Аннотация результатов, полученных в 2018 году
Известно, что поршневые двигатели внутреннего сгорания являются самыми распространенными источниками энергии среди тепловых двигателей. Поэтому совершенствование рабочих процессов, отработка систем и элементов конструкций поршневых двигателей в целях повышения их технико-экономических показателей является одной из актуальных задач мировой энергетики. При этом, в настоящее время имеется ярко выраженная тенденция по оснащению двигателей системой турбонаддува с целью улучшения основных показателей. В случае установки турбокомпрессора имеет место существенное влияние его лопаточного аппарата на тепломеханические характеристики потоков в газовоздушных системах двигателей. Таким образом, оценка влияния внешней турбулентности на газодинамику и теплообмен пульсирующих потоков в гидравлических системах сложной конфигурации является актуальной фундаментальной задачей. Следует отметить, что физические механизмы течения газов в газовоздушных трактах двигателя в случаях наличия или отсутствия турбокомпрессора существенно отличаются. Движущим фактором течения воздуха в процессе впуска в двигателе без турбонаддува является разряжение, которое создается в цилиндре поршнем, движущимся сверху вниз, т. е. формируются волны разряжения. В поршневых двигателях, оснащенных турбокомпрессором источником движения воздуха во впускной системе, в первую очередь, является центробежный компрессор, который нагнетает воздух в цилиндр при избыточном давлении (в отличии от двигателя без наддува), т.е. в данном случае в процессе впуска возникают уже волны сжатия (а не волны разряжения как в двигателе без наддува). Физические механизмы пульсирующих потоков во многом определяют интенсивность теплоотдачи в газовоздушных трактах поршневых двигателей и, соответственно, направления тепломеханического совершенствования процессов. Цель проекта состоит в уточнении физического механизма влияния внешней турбулентности на газодинамические и теплообменные характеристики пульсирующих потоков в газовоздушных системах при разных режимах работы поршневого двигателя и турбокомпрессора. Первый год реализации проекта был посвящен исследованию термомеханики пульсирующих потоков во впускной системе поршневых двигателей с турбонаддувом и без него. Были получены следующие основные результаты: Во-первых, экспериментально определены тепломеханические характеристики газового потока, создаваемого лопаточным механизмом турбокомпрессора, т.е. исследована газодинамика и теплообмен потоков на выходе из центробежного компрессора при разных конфигурациях выходного канала и режимах работы турбокомпрессора; эти данные позволят расширить базу знаний о влиянии внешней турбулентности (Tu от 0,07 до 0,2) на термомеханику потоков в выходных каналах компрессора турбокомпрессора. Во-вторых, установлены закономерности изменения мгновенных значений местных скорости и давления, а также локального коэффициента теплоотдачи пульсирующего потока газа во впускной системе поршневого ДВС с турбонаддувом и без него при разных режимах работы двигателя и турбокомпрессора; эти экспериментальные данные позволят расширить теоретические представления о термомеханике пульсирующего потока подверженного влиянию внешней турбулентности в гидравлических системах сложной конфигурации и создать основу для разработки инженерных методик расчета и проектирования подобных систем. В-третьих, получены амплитудно-частотные характеристики пульсаций местных скорости и давления, а также локального коэффициента теплоотдачи, возникающие в пульсирующем потоке во впускной системе поршневого двигателя с турбонаддувом; эти данные позволят уточнить физический механизм влияния внешней турбулентности разного масштаба на структуру пульсирующего потока газа и процессы теплопереноса. В-четвертых, проведена оценка степени влияния механического воздействия лопаточного механизма турбокомпрессора (Tu вплоть до 0,2) на интенсивность локальной теплоотдачи пульсирующего потока во впускной системе поршневого двигателя с турбонаддувом; показаны отличия газодинамических и теплообменных характеристик потока газа во впускной системе поршневого двигателя с турбонаддувом от таковых для двигателей без наддува. В-пятых, на основе численного моделирования рабочих процессов полноразмерных двигателей в специализированных программных комплексах (Дизель-РК и ACTUS) проведена оценка влияния разных конфигураций впускных систем поршневых двигателей с турбонаддувом на их технико-экономические показатели. Во второй год реализации проекта планируется разработать несколько способов тепломеханического совершенствования впускной системы поршневого двигателя с турбонаддувом, а также приступить к изучению термомеханики пульсирующих потоков с учетом внешней турбулентности, но уже применительно к выпускной системе поршневого двигателя.

