Расчет кавитационных течений в форсунках с помощью вычислительного комплекса Floefd™




Скачать 81.73 Kb.
НазваниеРасчет кавитационных течений в форсунках с помощью вычислительного комплекса Floefd™
Дата публикации19.06.2013
Размер81.73 Kb.
ТипДокументы
lit-yaz.ru > Математика > Документы
УДК 532.528.2:532.529.5

В.А. Волков, И.М. Дергунов, А.В. Муслаев, В.Ю. Стрельцов

Ментор Графикс Девелопмент Сервисез Лимитед

расчет кавитационных течений в форсунках с помощью вычислительного комплекса FloEFD™.


Аннотация

В работе представлены результаты численного моделирования кавитационных режимов течения различных жидкостей в форсунках, для которых имеются опубликованные экспериментальные данные. В расчетах использовали 3D систему осредненных уравнений Навье-Стокса, для замыкания которой применяли k-ε модель турбулентной вязкости и баротропное уравнение состояния среды с малой массовой долей примеси инородного растворенного газа. Получено хорошее согласование результатов моделирования с экспериментальными данными.

1. ВВЕДЕНИЕ

В случае стационарных течений кавитация жидкостей возникает обычно в окрестности наиболее глубоких локальных минимумов поля давления. Такую кавитацию называют гидродинамической. Она может происходить во многих технических устройствах и оказывать при этом, как положительное, так и негативное влияние на их работу.

Кавитация всегда начинается с образования внутри жидкости множества мелких пузырьков, наполненных смесью ее пара и растворенных в ней газов. Вниз по потоку от этой зоны возникает область течения двухфазной среды, которую называют кавитационной каверной.

В ряде вычислительных пакетов для моделирования кавитации применяют макрокинетическое уравнение переноса паровой фазы, в правой части которого присутствует модельное выражение, учитывающее изменение массовой доли пара в ходе процессов образования, роста и схлопывания пузырьков. Указанное выражение определяет свойства соответствующей модели кавитации, которую называют неравновесной. Ее характерной особенностью является присутствие ряда специфических модельных параметров, таких как коэффициент поверхностного натяжения жидкости, размер и число пузырей, дисперсный состав и др.

Следует отметить, что для представляющих большой практический интерес технических жидкостей, таких как жидкие горючие, синтетические и минеральные масла, гидравлические жидкости и др., большинство имеющихся моделей становятся малопригодными, поскольку информация по требуемым термодинамическим и теплофизическим свойствам этих жидкостей весьма скудная и разрозненная. Это обстоятельство учитывалось при разработке модели кавитирующей среды, путем определения минимального набора свойств и параметров, позволяющих воспроизводить основные гидродинамические эффекты, вызываемые кавитацией.

В большинстве случаев гидродинамическая кавитация оказывает негативное влияние на работу различных технических устройств: насосов, турбин, гребных винтов и т. п. Однако, применительно к устройствам впрыска, было обнаружено, что работа форсунок в кавитационном режиме позволяет контролировать массовый расход и качество распыла жидкости при сравнительно небольшом эрозионном воздействии на элементы конструкции. Данный эффект используется, в частности, для поддержания постоянства требуемого расхода горючего в устройствах впрыска двигателей.

Благодаря широкой распространенности подобных устройств, имеется значительное число экспериментальных и теоретических исследований кавитационных режимов работы форсунок. Информация, содержащаяся в данных работах, была использована для апробации модели равновесной кавитации технологических жидкостей, реализованной в пакете гидродинамического моделирования FloEFD™.

^ 2. модель кавитационного Течения

Кавитационные течения описываются системой уравнений Навье-Стокса, в предположении, что температура среды постоянна. Корректность использования данного допущения при моделировании гидравлической кавитации подтверждается экспериментальными данными [1].

Замыкающее соотношение, определяющее зависимость плотности среды от давления, получено на базе системы соотношений, описывающих с помощью потенциала Гельмгольца, равновесное термодинамическое состояние смеси, состоящей из одного реального и нескольких идеальных газов. Использование данной системы позволяет определить равновесные параметры среды при условии, что необходимые термодинамические свойства реального газа известны.

Для случаев, когда имеющаяся информация о свойствах реального газа является недостаточной для наполнения термодинамической модели, допущение об изотермичности среды позволяет свести систему соотношений к уравнению состояния баротропного типа. В рамках данной работы дополнительно полагалось, что жидкость является несжимаемой, а в области полного перехода жидкости в пар, его параметры рассчитываются по уравнению состояния идеального газа.

Графический вид зависимости плотности среды от давления приведен на рис. 1.



Рис.1. Зависимость плотности от давления для кавитирующей среды.

Величины — давление, при достижении которого начинается кавитация и — давление, при достижении которого вся жидкость переходит в пар, получены из условия равновесия фаз, с помощью термодинамического потенциала Гельмгольца.

