КАРТОЧКА ПРОЕКТА ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ И ПОИСКОВЫХ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ,
ПОДДЕРЖАННОГО РОССИЙСКИМ НАУЧНЫМ ФОНДОМ

Информация подготовлена на основании данных из Информационно-аналитической системы РНФ, содержательная часть представлена в авторской редакции. Все права принадлежат авторам, использование или перепечатка материалов допустима только с предварительного согласия авторов.

 

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

Номер 23-29-00022

НазваниеГазодинамическое и тепломеханическое совершенствование процессов заполнения и опорожнения полости (цилиндра) через клапанный механизм тарельчатого типа

РуководительПлотников Леонид Валерьевич, Доктор технических наук

Организация финансирования, регион федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Уральский федеральный университет имени первого Президента России Б.Н. Ельцина", Свердловская обл

Период выполнения при поддержке РНФ 2023 г. - 2024 г. 

Конкурс№78 - Конкурс 2022 года «Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований малыми отдельными научными группами».

Область знания, основной код классификатора 09 - Инженерные науки, 09-105 - Газо- и гидродинамика технических и природных систем

Ключевые словаГазодинамика, теплоотдача, стационарный поток газа, заполнение и опорожнение полости, газодинамическое и тепломеханическое совершенствование, геометрические и режимные факторы, экспериментальные исследования, поршневой двигатель.

Код ГРНТИ55.42.03

 

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
Несмотря на широко обсуждаемые тенденции перехода от применения поршневых машин на иные системы привода (например, электрический привод в автомобилестроении), именно поршневые машины остаются устойчивой базой в качестве энергетических установок для транспортного машиностроения, а также надежными устройствами в компрессорной технике. Создание эффективной, конкурентоспособной и экологически чистой поршневой машины остается актуальной задачей в развитии энергетики и машиностроения. Решение этой задачи заключается в совершенствовании рабочего цикла и основных систем с учетом современных данных о материалах, механике, газодинамике и теплообмене, характерных для поршневых машин. Соответственно, необходимы дальнейшие исследования газодинамических явлений и особенностей теплообмена в полости (цилиндре) и системах газообмена с учетом механики движения газа с целью разработки оригинальных научно-технических решений по улучшению эффективности и экологичности поршневых машин различного назначения. Цель проекта состоит в уточнении физического механизма влияния граничных условий и геометрических факторов (конструкции элементов системы газообмена: конфигурации клапана, канала клапанного узла, поперечного профилирования трубопроводов) на газодинамические и теплообменные характеристики стационарных потоков в полости (цилиндре) при ее заполнении и/или опорожнении для разработки новых конструкций подводящих и отводящих систем, повышающих эксплуатационные показатели поршневых машин. Для выполнения этой цели были поставлены следующие основные задачи: 1) посредством метода градиентной теплометрии получить данные о влиянии конфигурации подводящей и отводящей системы, а также клапана и канала клапанного механизма на газодинамическую структуру стационарного потока в полости (цилиндре) поршневой машины; 2) с помощью метода термоанемометрирования получить данные о влиянии конфигурации подводящей и отводящей системы, а также клапана и канала клапанного механизма на газодинамические (местная скорость, расход газа, степень турбулентности) и теплообменные (локальный коэффициент теплоотдачи, эмпирические уравнения) характеристики стационарных потоков в подводящих и отводящих системах поршневой машины; 3) на основе цифровых технологий предложить новые конструкции подводящих и отводящих систем для улучшения качества заполнения и опорожнения полости (цилиндра) с целью повышения технико-экономических показателей поршневых машин; 4) На основе проведенных научных исследований уточнить учебные планы и рабочие программы специальных дисциплин по направлению «Энергетическое машиностроение» в Уральском федеральном университете. Научная новизна результатов проекта: 1) установить влияние геометрических факторов и газодинамической условий на структуру потока в полости (цилиндре) поршневой машины и интенсивность теплоотдачи потоков в системах газообмена разной конфигурации при течении газов через клапанный механизм; 2) определить влияние поперечного профилирования каналов на структуру потока в полости (цилиндре), а также на расходные и тепломеханические характеристики потоков в элементах системы газообмена при течении газов через клапанный механизм; 3) выявить направления совершенствования элементов систем газообмена поршневых машин с целью улучшения качества заполнения и опорожнения полости (цилиндра) и повышения эффективности энергоустановок.

