Газодинамика и теплообмен пульсирующих потоков в системах газообмена устройств периодического действия : диссертация на соискание ученой степени доктора технических наук : 01.04.14

Устройства периодического действия широко используются во всех отраслях техники. К ним можно отнести машины для сжатия и расширения рабочего тела (поршневые и шестеренчатые компрессоры), тепловые двигатели (поршневые, ро- торные, роторно-поршневые), холодильные машины и тепловые насосы. Основной принцип работы этих устройств состоит в том, что отдельные порции реагентов вводятся в рабочую камеру, а по завершению процесса удаляются из нее. При этом в подающих и отводящих системах подобных машин возникает нестационарное, пульсирующее движение газов с характерным изменением во времени. Ярким при- мером таких технологий является рабочий цикл в поршневых двигателях внутрен- него сгорания (ДВС), которые являются самыми распространенными устройствами среди тепловых двигателей. В их системах газообмена движение газообразных сред создается полостью-цилиндром переменного объема. В данной работе именно этот тип устройств выбран в качестве объекта для практической реализации результатов исследований, поскольку эффективность работы поршневых ДВС зависит не только от совершенства процесса сгорания топлива в цилиндре-полости, но и от качества заполнения полости рабочим телом и степени опорожнения ее от отрабо- тавших газов, т.е. от процессов, происходящих во впускных и выпускных системах (системах газообмена). В конечном счете, эти процессы во многом определяют ко- личество и качество рабочего тела на момент начала сгорания (его теплофизиче- ские характеристики), что оказывает непосредственное влияние на эксплуатацион- ные показатели ДВС.
В процессах заполнения и опорожнения полости двигателя рабочим телом происходит ряд недостаточно изученных теплофизических явлений, таких как: 1) влияние разных физических механизмов создания движения газов (нагнетание или разряжение) на газодинамику и теплообмен пульсирующих потоков; 2) влия- ние геометрической конфигурации отдельных элементов газодинамической си- стемы на процессы переноса; 3) особенности газодинамики и теплообмена пульси- рующих потоков в газодинамических системах сложной конфигурации при разных
8
начальных условиях; 4) влияние внешней турбулентности (механического воздей-
ствия лопаточного аппарата) на тепломеханические характеристики пульсирую- щих потоков в газодинамических системах. Именно эти фундаментальные задачи были рассмотрены в данной работе.
Проведенные исследования соответствуют приоритетным направлениям раз- вития науки и технологий в РФ по теме энергосбережения, а также критическим технологиям по энергоэффективному преобразованию энергии органического топ- лива.
Степень разработанности. Вопросами изучения газодинамики нестационар- ных течений и аналитического и экспериментального описания теплофизических процессов в них работают следующие ученые: Дрейцер Г.Л., Краев В.М., Ми- хеев .И., Давлетшин И.А., Матвиенко О.В. (исследования нестационарных, пуль- сирующих потоков), Фафурин А.В., Кузьмин В.В., Григорьев М.М. (классифика- ция нестационарных турбулентных течений), Исаев С.А., Валуева Е.П. (изучение турбулентных течений на базе математического моделирования), Терехов В.И., Са- пожников С.З., Пиралишвили Ш.А., Митяков А.В., Попов И.А., Лобода Е.Л. (экс- периментальные методы измерений турбулентных течений). Исследованием влия- ния газодинамической нестационарности на уровень теплоотдачи также занима- ются зарубежные ученые: Gündogdu M.Y., Carpinlioglu M.Ö. (общая теория неста- ционарных потоков в газодинамических системах), Fallen M., Miau J.J., Wang R.H., Jian T.W. (исследование теплообмена пульсирующих потоков на входном участке), Wang X., Zhang N. (численный анализ теплообмена при пульсирующем турбулент- ном течении в трубе), Yuan H., Tan S., Zhuang N. (аналитический анализ теплооб- мена потоков в каналах), Kim S.Y., Kang B.H., Hyun J.M. (теплообмен в термически развивающейся области пульсирующих потоков), Moschandreou T., Zamir M. (теп- лообмен в трубах с пульсирующим течением и тепловым потоком), Mehta B., Khandekar S. (локальный теплообмен пульсирующего ламинарного потока в квад- ратном канале) и др.
Фундаментальными исследованием аэродинамики и теплофизики потоков в каналах с разными поперечными сечениями занимались следующие специалисты:

