в кожному з яких при відкриття даної моделі в програмі Ansys Meshing задаються певні настройки сітки, оптимальні для даної НЕ стаціонарної задачі.

Існує три стандартних режиму розбиття на кінцеві елементи (КЕ) моделі: грубий, середній і точний. Вони вибираються при запуску автоматичної настройки сітки. Дані настройки параметризованих щодо діаметра клапана. Якщо стандартні настройки не підходять, є можливість поміняти, як загальні настройки, так окремо для будь-якого елемента отриманого в результаті поділу.

Дана програма дозволяє візуально перевірити, як дана модель розбилася на кінцеві елементи, наприклад, в площині симетрії клапанів (рисунок 2), створеної автоматично або будь-який інший площині, створеної користувачем.

Рис. 2 - Сеточная модель в площині симетрії клапанів

Після створення сітки, слід настройка параметрів розрахунку. У даній системі всі необхідні для розрахунку налаштування винесені з програми Fluent, і зроблені окремим пунктом. Останнім етапом є завантаження моделі у Fluent. У ньому залишається просто запустити розрахунок.

Проведений розрахунок показав недосконалість впускного каналу досліджуваного двигуна. За рахунок невеликого радіусу повороту каналу виникала область закрученого потоку, яка витрата ТВС через канал. Для усунення цього недоліку була змінена геометрія впускного каналу і проведено новий розрахунок. Результати розрахунку до модернізації (зліва) і після (праворуч) наведені на малюнку 3.

Рис. 3 - Поле розподілу швидкості в перерізі впускного клапана

Після проведення циклу розрахунків холодної продувки ДВС за допомогою програмному комплексі ANSYS IC Engine і порівняння отриманих результатів можна зробити висновок про те, що запропонований варіант поліпшення впускного каналу двигуна дозволяє збільшити витрату ТВС через канал. Коефіцієнт наповнення при цьому виріс на 5%, що позитивно вплине на характеристики двигуна.

література

1. Бірюк В.В. Особливості побудови тривимірної моделі камери згоряння ДВС для динамічного розрахунку теплових процесів за допомогою ANSYS FLUENT / В.В. Бірюк, Д.А. Угланов, А.А. Горшкалев, С.С. Каюків // Літакобудування Росії. Проблеми і перспективи, Самара, СГАУ. - 2012. - С. 79-80
2. Бірюк В.В. Вирішення проблеми створення кінцево-елементної сітки в тривимірній моделі камери згоряння ДВС для динамічного розрахунку робочих процесів / В.В. Бірюк, Д.А. Угланов, А.А. Горшкалев, С.С. Каюків // Літакобудування Росії. Проблеми і перспективи, Самара, СГАУ. - 2012. - С. 81-82
3. Бірюк В.В. Основні результати використання CAD / САЕ сістсем в процесі проектування і розрахунку робочих процесів двигуна внутрішнього згоряння процесів / В.В. Бірюк, Д.А. Угланов, А.А. Горшкалев, С.С. Каюків // Вісник СГАУ. - 2012. - №3. -Ч. 3. - С. 126-131
4. Бірюк В.В. Побудова і розрахунок тривимірної моделі камери згоряння двигуна внутрішнього згоряння для динамічного розрахунку теплових процесів / В.В. Бірюк, Д.А. Угланов, А.А. Горшкалев, С.С. Каюків // Вісник СГАУ. - 2012. - №5. -Ч. 1. - С. 143-148
5. Горшкалев А.А. Досвід використання CAE-CAD систем при проектірваніе двигуна внутрішнього згоряння / О.О. Горшкалев, А.В. Кривцов, Е.А. Сайгаків, Д.В. Сморкалов, Д.А. Угланов // Вісник СГАУ. - 2011. - №3. -Ч. 4. - С. 177-182
6. Лукач С.В. Використання Ansys Fluent для дослідження газодинамічних і теплових процесів в малорозмірних двотактному ДВС / С.В. Лукач, В.В. Бірюк, А.А. Горшкалев // Наука та Освіта. МГТУ ім. Н.е. Баумана. - 2014. - № 12. - С. 416-425
7. Biryuk VV Gas-Dynamic Analysis of Processes in a Small-Sizes Two-Stroke Combustion Engine / VV Biryuk, AA Gorshkalev, SS Kayukov, DA Uglanov // The Open Mechanical Engineering Journal. - 2014. № 8. - P. 441-444

References

1. Biryuk VV Osobennosti postroenija trehmernoj modeli kamery sgoranija DVS dlja dinamicheskogo rascheta teplovyh processov s pomoshh'ju ANSYS FLUENT / VV Biryuk, DA Uglanov, AA Gorshkalev, SS Kajukov // Samoletostroenie Rossii. Problemy i perspektivy, Samara, SGAU. -2012. - S.79-80
2. Biryuk VV Reshenie problemy sozdanija konechno-jelementnoj setki v trehmernoj modeli kamery sgoranija DVS dlja dinamicheskogo rascheta rabochih processov / VV B Biryuk irjuk, DA Uglanov, AA Gorshkalev, SS Kajukov // Samoletostroenie Rossii. Problemy i perspektivy, Samara, SGAU. -2012. -S. 81-82
3. Biryuk VV Osnovnye rezul'taty ispol'zovanija CAD / SAE sistsem v processe proektirovanija i rascheta rabochih processov dvigatelja vnutrennego sgoranija processov / VV Biryuk, DA Uglanov, AA Gorshkalev, SS Kajukov // Vestnik SGAU. - 2012. - №3. -Ch. 3. - S. 126-131
4. Biryuk VV Postroenie i raschjot trjohmernoj modeli kamery sgoranija dvigatelja vnutrennego sgoranija dlja dinamicheskogo raschjota teplovyh processov / VV Biryuk, DA Uglanov, AA Gorshkalev, SS Kajukov // Vestnik SGAU. - 2012. - №5. -Ch. 1. - S. 143-148
5. Gorshkalev AA Opyt ispol'zovanija CAE-CAD sistem pri proektirvanii dvigatelja vnutrennego sgoranija / AA Gorshkalev, AV Krivcov, EA Sajgakov, DV Smorkalov, DA Uglanov // Vestnik SGAU. -2011. -№3. -Ch. 4. -S. 177-182
6. Lukachev SV Ispol'zovanie Ansys Fluent dlja issledovanija gazodinamicheskih i teplovyh processov v malorazmernom dvuhtaktnom DVS / SV Lukachev, VV Biryuk, AA Gorshkalev // Nauka i Obrazovanie. MGTU im. N.Je. Baumana. - 2014. - № 12. - S. 416-425
7. Biryuk VV Gas-Dynamic Analysis of Processes in a Small-Sizes Two-Stroke Combustion Engine / VV Biryuk, AA Gorshkalev, SS Kayukov, DA Uglanov // The Open Mechanical Engineering Journal. - 2014. № 8. - P. 441-444