В двухфазной области , зависимость плотности среды от давления определяется соотношением:

.

В случае исследования кавитирующих сред, включенный в состав смеси идеальный газ, играет роль инертного растворенного газа, который, в большинстве случаев, содержится в жидкости. Массовая концентрация растворенного газа является параметром используемой модели.

3. Результаты моделирования кавитациоНных течениЙ жидкостей в форсунках

3.1. Форсунка с водой

Постановка задачи. Рассматривается задача об истечении воды из модельной форсунки [2], конструкция которой показана на рис. 2. Форсунка представляет собой цилиндр, в котором выточены два соосных цилиндрических отверстия диаметром 50мм и 8 мм. Температура воды 293 К, давление на входе 251700 Па, 269500 Па, 286700 Па и 306900 Па. Давление на выходе 101325 Па. Растворенный газ — воздух.

Таблица 1. Свойства воды при 20°C

Плотность

998.2 кг/м3

Молярная масса

0.018 кг/моль

Динамическая вязкость

0.001 Па·с

Давление насыщения

2318 Па

^ Результаты расчета получены для всех 4-х режимов, исследованных в [2]. На рис. 3 приведено сопоставление рассчитанных в EFD полей плотности с фотографиями из работы [2] для двух режимов с развитой кавитацией.

На рис. 4 приведены расчетные и экспериментальные данные по длинам кавитационной зоны для всех режимов.



Рис. 2. Конструкция форсунки.



а) б)

Рис. 3. Распределение плотности при различных давлениях на входе: а) — 286700 Па и б) —306900 Па.



Рис. 4. Результаты расчета длины кавитационной зоны при различных давлениях на входе в форсунку.

Из рис. 4 видно, что имеет место хорошее соответствие рассчитанных и измеренных в эксперименте длин кавитационных зон. Погрешность не превышает 5%.

В результате моделирования кавитационного истечения воды в форсунке получены результаты, хорошо согласующиеся с экспериментом, что позволяет сделать вывод о корректности модели кавитации применительно к наиболее распространенному в технических приложениях веществу.

^ 3.2. Дроссельный канал с дизельным горючим

Постановка модельного эксперимента по исследованию кавитационных режимов течения дизельного горючего в дроссельном канале описана в [1]. Результаты данной работы использовались целым рядом исследователей для валидации используемых математических моделей кавитационного течения при расчете устройств впрыска горючего [3 — 4].

В экспериментах [1] жидкое горючее пропускалось через дроссель, сделанный в середине канала. При фиксированном перепаде давлений, измерялся массовый расход горючего, а также визуализировалась кавитационная зона, возникающая на узком участке канала. Дополнительно, в определенных местах этого участка измерялись скорость и давление. Детальный вид дроссельного участка канала, с соответствующими размерами, приведен на рис. 5.

Расчеты проводились в стационарной трехмерной симметричной постановке. В качестве инертного растворенного газа был выбран воздух с массовой концентрацией Yair=0.1%.
Р
ис. 5. Расчетная модель дроссельного канала. Здесь длина L = 0.001 м, высота H=0.000299 м, толщина W=0.0003 м, радиус входа RВХ. =0.00002 м.
Таблица 2. Свойства жидкого горючего при 30°C

Плотность

836 кг/м3

Молярная масса

0.198 кг/моль

Динамическая вязкость

0.0025 Па·с

Давление насыщения

3937 Па


^ Результаты расчета получены для девяти режимов с различным давлением на выходе из дроссельного канала: от 106 до 9·106 Па.

На рис. 6 приведены расчетные и экспериментальные данные по расходной характеристике дросселя. По оси абсцисс отложен перепад давления в канале, по оси ординат — устанавливающийся массовый расход горючего. Видно, что имеет место хорошее соответствие между результатами расчета и экспериментальными данными из [1]. Отмеченный на графике диапазон относительной погрешности для экспериментальных точек составляет 5%.

Необходимо отметить, что возникновение кавитации зафиксировано при перепаде давления около 6·106 Па, что соответствует данным [1]. Как видно из рис. 6, начиная с перепада давления около 7·106 Па, расход горючего меняется слабо. Этот эффект зафиксирован и в экспериментах.



Рис. 6. Расходная характеристика дизельной форсунки: экспериментальные [1] — 1 и расчетные данные — 2.

На рис. 7 представлены двумерные распределения объемной концентрации пара в дроссельном канале для трех режимов истечения с кавитацией. Области, где присутствует пар, на рисунках выглядят более темными. Каждый режим характеризуется большим перепадом давления в дросселе. Наименьшая кавитационная зона (рис. 7а) соответствует перепаду давления 6.7·106 Па. По мере снижения давления на выходе до 106 Па, длина кавитационной зоны растет (рис. 7б) и достигает конца дроссельного участка (рис. 7в). При этом область, в которой происходит кавитация, не перекрывает полностью поперечное сечение канала.