Ожидаемые результаты
Обобщенные результаты проекта заключаются в следующем. 1) На основе метода градиентной теплометрии установить закономерности изменения газодинамической структуру потока в полости (цилиндре) при ее заполнении через подводящие трубы и каналы клапанного механизма разных конфигураций. 2) С помощью метода градиентной теплометрии уточнить закономерности изменения газодинамической структуру потока в отводящих системах при опорожнении полости (цилиндра) через отводящие трубы и каналы клапанного механизма разных конфигураций. Полученные экспериментальные данные позволят расширить теоретические представления о газодинамической структуре потоков газа в полости (цилиндре) при ее заполнении и/или опорожнении через системы газообмена различных конфигураций и уточнит) инженерные методики расчета и проектирования подводящих и отводящих систем, а также клапанного механизма для энергетических установок и компрессорной техники на базе поршневых машин. Это является актуальной задачей в области теплофизики и машиностроения. 2) Посредством метода термоанемометрирования выявить закономерности изменения местной скорости и локального коэффициента теплоотдачи стационарного потока газа в системах газообмена при разных конфигурациях подводящих и отводящих труб, каналов клапанного механизма и самого клапана. Полученные впервые экспериментальные данные позволят расширить фундаментальные (теоретические) представления о газодинамических и теплообменных характеристиках потоков газа в системах газообмена различных конфигураций и дополнить (уточнить) инженерные методики расчета и проектирования подводящих и отводящих систем для энергетических установок и компрессорной техники на базе поршневых машин. Это является актуальной задачей в области теплофизики и мировой энергетики. 3) Установить газодинамические характеристики (степень турбулентности, спектральный анализ, расходные характеристики) стационарных потоков в системах газообмена при разных конфигурациях подводящих и отводящих труб, каналов клапанного механизма и самого клапана. Эти результаты позволят уточнить физический механизм влияния геометрических и режимных факторов на процессы переноса при стационарном течении газовых потоков в процессах заполнения и опорожнения полости (цилиндра). 4) Выявить тепломеханические характеристики (эмпирические уравнения для расчета локального коэффициента теплоотдачи) стационарных потоков в системах газообмена при разных конфигурациях подводящих и отводящих труб, каналов клапанного механизма и самого клапана. В результате обобщения экспериментальных данных планируется получить эмпирические уравнения для расчета локального коэффициента теплоотдачи (числа Нуссельта) для систем газообмена разных конструкций для стационарных потоков; это позволит уточнить инженерные методы расчета систем газообмена для поршневых машин. Это особенно важно для развития в России конкурентоспособных методик проектирования тепловых двигателей и компрессорной техники с показателями эффективности, превышающими мировой уровень. 5) Предложить способ газодинамического и тепломеханического совершенствования подводящей и отводящей систем (за счет профилирования каналов и модернизации конструкции клапана) для повышения качества заполнения и опорожнения полости с целью улучшения технико-экономических и эксплуатационных показателей поршневой машины. Разработанные способы газодинамического и тепломеханического совершенствования систем газообмена приведет к изменению структуры потоков газов, снижению тепловой напряженности основных деталей и узлов систем и улучшению наполнения (опорожнения) цилиндра, что должно повысить эффективность и надежность поршневых машин. Это позволит приблизить эксплуатационные показатели поршневых машин к лучшим образцам мирового машиностроения и энергетики. 6) На основе проведенных научных исследований уточнить рабочие программы дисциплин («Теория рабочих процессов ДВС», «Моделирование рабочих процессов поршневых ДВС», «Конструирование ДВС») для образовательных программ бакалавриата и магистратуры по направлению «Энергетическое машиностроение» на кафедре «Турбины и двигатели» УрФУ. Для повышения качества образования в УрФУ основные научные результаты проекта планируется использовать в учебном процессе кафедры «Турбины и двигатели» при подготовке бакалавров, магистров и аспирантов по направлениям «Энергетическое машиностроение», а также при реализации программ повышения квалификации научных и инженерных кадров Уральского федерального округа.