9
Кутателадзе С.С., Идельчик И.Е., Emery A.F., Neighbors P.K., Altemani C.A.C., Spar-
row E.M., Aly A.M., Trupp A.C., Melling A., Whitelaw J.H и др. В них показано нали- чие вторичных течений в углах профилированных каналов, а также представлены математические модели для описания физики процессов переноса. Следует под- черкнуть, что эти исследования были выполнены в основном для стационарного течения газа. Прикладными исследованиями по управлению термомеханикой по- токов в профилированных каналах: Şenay G., Kaya M., Liu J., Hussain S., Kumar R., Kumar A., Sharma N., Tariq A., Schindler A. и др.
Влияние внешней турбулентности на интенсивность теплообмена в различных случаях изучалось многими исследователями. Турбулентный пограничный слой в условиях высокой внешней турбулентности потоков рассматривали: Kestin J., Junkhan G.H., Serovy G.K., Simonich J.C., Bradshaw Р., Дыбан Е.П., Эпик Э.Я., Пя- дишюс А., Шланчяускас А., MacMullin R., Maciejewski Р.К. и др.
В области поршневого двигателестроения вопросами совершенствования про- цессов в системах газообмена ДВС путем доводки их конструкций занимаются не- сколько научных школ: МГТУ имени Н.Э. Баумана (Гришин Ю.А., Грехов Л.В., Кавтарадзе Р.З., Онищенко Д.О. и др.), АлтГТУ им. И.И. Ползунова (Балашов А.А., Свистула А.Е., Сеначин П.К.), ЮУрГУ (Шароглазов Б.А., Кукис В.С., Малозе- мов А.А., Лазарев Е.А.), УГАТУ (Рудой Б.П., Гарипов М.Д., Еникеев Р.Д.), ВлГУ (Эфрос В.В., Гуськов В.Ф., Гоц А.Н., Клевцов В.С.). Следует выделить авторов ос- новополагающих монографий по данной тематике: Круглова М.Г., Дьяченко В.Г., Роганова С.Г., Мизернюк Г.Н., Вихерта М.М., Грудской Ю.Г., Драганова Б.Х. и др. Активно проводят исследования термомеханики в системах газообмена поршне- вых двигателей: Takizawa K., Tezduyar T.E., Otoguro Y., Tang H., Copeland C., Ake- hurst S. (разработка численных методов теплофизических процессов), Khairuddin U.B., Costall A.W. (аэродинамика потоков в коллекторах), Wang T.J. (совершен- ствование конструкций систем газообмена).
Цель работы – выявить особенности процессов теплопереноса пульсирую- щих потоков газа в газодинамических системах сложной конфигурации, создавае- мых при заполнении и опорожнении полости переменного объема при разных

