Исследование расчетных методов проникновения струи газового топлива в поток воздуха

Автомобильные двигатели внутреннего сгорания, использующие газовое топлива в качестве основного так же, как и работающие на жидком топливе, зачастую имеют проблемы, связанные с формированием и подачей в камеру сгорания неоднородной топливовоздушной смеси, и – как следствие – ухудшением их экологических показателей из-за неполного сгорания. При этом в случае, например, природного газа, являющегося наиболее экологичным углеводородным топливом, неполное сгорание приводит не только к снижению эффективности его использования, но и к существенному снижению экологичности, так как присутствующий в отработавших газах несгоревший природный газ является парниковым.

Для повышения однородности топливовоздушной смеси применяются различные меры, как то: применение смесителей, изменение способа и места подачи топлива, совершенствование конструкции топливных форсунок, применение насадков для распыла топлива, изменение времени подачи и т. д. Однако, для подбора наилучшего для конкретного случая способа следует учитывать движение струи (или струй) топлива в потоке воздуха, то есть необходимо иметь представление о скорости струи на выходе из штуцера, о том, проникает струя в поток, направленный в ту же сторону, что и струя, или под углом, либо в неподвижный воздух, об угле расширения струи в потоке, а также о ее траектории. В случае движения струи в спутном потоке (рисунок 1) – здесь и далее под спутным потоком подразумевается поток, движущийся в ту же сторону, что и струя – серьезную роль в образовании смеси играет угол расширения струи относительно ее оси, так как больший угол позволяет условной поверхности конуса струи контактировать с большим количеством воздуха. При этом на сам угол оказывают влияние многие факторы, такие как разница давлений в форсунке и в воздухе, плотности топлива и воздуха, диаметр выпускного отверстия, скорость выхода топлива из выпускного отверстия и др.

Рисунок 1 - Схема струи в спутном потоке : 0 - угол расширение струи, S - ось симметрии

В статье проанализированы подходы различных авторов к выводу сведений о расширении струи в спутном потоке. Среди них подходы теоретические, а также эмпирические и связанные с компьютерным моделированием. При этом искомый параметр выражается различными авторами и как угол, и как зависимости геометрических параметров струи.

Теоретический подход

Теоретический подход к нахождению угла расширения струи в известных условиях базируется на нахождении зависимости между углом и различными параметрами струи и потока. В данном разделе стоит выделить особо зависимости, полученные по экспериментальным данным для конкретного набора условий. Упомянем, что при обзоре литературы найдены источники [1, 2, 3], в которых угол расширения назван постоянным, и приведено определенное значение. Однако, в данных источниках предполагалось, что, во-первых, струя и спутный поток представлены одним веществом, во-вторых, указано, что значение получено экспериментально при конкретных условиях.

В перечисляемых далее источниках угол расширения струи не считался постоянным. Так, в [4] приведено выражение для радиуса границы струи:

г = р • а • х (1)

где ф - безразмерная граница струи, зависящая от формы поперечного сечения струи;

a - определяемая экспериментально величина;

x - расстояние по оси струи.

В литературе [5] приводит следующую формулу нарастания толщины струи:

db     и_т — и_н

• dx ~ и_т + и_н' где    b - полутолщина струи;

• и_т - скорость на оси струи;

и_н - скорость в конце начального участка струи, величина c - коэффициент утолщения - определяется из:

b = с(х — Х о ),         (3)

где    х0 - расстояние от начального сечения до полюса основного участка струи. Автором [5] уточняется, что угол расширения струи не будет являться постоянной величиной по причине постоянного изменения скорости на оси струи.

Минусы приведенных выше зависимостей для нахождения угла расширения струи в том, что они не позволяют учитывать многих важных факторов (таких как плотность веществ) и находятся в сильной зависимости от экспериментальных данных.