 

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Аннотация результатов, полученных в 2023 году
Поршневые машины остаются устойчивой базой в качестве энергетических установок для малой энергетики и транспортного машиностроения, а также эффективными устройствами в компрессорной технике. Создание эффективной, конкурентоспособной и экологически чистой поршневой машины остается актуальной задачей в развитии энергетики и машиностроения. Поэтому необходимы дальнейшие исследования газодинамических явлений и особенностей теплообмена в полости (цилиндре) и системах газообмена с учетом механики движения газа с целью разработки оригинальных научно-технических решений по улучшению эффективности и экологичности поршневых машин различного назначения. В первый год выполнения проекта были выполнены следующие работы: 1. В рамках подготовки к выполнению проекта были модернизированы и доработаны три экспериментальные установки: - стенд для изучения структуры потока в цилиндре двигателя при использовании различных конфигураций подводящих систем для стационарного течения воздуха на основе метода тепловизуализирующей съемки; - стенд для изучения газодинамических и теплообменных характеристик стационарных потоков воздуха в подающих системах разных конфигураций и при разных начальных условиях; - экспериментальная установка на основе одноцилиндрового дизельного двигателя для оценки технико-экономических показателей от применения различных конструкций впускных коллекторов. - дополнительно разработаны и изготовлены профилированные трубопроводы и каналы для проведения экспериментальных исследований на этих стендах. 2. На основе метода тепловизуализирующей съемки получены термограммы структуры стационарного потока воздуха при заполнении цилиндра через подводящие системы разных конфигураций при разных начальных условиях (средняя скорость потока составляла от 5 до 50 м/с). Использовались подводящие трубы и каналы клапанного механизма с поперечными сечениями в форме круга, квадрата и равностороннего треугольника. 3. На основе метода тепловой анемометрии получены зависимости мгновенных значений скорости потока по длине подводящей системы при использовании профилированных труб и каналов клапанного механизма для начальных скоростей стационарного потока от 5 до 50 м/с. Также в ходе экспериментальных исследований получены данные об изменении локального коэффициента теплоотдачи во времени по длине подводящей системы при использовании профилированных труб и каналов клапанного механизма для начальных скоростей стационарного потока от 5 до 50 м/с. 4. На основе аналитической обработки экспериментальных данных о газодинамике и теплообмене стационарных потоков воздуха в подводящих системах разных конфигурациях были получены следующие физические закономерности: - определены диапазон изменения числа Рейнольдса, числа Струхаля, числа Нуссельта в полученных экспериментальных данных для исследованных начальных условий и геометрических размеров элементов подводящих систем; - зависимости степени турбулентности стационарных потоков воздуха от средней скорости потока в подводящих системах с профилированными трубами и каналами клапанного механизма; - графики амплитуд спектра скорости потока воздуха в подводящих системах с профилированными трубами и каналами клапанного механизма для разных начальных условий; - зависимости осредненного коэффициента теплоотдачи от средней скорости потока воздуха в подводящих системах с профилированными трубами и каналами клапанного механизма; - в результате аппроксимации экспериментальных данных, проведенной методом наименьших квадратов, были получены уравнения для определения осредненного коэффициента теплоотдачи в подводящих системах с профилированными трубами и каналами клапанного механизма применительно к поршневой машине размерности 8,2/7,1 со среднеквадратичным отклонением 11,5 %. 