10
начальных условиях, а также при механическом воздействии на такое течение, и на
этой основе разработать технические решения по управлению газодинамикой и, как следствие, теплообменом в системах газообмена для повышения эффективно- сти поршневых двигателей.
Задачи исследования:
1) оценить влияние газодинамической нестационарности на интенсивность теплоотдачи потоков газа в газодинамических системах сложной конфигурации, возникающих при заполнении и опорожнении полости переменного объема;
2) провести сравнительный анализ газодинамики и теплоотдачи стационарных и пульсирующих потоков в газодинамических системах при разных механизмах со- здания движения потоков и для различных граничных условий;
3) установить влияние геометрии каналов в системах газообмена на газодина- мические и теплообменные характеристики потоков газа при заполнении и опорож- нении полости переменного объема;
4) на основе стендовых испытаний оценить влияние конфигурации (формы по- перечного сечения) впускной системы на мощностные характеристики поршневого дизельного двигателя;
5) оценить влияние внешней турбулентности, создаваемой лопаточным аппа- ратом компрессора ТК, на газодинамику и теплообмен потоков в выходном канале турбокомпрессора;
6) выявить физические и режимные факторы, определяющие газодинамику и теплообмен пульсирующих потоков в системах газообмена поршневых двигателей с турбокомпрессором (ТК) и без него при заполнении и опорожнении полости пе- ременного объема;
7) разработать способы управления тепломеханическими процессами в газо- динамических системах поршневых ДВС с турбокомпрессором и без него с целью улучшения заполнения и опорожнения полости переменного объема;
8) на основе аналитических расчетов и численного моделирования рабочих процессов двигателей в специализированном программном обеспечении оценить

11
эффективность предлагаемых способов совершенствования конструкций газодина-
мических систем на технико-экономические и эксплуатационные показатели ДВС. Объект исследования – газодинамика и теплообмен стационарных и пульси-
рующих потоков газа
Предмет исследования – газодинамические системы, конфигурация которых
характерна для впускных и выпускных систем поршневых двигателей
Научная новизна основных положений работы:
− выявлены отличия в тепломеханических характеристиках стационарных и
пульсирующих потоков газа в газодинамических системах сложной конфигурации при заполнении и опорожнении полости, в частности, имеет место как подавление, так и интенсификация теплоотдачи в диапазоне ± 40 %;
− показаны особенности газодинамики и теплообмена потоков в системах га- зообмена поршневых двигателей при разных условиях течения газов: 1) избыточ- ное давление (нагнетание, процесс выпуска) и 2) разряжение в системе (всасыва- ние, процесс впуска); например, отличия в величине степени турбулентности до- стигают 10 раз при разных условиях движения, а разница в относительном коэф- фициенте теплоотдачи не превышает 30 %;
− выявлено влияние квадратного и треугольного участка трубопровода в га- зодинамических системах на газодинамику и теплообмен нестационарных потоков при заполнении и опорожнении полости переменного объема: изменение степени турбулентности на ± 25 %, отличия в интенсивности теплоотдачи на ± 35 %, рост расхода воздуха на 5-17 %;
− определены мощностные характеристики дизельного двигателя с впускной системой с участками разного поперечного сечения на основе стендовых испыта- ний: наличие квадратного или треугольного участка приводит к росту мощности дизеля в диапазоне 3-17 %;
− установлено влияние степени турбулентности Tu нестационарнарных газо- вых потоков в выходном канале компрессора турбокомпрессора на локальные напряжения трения (с ростом Tu от 0,08 до 0,16 они снижались в пределах 20 %);

12
− определены особенности и выявлены отличия тепломеханических процес-
сов для пульсирующих потоков в газодинамических системах при наличии меха- нического воздействия (турбокомпрессора) на течение, а именно, имеет место рост значений Tu в 2,0-2,5 раза, а также как интенсификация, так и подавление теплоот- дачи в 1,1-1,7 раза.
− предложены способы управления газодинамикой и теплообменом пульси- рующих потоков в системах газообмена поршневых ДВС с ТК и без него путем изменения их конструкции (нанесения канавок на поверхности каналов, установка выравнивающей решетки), а также на основе газодинамических воздействий (управляемого сброса воздуха после компрессора ТК, создания эффекта эжекции).
Теоретическая и практическая значимость работы:
− показаны отличия в газодинамике и теплообмене пульсирующих и стацио- нарных потоков в газодинамических системах сложной конфигурации при запол- нении и опорожнении полости;
− определены закономерности изменения локальных мгновенных значений скорости, давления и напряжений трения во времени для пульсирующих потоков в газодинамических системах при разных начальных условиях, в т.ч. в трубопрово- дах с квадратными и треугольными участками;
− установлены физические зависимости изменения мгновенных значений местных скорости и давления, а также локальных напряжений трения во времени для пульсирующих потоков в системах газообмена энергоустановок на базе ДВС с турбонаддувом и без него при разных режимах работы двигателя и ТК;
− разработана электронная схема термоанемометра постоянной температуры (патент РФ No 81338);
− предложены новые технические решения (защищенные патентами РФ) для систем газообмена двигателей, улучшающие их технико-экономические характе- ристики и показатели надежности; предлагаемые технические решения основаны на изменении конструктива газодинамических систем (изменение формы попереч- ного сечения каналов, создание канавок на поверхности труб, установка