Другие зависимости получены в [6] и [7], где для учета различных плотностей и скоростей потока и струи вводятся понятия «эффективная плотность» - плотность псевдооднородного потока, обладающего тем же профилем скорости и импульсом, что и фактический поток, –и «эффективный диаметр» –диаметр условной трубы, в которую подается окружающая жидкость, которая создавала бы такой же поток импульса, как и реальный поток. Берется во внимание влияние разницы плотностей потоков и их скоростей на стремление струи с меньшей плотностью быть вытесненной выше своего изначального положения ( buoyancy effect ). В соответствии с этим авторы [6] вводят величину темпа увеличения расширения струи, из которой может быть рассчитан полурадиус струи, и которая выводится из значений векторов скоростей струи.

Также существует множество других зависимостей, с той или иной точностью и применимостью описывающих расширение струи (в том числе для струй жидкого топлива в газовой среде [8, 9]). Однако, чем подробнее описывается данный процесс, чем больше факторов в нем учитывается, тем более трудоемким становится процесс получения результатов. Видно, что среди множества известных зависимостей нет способа, который бы обобщил все и подходил бы для каждого рассматриваемого случая. В этом случае становится целесообразным применять подходы, связанные с компьютерным моделированием.

Эмпирический подход

По упомянутым выше причинам теоретические методы расчета как правило не используются сами по себе и комбинируются с методами экспериментальными (в том числе для данных, необходимых для расчета теоретического) и методами компьютерного моделирования.

Для непосредственного выявления угла расширения струи исследователями применяется шлирен-метод [10, 11, 12, 13, 14], являющийся оптическим способом. Различают шли-рен-метод Теплера и шлирен-метод Вайнштейна. Основной принцип обоих заключается

Рисунок 2 - Установка для шлирен-метода Теплера [11]

Результатом шлирен-метода являются изображения. Поэтому следует упомянуть об их постобработке. Например, автор [10] использовал методы цифровой обработки изображений (рисунок 3), который включал фотографирование фона без струи, получение изображений в том, что градиент показателя преломления света пропорционален плотности. Особенность и главное преимущество методов заключается в возможности получить изображения прозрачных сред с различной плотностью. Для получения результатов шлирен-методом Теплера необходимо иметь специальную установку, основными элементами которой являются две линзы (либо два вогнутых зеркала), источник света, нож Фуко и высокоскоростная камера (рисунок 2). Преимущество метода Вайнштейна состоит в отсутствии ножа Фуко и проблем, связанных с его правильным расположением, однако его применение предполагает наличие особого светоотражающего экрана, заменяющего нож Фуко.

струи с фоном, автоматическое вырезание фона из них, нахождение границ струи в соответствии с интенсивностью цвета и определение общей формы струи.

Рисунок 3 - Обработка изображения, полученного шлирен-методом [10] : а) фоновое изображение, b) изображение струи, с) вычитание фона , d) обнаружение границ, е) морфологические операции

Так как изображение границ струи, полученное шлирен-методом не является идеально ровным конусом по форме, необходимо использовать усреднение, чтобы провести прямые по границам струи для измерения угла.

Как правило, в современных исследованиях эмпирические методы комбинируются с методами компьютерного моделирования. Причины тому – более широкие возможности по количеству экспериментов и больший объем информации, получаемый из результатов. Для моделирования используются специализированные программы, например, для газодинамики используются Ansys Fluent, COMSOL Multyphysics, FlowVision CFD, APM Multiphysics и другие. Примеры применения представлены в источниках [6, 11, 14, 15].

Эмпирические методы исследования проникновения струи газового топлива в поток воздуха представляют собой широкий спектр инструментов, которые могут быть использованы как совместно с теоретическими подходами, так и вместо них в зависимости от целей исследования и имеющихся возможностей. В частности, методы компьютерного моделирования предоставляют больший набор возможностей, чем методы теоретические, однако требует наличия техники для расчетов и затрат времени на их подготовку. В то же время методы компьютерного моделирования зачастую применяются совместно с проведением эксперимента, так как последний позволяет верифицировать результаты.

Вывод

Как теоретические, так и эмпирические подходы к исследованию проникновения струи газового топлива в поток воздуха обладают определенными ограничениями как по применимости, так и по объему получаемой ими информации, поэтому как правило исследователи используют по возможности весь спектр доступных им методов для дополнения и верификации результатов. Повышение точности моделирования и теоретического представления движения струи позволяет выявить путь улучшения однородности газовоздушной смеси для конкретных случаев и двигателей.