2. Физические основы моделирования конвективного теплообмена в камерах сгорания двс

Доказано, что направленное движение заряда в камере сгорания инициируется поршнем, благодаря некоторому профилю камеры сгорания. В общем случае рабочее тело в камере сгорания (воздух или продукты сгорания) является вязкой и несжимаемой (но объемодеформируемой) жидкостью, однако вязкие свойства газа проявляются лишь вблизи стенки, где образуются динамический и тепловой пограничные слои. Априорно разделим всю зону камеры сгорания на ядро потока и пристеночную область (рис. ХХ).

Рис ХХ. Модель рабочего тела в цилиндре

Рассмотрим общие предпосылки к моделированию течения и теплообмена в камерах сгорания ДВС.

1. О квазиравновесности заряда в камере сгорания

Для начала ответим на вопрос, в какой степени можно считать ядро потока квазиравновесным?

Под равновесностью заряда понимают идентичность термодинамических параметров газа Р и Т в любой точке пространства КС в любой момент времени, т.е. . Квазиравновесность предполагает приблизительное выполнение данных условий.

Известно, что все возмущения в потоке распространяются с местной скоростью звука (с такой же скоростью и выравнивается поле давлений): , которая по условиям среднецикловой температуры составляет порядок 500 м/с (при Т = 700 К, a = 530 м/с).

Сделаем оценку для самого крупного ДВС: за характерный размер примем D = 1 м; тогда t = D/а – время распространения возмущения составит величину t  210^3 с.

Примем угловую скорость вращения коленчатого вала 100 об/мин. Угол поворота вала, за который поле давлений должно выровняться, составит: , т.е. величина не превышает точности определения углов поворота коленчатого вала в эксперименте, значит, по давлению заряд можно считать квазиравновесным.

Различные термо- и газодинамические процессы в камере сгорания вызывают повышение степени турбулентности потока, число Тu в процессе сгорания может возрастать до 0,2…0,6 [2]. Процесс сгорания в дизеле вызывает мелкомасштабную высокочастотную турбулентность, частотные характеристики которой на порядки выше частоты повторения циклов. Значит, заряд быстро перемешивается, а поле температур выравнивается. Следовательно, заряд можно считать квазиравновесным и по температуре.

Следует правда оговориться, что для КС бензиновых двигателей это гораздо менее справедливо (см. § 1.1), поскольку во время процесса сгорания в камере имеется минимум две значимые зоны – сгоревшего и несгоревшего топлива, температуры рабочего тела в которых отличаются друг от друга до 400…1000 К. Поэтому для бензиновых ДВС считать заряд квазиравновесным можно посчитать лишь в первом приближении.

2. О квазистационарности движения заряда в ядре потока

Теперь ответим на следующий вопрос, в какой степени можно считать движение заряда в ядре потока квазистационарным? Произведем соответствующие оценки.

Благодаря высокой степени турбулентности ядра потока, движение в нем можно считать потенциальным и использовать уравнение движения Эйлера для невязкого потока, в которое входят локальные ускорения, конвективные и силы давления:

(78)

Оценим меру отношения локальных ускорений к конвективным:

– число Струхаля.

Для условий ДВС примем: – характерный размер, – характерная скорость, – характерное время протекания процесса (m – коэффициент тактности двигателя). Таким образом, порядок числа Струхаля будет следующий:

.

Примем: m = 2 (четырехтактный двигатель), (характерное соотношение), следовательно – локальные силы инерции на порядок меньше конвективных.

Таким образом, в первом приближении, с точностью до 10 % движение заряда в камере сгорания будем считать квазистационарным. С той же степенью точности будем считать квазистационарными и пограничные слои (доказано, см. § 2.5).