13
выравнивающей решетки) и на газодинамических воздействиях на поток (управля-
емый сброс избыточного воздуха из системы, создание эффекта эжекции);
− выполнены эскизные проработки, включая твердотельные 3Д-модели, кон- струкций впускных и выпускных систем на основе технических решений, разрабо- танных автором, для более, чем 10 бензиновых и дизельных двигателей с турбо-
компрессором и без него;
− эффективность предлагаемых решений подтверждена результатами стендо-
вых испытаний дизельного двигателя 1Ч 75/60 с разными конструкциями впускных систем.
Полученные научно-технические результаты расширяют базу знаний о тепло- механических процессах при течении пульсирующих потоков газа в газодинамиче- ских системах, уточняют теоретические и прикладные представления о газодина- мике и теплоотдаче течений при заполнении и опорожнении полости переменного объема, создают основу для совершенствования инженерных методов расчета си- стем газообмена для перспективных устройств периодического действия.
Методология и методы диссертационного исследования. При эксперимен- тальном исследовании газодинамики и теплообмена пульсирующих потоков газа в системах газообмена использовались метод термоанемометрирования (для опреде- ления мгновенных значений скорости и локальных напряжений трения), а также термопарный и тепловизионный методы (для определения температуры потоков и поверхностей). Исследования проводились на лабораторных газодинамических си- стемах и натурных моделях поршневых двигателей. Проверка лабораторных дан- ных и положительных эффектов осуществлялась в ходе испытаний на действую- щих бензиновом и дизельном двигателях. Оценка эксплуатационных показателей двигателей с модернизированными системами газообмена выполнялась с помощью инженерных расчетов (метод Б.А. Шароглазова) и математического моделирова- ния в специализированных программных продуктах (Дизель-РК, ACTUS).
Основные положения, выносимые на защиту:
− экспериментальные данные и их обобщение по газодинамике и теплоотдаче нестационарных потоков газа в газодинамических системах сложной

14
конфигурации при заполнении и опорожнении полости переменного объема через
трубопроводы разной конфигурации;
− результаты стендовых испытаний одноцилиндрового дизеля с разными кон-
струкциями впускных систем;
− экспериментальные данные о газодинамике и теплоотдаче газовых потоков
в выходном канале компрессора ТК при разных начальных условиях;
− результаты экспериментальных исследований по газодинамике и теплоот- даче нестационарных потоков газа в газодинамических системах сложной конфи- гурации с турбокомпрессором и без него при заполнении и опорожнении полости
переменного объема;
− теплофизические способы и технические решения по управлению тепломе-
ханическими характеристиками пульсирующих потоков в газодинамических си- стемах сложной конфигурации, приводящие к улучшению заполнения полости ра- бочим телом и ее опорожнению от отработавших газов, а также к изменению уровня теплообмена, что в результате повышает технико-экономические характе- ристики и показатели надежности двигателей с турбокомпрессором и без него;
− результаты апробации и внедрения рекомендаций по совершенствованию процессов в системах газообмена энергетических установок на базе ДВС.
Степень достоверности результатов определяется применением проверен- ных, специализированных компьютерных программ для проведения аналитиче- ских вычислений, численного моделирования процессов, обработки и визуализа- ции результатов опытов, а также высокой достоверности самих эксперименталь- ных данных, что достигается сочетанием проверенных методов исследования и удовлетворительной воспроизводимостью результатов измерений, использова- нием измерительных приборов с необходимым метрологическим обеспечением, их регулярной поверкой и хорошим согласованием пилотных опытов с результатами моделирования и данными других авторов.
Личный вклад автора. Все научно-технические результаты исследований получены лично автором или при его участии. Автором определены цели и задачи научной работы, выбраны методы исследования, выполнены аналитические