Аннотация результатов, полученных в 2019 году
Данный проект посвящен исследованию газодинамики и теплообмена пульсирующих потоков газа в гидравлических системах сложной конфигурации при наличии начальной внешней турбулентности разного масштаба. Прикладной аспект проекта связан с областью поршневого двигателестроения, а именно, поршневыми двигателями внутреннего сгорания с турбонаддувом. Цель проекта состоит в уточнении физического механизма влияния внешней турбулентности на газодинамические и теплообменные характеристики пульсирующих потоков в газовоздушных системах при разных режимах работы поршневого двигателя и турбокомпрессора. После первого года реализации проекта стало очевидно, что лопаточные аппараты центробежного компрессора и турбины турбокомпрессора оказывают значимое механическое воздействие на потоки газов во впускных и выпускных системах поршневых двигателей, создавая начальную внешнюю турбулентность в диапазоне от 0,04 до 0,33. Поэтому во второй год реализации проекта мы сфокусировались на разработке способов управления газодинамикой и теплообменом в гидравлических системах сложной конфигурации за счет изменения геометрии каналов и применения газодинамических эффектов. Основные задачи состояли в том, чтобы стабилизировать пульсирующие потоки газа (и тем самым улучшить заполнение цилиндра двигателя воздухом и очистку цилиндра от газов), оказать влияние на уровень теплоотдачи во впускных и выпускных системах и, соответственно, повысить технико-экономические показатели поршневых двигателей с турбонаддувом. Для впускных систем поршневых двигателей с турбонаддувом было предложено два способа тепломеханического совершенствования процессов. Первый способ совершенствования газодинамики и теплообмена пульсирующих потоков газа основан на установке выравнивающей решетки (по принципу хонейкомба) во впускную систему поршневого двигателя с турбонаддувом. С теплофизической точки зрения это приводит к стабилизации течения (уменьшению пульсаций скорости и давления воздуха) и соответствующему снижению степени турбулентности на 5-35 % по сравнению с базовой системой впуска (при этом расход воздуха уменьшается не более, чем на 8 %), а также подавлению теплоотдачи вплоть до 20 %. В прикладном аспекте показано, что установка выравнивающей решетки во впускную систему двигателя 6ЧН 21/21 вызывает снижение термических напряжений в элементах системы впуска, что приводит к росту вероятности безотказной работы при наработке 3000 часов на 0,8 % по сравнению с базовым дизелем. Второй способ совершенствования тепломеханических характеристик нестационарных потоков газа предполагает управляемый сброс наддувочного воздуха после компрессора турбокомпрессора во впускной системе двигателя с турбонаддувом. С теплофизической точки зрения это приводит к существенной стабилизации потока во впускной системе при снижении степени турбулентности вплоть до 2 раз по сравнению с базовой системой впуска (расход воздуха через исследуемые впускные системы остается неизменным), а также к подавлению теплоотдачи вплоть до 35 %. В области поршневого двигателестроения выявлено, что применение управляемого сброса избыточного наддувочного воздуха во впускной системе двигателя 6ЧН 21/21 приводит к росту КПД турбокомпрессора в среднем на 2,5 % и, соответственно, КПД дизеля в пределах 0,25 %. Для выпускной системы поршневого двигателя был предложен способ тепломеханического совершенствования процессов на основе эффекта эжекции, создаваемого в рассматриваемой системе. Установлено, что применение эффекта эжекции в выпускной системе поршневого двигателя приводит к незначительному росту степени турбулентности в пределах 5-7 %, увеличению расхода воздуха через систему в пределах 5-14 %, а также подавлению теплоотдачи в среднем на 10 % по сравнению с базовой системой выпуска. С практической точки зрения показано, что за счет использования эффекта эжекции в выпускной системе дизеля 8ЧН 21/21 коэффициент остаточных газов снижается до 10 %, что приводит к уменьшению удельного расхода топлива в среднем на 1,1 %. Более того, за прошедший год работы над проектом было получено большое количество экспериментальных данных, которые расширяют базу знаний в области теплофизики и газодинамики пульсирующих потоков, а именно: - выявлены особенности газодинамических и теплообменных характеристик пульсирующего потока в выпускной системе поршневого двигателя, возникающие при осуществлении турбонаддува; - проведен сравнительных анализ графиков амплитуд периодических функций скорости, давления и локальной теплоотдачи в выпускных системах с турбокомпрессором и без него; - проведено моделирование газовых потоков в прямой, длинной трубе в CFD-пакете в стационарных условиях с разным масштабом турбулентности на входе; получены данные о структуре потоков и интенсивности теплоотдачи при использовании разных моделей турбулентности и степени турбулентности от 0,01 до 0,4. Также научным коллективом был создан информационный ресурс о реализации проекта: http://термомеханикадвс.рф/

