Современные научные исследования в дорожном и строительном производс

Рис. 3. Алгоритм работы устройства

Предлагаемое устройство представляет собой сложную мехатронную систему (рис. 3), внедрение и серийное производство которой представляет собой сложную задачу, так как устройство новое и должно пройти ряд различных испытаний и тестов, быть проверено на работоспособность в лабораторностендовых условиях.

Список литературы

1.Обследование и испытание сооружений: учебник для вузов / О.В. Лужин [и др.]. – М.: Стройиздат, 1987.

2.Осипов В.О. Содержание, реконструкция, усиление и ремонт мостов

итруб. – М. : Транспорт, 1996.

3.Осокин И.А., Пермикин А.С. Об одном способе восстановления сплошности элементов металлических мостов // Перспектива. – 2009. – Вып. 71(154). –

С. 152–157.

4. Осокин И.А., Пермикин А.С. Устройство для обнаружения трещин и автоматического восстановления сплошности металлоконструкций // Перспек-

тива. – 2010. – Вып. 83(166). – С. 44–54.

141

ОПРЕДЕЛЕНИЕ МАССОВОЙ КОНЦЕНТРАЦИИ САЖИ В ЦИЛИНДРЕ ДИЗЕЛЯ

Н.А. Оспанов, Ж.К. Алин,

Казахский национальный технический университет им. К.И. Сатпаева, г. Алматы, Казахстан

Оптические измерения методом ослабления проходящего света позволяют бесконтактным способом определить концентрацию сажи в цилиндре дизеля. В отечественной исследовательской практике оптические методы начали применяться для изучения сажистых пламен в дизелях в 60–70 гг. (Л.М. Белинкий, В.З. Махов, С.А. Батурин, В.И. Смайлис и другие). В ранних исследованиях ЛГТУ (ЛПИ) существующие методики [1] позволяли находить только относительную концентрацию сажи Ĉ, пропорциональную оптической плотности среды, которая выражалась в произвольных безразмерных единицах. Ниже предлагается методика, которая позволяет безразмерные единицы оптической плотности Ĉ перевести в единицы объемной или массовой концентрации сажи (г/м3). Предлагаемая методика позволяет также учесть влияние дисперсного состава частиц сажи на результаты измерений.

Рассмотрим основные зависимости методики ослабления проходящего света [3]. Запишем формулу закона Ламберта – Беера для луча монохроматического света, проходящего через группу частиц сажи с плотностью распределения по размерам N(D).

где Iл, Iп, I(л+п) – интенсивность излучения лазера (источника света), пламени и совместного излучения системы лазер – пламя с учетом ослабления луча света при прохождении через газосажевый объем цилиндра; Сп – штучная концентрация частиц сажи; L – длина оптического канала; D – диаметр частиц сажи; Kλ – спектральный коэффициент ослабления света на длине волны λ источника света, которым производится просвечивание цилиндра двигателя.

Объединяя формулу (1) и формулу (2) для массовой концентрации сажи:

получим

142

Исследованию оптических свойств углерода посвящено большое число работ (В. Стэлл, Г. Плэсс, Х. Далзел, А. Сэрофим, П. Фостер, С. Ховарт А.Г. Блох и другие). В настоящей работе использовались данные С. Ли, К. Контани и С. Гото [3, 4]. Отличительной особенностью этих данных является то, что С. Ли определил величину комплексного показателя преломления света т при температурах 1000 и 1600 К для частиц углерода графитной структуры в видимой области спектра.

Рассчитав по теории Ми численные значения Kλ при т = 1,9…0,55 [4, 5] и аппроксимируя их в интервале ρ = 0…1,0 полиномом третьей степени, полу-

где a1 = 0,771; a2 = 0,03; a3 = 1, 2; b2 и b3 – коэффициенты, зависящие от вида функции распределения частиц сажи по диаметрам,

Для известных законов распределения величины начальных моментов mk легко могут быть найдены аналитически. Например, для логнормального распределения

Величины mk находим следующим образом [2]:

Тогда величины коэффициентов b2 и b3 могут быть рассчитаны следующим образом:

где а и b – параметры логнормального закона распределения; σ2 – дисперсия; µ – математическое ожидание, оценкой которого является средний арифметический диаметр D10.

144

Статистический анализ экспериментальных данных кривых распределения частиц по диаметрам N(D) для образцов сажи, взятых из цилиндра дизеля, показал, что экспериментальные оценки коэффициентов b2эксп и b3эксп, рассчитанные непосредственно по формуле (14), имеют сильную прямую корреляцию с их аналогами логнормального распределения (17). Это позволяет построить рабочую таблицу (диаграмму) для определения масштаба массовой концентрации сажи µс в функции двух параметров: D32 и D32/D10. По опытным данным величина отношения для дизельных саж находится в пределах 1,1–1,3, D = 20…60 нм.

