Определение статистических характеристик течений газа в камере под движущимся поршнем методом численного моделирования

• Автор: Иванов, Евгений Николаевич
• Шифр специальности: 01.02.05
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2011
• Место защиты: Москва
• Количество страниц: 97 с. : ил.

ВВЕДЕНИЕ
ГЛАВА 1. ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ И ВЫЧИСЛИТЕЛЬНЫХ ЭКСПЕРИМЕНТОВ О РАЗВИТИИ АКСИАЛЬНО-СИММЕТРИЧНЫХ ВОЗМУЩЕНИЙ
§11 Аналитический обзор литературы и выбор цели исследования
§1 2 Экспериментальные исследования развития аксиально-симметричных
ВОЗМУЩЕНИИ И АКСИАЛЬНО-СИММЕТРИЧНОИ ТУРБУЛЕНТНОСТИ ГАЗА ПОД ДВИЖУЩИМСЯ ПОРШНЕМ
§ 1 3 Общая математическая постановка задач о динамике нейтрального и химически
АКТИВНОГО газа в замкнутых объемах
§14 Математическая постановка задачи об эволюции аксиально-симметричных
возмущении нейтрального и химически активного газа под движущимся ПОРШНЕМ
§ 1 5 МЕТОДЫ ЧИСЛЕННОГО РЕШЕНИЯ УРАВНЕНИЙ МАТЕМАТИЧЕСКОЙ ФИЗИКИ
§1 6 ПРИМЕНЕНИЕ МЕТОДОВ КОРРЕЛЯЦИОННОГО АНАЛИЗА К ОПРЕДЕЛЕНИЮ СТРУКТУРНЫХ
ХАРАКТЕРИСТИК ТЕЧЕНИЙ
§1 7 Выбор определения средних характеристик при анализе течении с выделенными
НАПРАВЛЕНИЯМИ
§18 ЗАКЛЮЧЕНИЕ К ГЛАВЕ 1
ГЛАВА 2. АНАЛИЗ ЭВОЛЮЦИИ МАЛЫХ ГАЗОДИНАМИЧЕСКИХ ВОЗМУЩЕНИЙ МЕТОДАМИ ЧИСЛЕННОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ
§2 1 КВАЗИДВУМЕРНАЯ ТУРБУЛЕНТНОСТЬ
§2 2 ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ О ЭВОЛЮЦИИ МАЛЫХ ГАЗОДИНАМИЧЕСКИХ ВОЗМУЩЕНИЙ В
ЗАМКНУТОМ ОБЪЕМЕ
§2 3 Анализ эволюции стохастических полей течений в 2-х и 3-х мерной геометрии
§2 4 Заключение к главе 2
ГЛАВА 3. СТАТИСТИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ И СТРУКТУРА
АКСИАЛЬНО- СИММЕТРИЧНЫХ ТЕЧЕНИЙ ГАЗОВ В ЦИЛИНДРИЧЕСКОЙ КАМЕРЕ
§3 1 Влияние начальных условии на характер течении и возмущении скорости потока
газа в камере
§3 2 Структура течении газа под поршнем на стадии расширения
§3 3 Влияние скорости движения поршня на статистические характеристики и
структуру течении
§3 4 Поля течении в камере сгорания при поджиге и горении газообразного топлива
§3 5 Заключение к главе 3
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
ЛИТЕРАТУРА
ПРИЛОЖЕНИЕ. ПОСТАНОВКА ЗАДАЧ И РЕЗУЛЬТАТЫ ЛАБОРАТОРНЫХ И ЧИСЛЕННЫХ ЭКСПЕРИМЕНТОВ ПО ОБТЕКАНИЮ ОБРАТНОГО УСТУПА