Аннотация результатов, полученных в 2020 году
В данном проекте экспериментально исследуются газодинамика и теплообмен пульсирующих потоков газа в гидравлических системах сложной конфигурации при наличии начальной внешней турбулентности разного масштаба. Прикладная составляющая проекта связан с поршневым двигателестроением, а именно, с системами газообмена двигателей с турбонаддувом и без него. Цель проекта состоит в уточнении физического механизма влияния внешней турбулентности на газодинамические и теплообменные характеристики пульсирующих потоков в газодинамических системах при разных режимах работы поршневого двигателя и турбокомпрессора. После двух лет реализации проекта стало очевидно, что лопаточные аппараты центробежного компрессора и турбины турбокомпрессора оказывают значимое механическое воздействие на потоки газов в газодинамических системах двигателей, создавая начальную внешнюю турбулентность в диапазоне от 0,04 до 0,33 и выше. Также за эти два года было предложено несколько способов управления газодинамикой и теплообменом в гидравлических системах сложной конфигурации за счет изменения геометрии каналов и применения газодинамических эффектов. Изменение конструкции впускных и выпускных систем заключалось в профилировании каналов, изменении длины и объема трубопроводов, установке выравнивающей решетки (хонейкомба) в систему. В качестве газодинамического воздействия на течение использовались сброс избыточного количества наддувочного воздуха во впускной системе, а в выпускной системе применялся эффект эжекции. Все указанные способы приводили как к заметным изменениям в тепломеханических характеристиках пульсирующих потоков в гидравлических системах, так и к заметным улучшениям эксплуатационных показателей поршневых двигателей. В заключительный год реализации проекта был предложен еще один способ управления газодинамикой и теплообменом пульсирующих потоков во впускной системе двигателя с турбокомпрессором, а именно, нанесение канавок на внутренней поверхности выходного канала компрессора. Это приводит к интенсификации теплоотдачи во впускной системе поршневого двигателя с турбокомпрессором в среднем на 25 % по сравнению с базовой системой. В прикладном аспекте это вызывает рост мощности двигателя в пределах 3 %. Также за третий год реализации проекта производилась количественная оценка эффективность предлагаемых способов совершенствования конструкций газовоздушных систем поршневых двигателей с турбонаддувом разных типоразмеров на основе численного моделирования рабочих процессов полноразмерных двигателей в программах Дизель-РК и ACTUS. Более того, были выполнены эскизные и трехмерные прорисовки модернизированных впускных и выпускных систем для различных двигателей. Дополнительно были обобщены экспериментальные данные по теплоотдаче в гидравлических системах за все годы исследований в виде эмпирических уравнений для расчета локального коэффициента теплоотдачи (числа Нуссельта) для впускных и выпускных систем двигателя с турбонаддувом при нестационарном течении газа с разным масштабом внешней турбулентности. Дополнительно в проекте имеет место научно-образовательный аспект, который выражается в формулировке направления совершенствования учебного процесса в вузах путем интеграции научно-исследовательских работ в образовательные курсы с целью повышения качества подготовки выпускников (на примере УрФУ и кафедры «Турбины и двигатели»). За три года реализации проекта было опубликовано в общей сложности 39 научных работ: 22 статьи в журналах, индексируемых Scopus и WoS, 9 статей в журналах, индексируемых российским индексом цитирований, 9 тезисов докладов к конференциям, 1 монография, а также подготовлена к защите докторская диссертация. Все заявленные цели и задачи выполнены в полном объеме. Также научным коллективом был создан информационный ресурс о реализации проекта: http://термомеханикадвс.рф/