В качестве примера ниже даны рабочие таблицы (табл. 1 и 2 ) для определения приведенного масштаба µс (приведенного к диаметру цилиндра 100 мм), рассчитанного по формуле (10) при Dц = 0,1 м, для случая просвечивания цилиндра дизеля гелий-неоновым лазером и использования интерференционных светофильтров с различной длиной волны в максимуме пропускания. Используя данные таблицы, легко определить масштаб массовой концентрации сажи для конкретного дизеля:

Рабочая таблица для определения приведенного масштаба µс массовой концентрации сажи при оптическом индицировании цилиндра дизеля на длине волны 0,634 мкм

145

Влияние дисперсного состава частиц сажи на результаты измерений концентрации сажи исследовалось в работах К. Контани и С. Гото [3]. Авторы пришли к выводу о том, что ввиду сложности расчетов коэффициента ослабления полидисперсной среды Kт (5) его с погрешностью до 10 % можно определить по приближенной зависимости Km ≈ Kλ(ρ32), взяв в качестве определяющего размера средний поверхностный диаметр частиц сажи D32 при расчете параметра дифракции ρ. Это равноценно тому, если коэффициенты b2 и b3 положить равными единице. По данным нижеприведенной таблицы указанная погрешность может достигнуть 15 %. Наша методика позволяет исключить эти погрешности.

Таблица 2

Рабочая таблица для определения относительного масштаба µс массовой концентрации сажи (гамма-распределение N(D) с параметрами п = р = 2)

К моменту открытия выпускного клапана величина ослабления проходящего света в цилиндре дизеля, как правило, невелика, из-за чего возникают значительные погрешности при определении концентрации сажи оптическими методами. Поэтому массовую концентрацию сажи в цилиндре дизеля на момент открытия выпускного клапана необходимо сопоставлять с результатами измерения уровня дымности отработавших газов на выхлопе:

146

где CD – массовая концентрация сажи в отработавших газах, г/м3; GT и Gb – часовой расход топлива и воздуха, кг; τ – коэффициент тактности; i – число цилиндров двигателя; γo – плотность отработавших газов, приведенная к нормальным условиям, кг/м3; Vb – объем цилиндра в момент открытия выпускных клапанов, м3; п – частота вращения коленчатого вала, мин-1.

По экспериментальным данным для автотракторных двигателей максимальные значения массовой концентрации сажи в рабочем цикле находятся в пределах 6–12 г/м3, значения массового содержания сажи 3,5–7 % от массы топлива.

Таким образом, при оптическом индицировании цилиндра дизеля рекомендуется использовать источники света с длиной волны, находящейся в красной области спектра (λ = 0,6 мкм), так как данные С. Ли не учитывают дисперсию оптических свойств частиц сажи (m = n – ix) при изменении длины волны поля падающего излучения. Однако, как показывают наши оценки по данным В. Стэлла и Г. Плэсса, в диапазоне длин волн 0,5–0,7 мкм и малых значениях параметра дифракции дисперсия комплексного показателя преломления аморфного углерода примерно постоянна. В связи с этим указанный диапазон длин волн может быть рекомендован для реализации метода просвечивания без изменения вышеприведенных количественных характеристик, определяющих величину масштаба массовой концентрации сажи.

Список литературы

1.Батурин С.А., Дьяченко Н.Х., Ложкин В.Н. Сажевыделение в цилиндрах двигателей и дымность отработавших газов. – В кн.: Рациональное использование природных ресурсов и охрана окружающей среды. – Л.: ЛПИ, 1977. – C. 42–46.

2.Справочник по теории вероятностей и математической статистике / под ред. В.С. Королюка. – Киев: Наукова думка, 1978. – 582 с.

3.Kontani K., Gotoh S. Measurement of soot in a diesel Combustion chamber by light extinction method and incylinder observation by highspeed shadowgraphy // SAE Technical Paper Series. – 1983. – № 831291. – P. 31–43.

4.Lee S.C., Tien C.L. Proc. 18th Int. Symposion Combustion Combustion Inst., 1981. – № 1159. – p. 22–28.

5.Mie G. Beitrage zur Optic truber Medien Speciell Kolloideler Metallosungen // Ann. Phys. – 1908. – № 25. – ss. 377–445.

147

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ИНТЕГРАЛЬНЫХ РАДИАЦИОННЫХ ХАРАКТЕРИСТИК ПОЛИДИСПЕРСНОЙ СИСТЕМЫ ЧАСТИЦ САЖИ В ДИЗЕЛЬНОМ ПЛАМЕНИ

Н.А. Оспанов, Ж.К. Алин

Казахский национальный технический университет им. К.И. Сатпаева, г. Алматы, Казахстан

Составной частью процесса теплообмена в дизелях является радиационный теплоперенос, роль и значение которого для формирования общей тепловой нагрузки на детали цилиндро-поршневой группы особенно возрастает при форсировании рабочего процесса.