15
расчеты (моделирование), разработаны и отлажены экспериментальные стенды,
проведены экспериментальные исследования, проанализированы полученные дан- ные. Автором с коллегами подготовлены статьи в отечественные и зарубежные журналы, написаны монографии, получены патенты РФ. Личный вклад автора в опубликованных материалах составляет не менее 65 %.
Апробация работы. Результаты, вошедшие в диссертацию, докладывались и обсуждались на следующих конференциях: I-IV Международной научно-техниче- ской конференции «Пром-Инжиниринг» (Челябинск, 2016-20); Международной конференции «Двигатель-2010» (Москва, 2010); 6 и 7-й Российской национальной конференции по теплообмену (Москва, 2014 и 2018); научно-технической конфе- ренции «Развитие двигателестроения в России» (Санкт-Петербург, 2009); 2–9-й Всероссийских межотраслевых научно-технических конференциях «Актуальные проблемы морской энергетики» (Санкт-Петербург, 2013–20); «Национальный кон- гресс по энергетике 2014» (Казань, 2014); 14–16-й Всероссийской школе-конферен- ции молодых ученых «Актуальные вопросы теплофизики и физической гидрогазо- динамики» (Новосибирск, 2016, 2018 и 2020); XIX–XXI Школах-семинарах моло- дых ученых и специалистов под руководством академика А.И. Леонтьева «Про- блемы газодинамики и тепломассообмена в энергетических установках» (2013, 2015, 2017); научно-техническом семинаре ABB Turbo Systems (Швейцария, 2015); II Всероссийской научной конференции «Теплофизика и физическая гидродина- мика» (Ялта, 2017); II и III Международной конференции «Современные проблемы теплофизики и энергетики» (Москва, 2017 и 2020); 34–36-й Всероссийских конфе- ренциях «Сибирский теплофизический семинар» (Новосибирск, 2018–20); XXI Всероссийской научной конференции «Сопряженные задачи механики реагирую- щих сред, информатики и экологии» (Томск, 2018); 5th International Workshop on Heat/Mass Transfer Advances for Energy Conservation and Pollution Control (Новоси- бирск, 2019); Международной научно-технической конференции «Интеллектуаль- ные Энергетические Системы 2019» (Казань, 2019); Всероссийской научной кон- ференции «XI Семинар ВУЗов по теплофизике и энергетике» (Санкт-Петербург,

16
2019); Международной конференции «Энергетическое машиностроение и электри-
ческие двигатели» (Чехия, 2020).
Публикации. Основные результаты диссертации опубликованы в 63 научных
трудах, в том числе в 34 статьях в научных изданиях, входящих в перечень ведущих рецензируемых журналов и изданий, утвержденных ВАК РФ для докторских дис- сертаций, 2 монографиях, 21 статье в журналах и материалах конференций, входя- щие в международные базы SCOPUS и Web of Science, защищены 6 патентами РФ на полезную модель.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, шести глав, заключения, списка литературы, включающего 286 наименований, и 4 приложений (включая справки о внедрении результатов работы). Текст диссертации изложен на 344 страницах печатного текста, содержит 241 рисунок, 1 таблицу.
Диссертационная работа была выполнена на кафедрах «Теплоэнергетика и теплотехника» и «Турбины и двигатели» Уральского энергетического института Уральского федерального университета (г. Екатеринбург).
Автор выражает благодарность Жилкину Борису Прокопьевичу и Бродову Юрию Мироновичу за всестороннюю поддержку, конструктивные предложения по улучшению научных подходов исследования, методов обработки и представления результатов работы, а также за теплое и доброе взаимодействие во время совмест- ной работы.