5. На основе проведенных научных исследований была проведена инженерная проработка впускных систем с профилированными трубами и каналами в головке блока цилиндра: - разработаны 3D-модели впускных систем с профилированными трубами для 5 конструкций поршневых двигателей внутреннего сгорания; установлено, что применение впускной системы с профилированными элементами не требует существенного изменения технологии ее изготовления и/или каких-либо значительных конструктивных доработок системы впуска поршневой машины; - создана, настроена и верифицирована математическая модель четырехцилиндрового поршневого двигателя размерности 8,2/7,1 в программе Дизель-РК; - выполнено сравнение основных технико-экономических показателей данного двигателя с разными конфигурациями впускных систем; следует отметить, что Дизель-РК не позволяет задавать геометрию профилированных элементов впускной системе, поэтому исходные данные (граничные условия) для моделирования квадратных и треугольных труб и каналов задавались на основе экспериментальных данных; - на основе моделирования установлено, что применение профилированных элементов впускной системы приводит к росту мощности двигателя в пределах 17 % и изменению КПД в диапазоне ± 2%; 6. За первый год реализации проекта подготовлено 11 публикаций. За первый год выполнения проекта были получены следующие основные научные результаты: - установлено, что структура потока в цилиндре при заполнении через подводящую систему с круглой трубой имеет ярко выраженные застойные зоны в центре цилиндра и у одной из боковых стенок (зоны с нулевой дисперсией температур на термограммах); - показано, что применение профилированных труб и каналов клапанного механизма (с поперечными сечениями в форме квадрата и треугольника) в подводящей системе приводит к существенному изменению структуры потока в цилиндре, а именно, уменьшение размеров застойных и вихревых зон, более равномерное поле скоростей и выравнивание амплитуд пульсаций скорости воздуха; - выявлено, что применение профилированных труб в подводящей системе поршневой машины приводят к росту степени турбулентности потока до 22 % по сравнению с базовой подводящей системой (это связано с формированием вторичных вихревых структур в углах квадратного и треугольного каналов, которые турбулизируют основное течение); - определено, что установка профилированных каналов клапанного механизма в подводящей системе вызывает изменение степени турбулентности потока воздуха в подводящей системе в диапазоне ± 15 % по сравнению с базовой конфигурацией; - установлено, что применение профилированных труб в подводящей системе поршневой машины приводят к снижению коэффициента теплоотдачи при низких скоростях потока вплоть до 25 % по сравнению с базовой конфигурацией, и наоборот, при высоких скоростях потока наблюдается незначительный рост коэффициента теплоотдачи в диапазоне от 5 до 11 %; - выявлено, что установка профилированных каналов клапанного механизма в подводящей системе вызывает интенсификацию локальной теплоотдачи в подающей системе в диапазоне от 10 до 30 % по сравнению с базовой конструкцией; - получены эмпирические уравнения для расчета локальных коэффициентов теплоотдачи для подводящих систем разных конфигураций для разных скоростей потока воздуха; - на основе стендовых испытаний дизельного двигателя (размерности 7,5/6,0) подтверждено, что поперечное профилирование подводящей трубы является действенным способом совершенствования процессов газообмена, приводящее к улучшению технико-экономических показателей: - показано, что имеет место увеличение расхода воздуха через подводящую систему двигателя при использовании квадратной или треугольной труб в пределах 5-17 % по сравнению с базовой конфигурацией; - установлено, что использование профилированных труб в подводящей системе дизеля приводит к росту мощности вплоть до 15 % по сравнению с базовой конфигурацией (КПД двигателя изменяется ± 2%).