Процесс радиационного теплообмена в цилиндре дизеля имеет локальный характер и обусловлен неравномерным распределением в объеме камеры сгорания температуры и концентрации излучателя. В общем случае объемный излучатель представляет собой двухфазную гетерогенную систему, состоящую из трехатомных газов продуктов сгорания и полидисперсной твердой конденсированной фазы в виде сажистых частиц. С достаточной для практики точностью излучением газов можно пренебречь и считать, что единственным излучателем в камере сгорания дизеля являются сажистые частицы.

Определяющими показателями объемного излучения являются интегральная степень черноты εΣ и среднемассовая температура пламени Т, которая, как правило, определяется оптическими методами.

Интегральная степень черноты пламени является сложной функцией геометрии излучательной системы, температуры, оптических свойств, дисперсного и химического состава излучателя – частиц сажи. В общем виде зависимость εΣ от указанных параметров аналитически можно представить последовательностью выражений (1)…(4):

где lэф – эффективная длина пути луча, м; KΣ – коэффициент поглощения, м-1:

где Cm – массовая концентрация частиц сажи, г/м3; γс – плотность частиц сажи, г/см3; K(Т) – температурная функция:

148

где I0λ – функция Планка; D32 – средний поверхностный диаметр частиц сажи по Заутеру, мкм; Km(λ, D) – интегральный фактор поглощения лучей света полидисперсной средой с известной функцией плотности распределения частиц сажи по диаметрам N(D):

∞

∫ Kλ (m,λ, D) N (D)D2dD

где Kλ – спектральный фактор поглощения; λ – длина волны, мкм.

Величина спектрального фактора поглощения рассчитывается по теории Ми с учетом оптических свойств частиц сажи, которые определяются комплексным показателем преломления m = n – xi вещества частицы. Показатели поглощения и рассеяния n, x для частиц аморфного углерода и пропановой сажи рассчитывались по дисперсионным уравнениям В. Стэлла, Г. Плэсса, Х. Далзела и А. Сарофима 2nx = f(ω), n2 + x2 = φ(ω) где, ω – круговая частота поля падающей волны излучения [1, 2].

По данной методике разработаны алгоритм и программа расчета температурной функции K(Т). Результаты расчетов K(Т) для полидисперсной системы сферических частиц с гамма-распределением N(D,n = p = 2) [3] обобщены в виде следующих регрессионных уравнений:

аморфный углерод (атомное отношение Н/С = 0):

K(Т) = (1,5329 + 3.8919 · 10-3·D32) · 10-3 Т – (0,3329 + 4,27485 · 10-3 · D32);

пропановая сажа (атомное отношение Н/С = 0,217):

K(T) = (1,3558 + 2,1260 ·10-3 · D32) 10-3T +(0,2677 – 2,12580 · 10-3 · D32),

где значение среднего диаметра частиц сажи по Заутеру D32 следует выражать в нм. Формулы допустимо использовать в пределах Т = 1500...3000 K,

D32 = 20...100 нм.

Отметим, что для дизельной сажи атомное отношение может достигать Н/С в 0,3, т.е. ее характеристики наиболее близки к пропановой саже. Для промежуточных значений Н/С при вычислении K(Т) можно воспользоваться линейной интерполяцией.

На рисунке приведено сравнение величин K(Т) по данным различных исследований. Кривые 1 и 2 рассчитаны по выражениям (5) и (6). Аппроксимация А.Г. Блоха относится к частицам аморфного углерода [4]. Экспериментальные

149

данные В.Д. Терентьева взяты из работы [5] и относятся к сажистым пламенам топок котлоагрегатов.

Как видно из представленных данных, имеется согласие кривых 1 и 2 с экспериментальными данными [4]. Отличие результатов наших исследований от данных А.Г. Блоха связано, по-видимому, с тем, что последние не учитывают влияние дисперсного состава частиц сажи и при вычислении функции K(Т) использован меньший спектральный интервал ∆λ = 0,5...6 мкм. Мы при вычислении интеграла (3) приняли ∆λ = 0,4…15 мкм. Отметим, что для абсолютно черного тела на указанный интервал длин волн при температуре 1000 К приходится 97 % энергии полного излучения, а на интервал ∆λ = 0,4...10 мкм уже 91 %.

Рис. Температурная функция K(Т): 1 – частицы аморфного углерода, D32 = 20 нм; 2 – частицы пропановой сажи, D32 = 20 нм; 3 – аппроксимация А.Г. Блоха: K(Т) = 1,56 · 10-3 · Т – 0,64; 4 – экспериментальные данные В.Д. Терентьева: K(Т) = 2 · 10-3 · Т– 1; 1,2 – полидисперсная система частиц, плотность распределения N(D) которой описывается гамма-функцией с параметрами n = p = 2

Таким образом, разработаны методика, алгоритм и программа расчета интегральной степени черноты сажистого пламени, получены простые регрессионные зависимости для расчета интегрального коэффициента поглощения полидисперсной системы частиц сажи и аморфного углерода, которые могут быть использованы в инженерной практике расчетов радиационного теплообмена камер сгорания ДВС и топок котлоагрегатов.

150