а) перепад давления 6.7·106 Па



б) перепад давления 7.5·106 Па



в) перепад давления 9·106 Па

Рис. 7. Объемная концентрация пара в кавитационной зоне при различных перепадах давления.

Заключение

Проведенное сопоставление результатов гидродинамического моделирования кавитационных течений технических жидкостей в форсунке и дроссельном канале с экспериментальными данными показало, что используемая модель кавитационных течений качественно и с хорошей точностью количественно позволяет проводить инженерный расчет кавитационных течений даже в тех случаях, когда данные о свойствах жидкости весьма ограничены.

^ Список обозначений

— давление, Па;

— плотность, кг/м3;

— температура среды, К;

— давление насыщенного пара конденсирующегося вещества при , Па;

M — молярная масса, кг/моль;

Y — массовая доля компонента в смеси;

R = 8.31451 — универсальная газовая постоянная, Дж/моль·К.

Индексы:

L — параметры жидкости;

V — параметры пара;

E — параметры в состоянии насыщения;

I — параметры инертного растворенного газа;

аir — параметры воздух;

ВХ. — параметры на входе.

Список литературы

1. Winklhofer E.,Kull E., Kelz E., Morozov A. Comprehensive hydraulic and flow field documentation in model throttle experiments under cavitation conditions// ILASS-Europe annual meeting, 2001. P. 574 — 579.

2. Stanley C., Rosengarten G., Milton B., Barber T. Investigation of cavitation in a large-scale transparent nozzle// Proc. FISITA World Automotive Student Congress, 2008, F2008-SC-0014.

3. Martynov S., 2005, Numerical Simulation of the Cavitation Process in Diesel Fuel Injectors. PhD thesis, University of Brighton, September 2005.

4. Peng Karrholm F., Weller H., Nordin N. Modelling Injector Flow Including Cavitation Effects for Diesel Applications. Proc. FEDSM2007 5th Joint ASME/JSME Fluids Engineering Conference, July 30-August 2, 2007 San Diego, California USA.

Добавить документ в свой блог или на сайт

Похожие:

Расчет кавитационных течений в форсунках с помощью вычислительного комплекса Floefd™ iconОбучение – Специальный курс (расчет мк)
...

Расчет кавитационных течений в форсунках с помощью вычислительного комплекса Floefd™ iconТехнологическое проектирование атп 7
В данном курсовом проекте производится расчет транспортного отделения одного из предприятий города Усть-Каменогорска – зао кэмонт....

Расчет кавитационных течений в форсунках с помощью вычислительного комплекса Floefd™ icon«Информационные системы в экономике»
Необходимо выполнить расчет планового фонда заработной платы на квартальную и месячную программы предприятия по деталям. Расчет выполняется...

Расчет кавитационных течений в форсунках с помощью вычислительного комплекса Floefd™ iconРеферат Настоящая дипломная работа посвящена математическому моделированию...
Метод численного расчета нестационарных течений вязкой несжимаемой жидкости в двумерных областях

Расчет кавитационных течений в форсунках с помощью вычислительного комплекса Floefd™ iconОбыкновенное чудо, или Основы магии стихий 2008 г
Более того, в самой основе этой нашей разумности-заурядности — всё-таки магия, но принимать её в расчёт мы, конечно же, не склонны....

Расчет кавитационных течений в форсунках с помощью вычислительного комплекса Floefd™ iconГармонизатор «яй-осидо: зеркало жизни»
В. П. Гоч), результаты проведенных научных исследований, полученые современными инструментальными электорофизиологическими методами...

Расчет кавитационных течений в форсунках с помощью вычислительного комплекса Floefd™ iconГостинничный комплекс 26. 09. 2008 г. Проект развития гостиничного...
Проект развития гостиничного комплекса предполагает проведение реконструкции существующих зданий гостиничного комплекса в селе Никольское-Вяземское...

Расчет кавитационных течений в форсунках с помощью вычислительного комплекса Floefd™ iconРейтинг-план по дисциплине "Методика преподавания математики"
Д. З.: разработка дифференцированных заданий (для задачи и вычислительного задания)

Расчет кавитационных течений в форсунках с помощью вычислительного комплекса Floefd™ iconА. В. Хохлов Ментор Графикс Девелопмент Сервисез Лимитед использование...
Метод реализован в пакете гидрогазодинамического моделирования Floefd™ с использованием автоматического генератора свойств. Приведено...

Расчет кавитационных течений в форсунках с помощью вычислительного комплекса Floefd™ iconКомплекс астлу "Феодосийский вариант" ООО "РиКо" Автоматизированная система
А так же конфигурирования рабочих мест и отдельных задач комплекса на предприятиях электросвязи. Данный документ должен рассматриваться...



Образовательный материал



При копировании материала укажите ссылку © 2013
контакты
lit-yaz.ru
главная страница