 

Публикации

1. Плотников Л., Десятов К., Осипов Л., Парфенов А. Estimation of Thermal and Mechanical Characteristics of Stationary Turbulent Flows in the Engine Exhaust System Through Physical and Numerical Modeling AIP Conference proceeding, Vol. 2999. Article number 020034. (год публикации - 2023) https://doi.org/10.1063/5.0158327

2. Плотников Л.В., Григорьев Н.И., Десятов К.О. Stationary Gas Dynamics and Heat Transfer of Turbulent Gas Flow in the Cylinder and Exhaust System of a Reciprocating Engine Lecture Notes in Mechanical Engineering, 2023. Р. 322-332. (год публикации - 2023)

3. Плотников Л.В., Давыдов Д.А., Красильников Д.Н., Лаптев А.Д., Следнёв В.А., Шурупов В.А. Модернизация впускного тракта путем применения квадратных и треугольных каналов применительно к автомобильному двигателю размерности 8,2/7,1 Транспорт Урала, 3(78). С. 84-90. (год публикации - 2023)

4. Плотников Л.В., Десятов К.О., Давыдов Д.А., Красильников Д.Н. Физическое и численное моделирование стационарных тепломеханических процессов в выпускной системе поршневого двигателя Тепловые процессы в технике, Т. 15, №6. С. 288-295. (год публикации - 2023)

5. Плотников Л.В., Шурупов В.А., Давыдов Д.А., Следнёв В.А., Красильников Д.Н., Лаптев А.Д. Влияние конфигурации впускной системы на мощность дизельного двигателя размерности 7,5/6,0 Турбины и дизели, Июль-август. С. 46-51. (год публикации - 2023)

6. Плотников Л.В., Шурупов В.А., Следнев В.А., Давыдов Д.А., Красильников Д.Н. Стационарная термогазодинамика потоков в цилиндре и выпускной системе поршневого двигателя Известия высших учебных заведений. Проблемы энергетики, Т. 25. № 1. С. 130-142. (год публикации - 2023)

7. Плотников Л.В., Шурупов В.А., Следнев В.А., Давыдов Д.А., Красильников Д.Н. Стационарная газодинамика и теплообмен турбулентных потоков в подающих системах разных конфигураций с клапанным механизмом Известия вузов. Физика, № 11(792). С. 137-143. (год публикации - 2023)

8. Давыдов Д.А., Красильников Д.Н., Лаптев А.Д., Плотников Л.В., Следнёв В.А., Шурупов В.А. Влияние конструкции подводящего канала на газодинамику и теплообмен стационарного потока газа при истечении в цилиндр (применительно к поршневому двигателю) Сборник докладов конференции «XXXIХ Сибирский теплофизический семинар», Новосибирск: ИТФ СО РАН, 2023. С. 50. (год публикации - 2023)

9. Давыдов Д.А., Красильников Д.Н., Плотников Л.В., Следнёв В.А., Шурупов В.А. Газодинамическая структура потока в цилиндре после прохождения воздуха через тарельчатый клапан Тезисы докладов Всероссийской научной конференции «Енисейская Теплофизика – 2023», Красноярск: Изд-во СФУ, 2023. С. 124-125. (год публикации - 2023)

10. Давыдов Д.А., Красильников Д.Н., Следнёв В.А., Плотников Л.В., Шурупов В.А. Верификация результатов моделирования термомеханики потоков во впускной системе ДВС посредством экспериментальных данных Проблемы газодинамики и тепломассообмена в энергетических установках: Тезисы докладов XXIV Школы-семинара молодых ученых и специалистов под руководством акад. РАН А. И. Леонтьева, Казань: ООО ПК «Астор и Я», 2023. С. 338-339. (год публикации - 2023)

11. Плотников Л.В., Шурупов В.А., Следнев В.А., Лаптев А.Д. Интенсивность теплоотдачи стационарного потока воздуха в цилиндре при заполнении через тарельчатый клапан Тезисы докладов Всероссийской научной конференции «XIII семинар вузов по теплофизике и энергетике», Н. Новгород: НГТУ им. Р.Е. Алексеева, 2023. С. 36-38. (год публикации - 2023)