Введение
Диссертация посвящена исследованию методами численного моделирования статистических характеристик и структуры потоков газа в закрытых камерах. Рассматривались задачи об эволюции начальных возмущений и соответствующего поля скоростей газа в двух- и трехмерной геометрии в ситуациях без дальнейшего внешнего возмущения среды и в случае сжатия и расширения газа под движущимся поршнем. Отдельно исследовано влияние поджига и горения химически активного газа на динамику возмущений в камере сгорания.
Актуальность работы
Анализ эволюции возмущений газа в замкнутых камерах позволяет проследить формирование структуры течений, определяющих переход к турбулентности в камерах сгорания двигателей, что является необходимым звеном в оптимизации их рабочих режимов. Причиной возникающих при этом течений является циклическое движение поршня, приводящее к сжатию и разрежению газа в камере, что приводит к формированию аксиально-симметричных течений и развитию так называемой аксиально-симметричной турбулентности.
В общем случае эта турбулентность формируется сдвиговыми напряжениями, возникающими за счет разности скоростей потока вблизи от боковой поверхности и в центральной части камеры, скоростью поршня, особенностями впрыска газообразного горючего, техническими особенностями камеры сгорания и, при наличии процессов горения, поджигом горючей смеси. Очевидно, что учет последних из перечисленных факторов сводит рассмотрение проблемы к выяснению влияния на характер турбулентности частных конструктивных особенностей двигателя. В то же время самостоятельный интерес представляют наиболее общие свойства течений под поршнем и закономерности предшествующей развитой

турбулентности эволюции динамических возмущений, для анализа которых целесообразна определенная идеализация задачи.
В идеализированной постановке в задаче имеется только два выделенных направления: по радиусу и вдоль движения поршня (по оси цилиндра). В соответствии с этим скорость течения в каждой точке определяется радиальной и осевой (по направлению движения поршня) компонентами. В общем случае развитие гидродинамических неустойчивостей приводит к возникновению тангенциальной (направленной по касательной к поверхности цилиндра) составляющей скорости, однако, можно ожидать, что тангенциальные возмущения в данной постановке имеют вторичное значение. Возникающие в таком случае течения можно рассматривать как близкие к аксиально-симметричным, а соответствующую турбулентность в общепринятой терминологии называют аксально-симметричной (Бетчелор, Чандрасекхар, Петерс, Хонг), что не совсем корректно, так как и в этом случае развитие течений и развитая турбулентность, естественно, реализуется в трехмерном пространстве при одном выделенном направлении течения.
Аксиально-симметричная турбулентность является естественным развитием теории однородной изотропной турбулентности и считается следующей по сложности после теории изотропной турбулентности Колмогорова. Эта теория должна учитывать детальные особенности анизотропных свойств динамических параметров течений и ещё далека от завершения, что делает актуальным исследование каждой отдельной фазы развития турбулентности в частности фазы зарождение и формирование структур в аксиальносимметричных потоках.
Цель диссертационной работы
Основной целью представленной диссертации является разработка основанного на численном моделировании и статистическом анализе результатов метода исследований динамики и структуры возмущений среды в камере под

Численное моделирование динамики газов под движущемся поршнем проводилось в рамках двумерной модели, в основе которой лежит представленная выше полная система уравнений гидродинамики (1.4)—(1.15) с учетом вязкости, теплопроводности, энерговыделения и многокомпонентной диффузии [7], [27]. Течения рассчитывались в цилиндрических координатах в предположении аксиальной симметрии, когда учитывается эволюция возмущений только по радиальному и осевому направлениям, а возмущения в азимутальном направлении считаются слабо выраженными, вносящими малый вклад в общую динамику газа. Можно предположить, что такое упрощение, допустимо, по крайней мере, на начальных стадиях процесса, когда задача в силу своей постановки обладает аксиальной симметрией. Обоснование корректности принятого допущения и возможности его продления на более длительные периоды, при этом может быть получено только при сравнении результатов численного моделирования с результатами реальных экспериментов.
В соответствии с принятой постановкой система уравнений газодинамики (1.4) - (1.7), записанная в цилиндрических координатах имеет вид:
до дриг до и„ р и.
—— з———— н———— + ——— = О dt дг dz г
(1.17)
дс, дс, дс,
—L + и —L + и_ —= dt дг ' dz
(1-18)

dp 1 drarr da
± I_____________CL_ i______l-

dr r dr dz
(1.19)
dp 1 drc> da

dz r dr dz
(1.20)