Ильдар Ринатович Галиев, кандидат технических наук, доцент
190121; ул. Лоцманская, д. 3; Санкт-Петербург
Ildar Rinatovich Galiev, PhD in Technical Sciences
190121; 3, Lotsmanskaya St.; St. Petersburg
Денис Сергеевич Новиков, инженер
190121; ул. Лоцманская, д. 3; Санкт-Петербург
Denis Sergeevich Novikov, Engineer
190121; 3, Lotsmanskaya St.; St. Petersburg
Хлаинг Мьо Тхет, аспирант
190121; ул. Лоцманская, д. 3; Санкт-Петербург
Hlaing Myo Thet, Postgraduate student
190121; 3, Lotsmanskaya St.; St. Petersburg
Статья посвящена изучению влияния формы камеры сгорания поршневого двигателя внутреннего сгорания на газодинамические характеристики воздушного вихря, т. е. на среднюю и пульсационную скорость потока, интенсивность турбулентности и масштаб турбулентности Колмогорова. Проведенный обзор литературы показал, что газодинамические характеристики воздушного вихря оказывают значительное влияние на динамику процесса сгорания топлива и, следовательно, на экологические и энергетические характеристики двигателя.
Отмечается, что улучшение газодинамических характеристик воздушного вихря является важным этапом конструирования новых двигателей.
Изменение формы камеры сгорания осуществлялось с помощью поршней с разной формой днища: плоской, полусферической, «Гессельман» и «ЯМЗ» с усеченным конусом. Представлена методика численного моделирования поршневого двигателя. Проведенный анализ сеточной сходимости при расчете характеристик турбулентности воздушного вихря выявил целесообразность применения гексаэдрической формы ячеек размером 0,5–1 мм конечно-элементной сетки двигателя.
На основании этого сделан вывод о том, что при расчете термодинамических характеристик допустимо использование грубых сеток с размером ячейки более 4 мм.
Применение в ходе данного исследования методов численного моделирования, реализованных в программном комплексе Ansys Fluent, позволило детально изучить газодинамические характеристики потока и их зависимость от угла поворота коленчатого вала и формы камеры сгорания. Показано, что степень влияния формы камеры сгорания на газодинамические характеристики в значительной степени зависит от угла поворота коленчатого вала двигателя. Выявлено, что для всех форм камер сгорания при приближениипоршня к верхней мертвой точке наблюдается пик интенсивности турбулентности и минимум масштаба Колмогорова, а следовательно, в верхней мертвой точке влияние турбулентности на процесс сгорания является максимальным. Материалы работы могут иметь практическое применение при исследовании рабочего процесса двигателя с использованием методов вычислительной гидродинамики.
The article is devoted to the study of the influence of the combustion chamber shape of a piston internal combustion engine on the gas-dynamic characteristics of the air swirl, i. e., on the mean and fluctuating flow velocity, turbulence intensity, and the Kolmogorov scale. The literature review has shown that the gas-dynamic characteristics of the air swirl significantly affect the dynamics of the fuel combustion process and, consequently, the environmental and energy performance of the engine.
It is noted that improving the gas-dynamic characteristics of the air swirl is an important stage in the design of new engines.
The combustion chamber shape was varied using pistons with different crown geometries: flat, hemispherical, Hesselman, and YaMZ with a truncated cone. A methodology for numerical simulation of a piston engine is presented. The grid convergence analysis in calculating the turbulence characteristics of the air swirl has demonstrated the feasibility of using hexahedral cells with a size of 0.5–1 mm in the computational mesh of the engine.
Based on this, it is concluded that when calculating thermodynamic characteristics, the use of course meshes with a cell size greater than 4 mm is acceptable.
The application of numerical simulation methods implemented in the ANSYS Fluent software package made it possible to study in detail the gas-dynamic characteristics of the flow and their dependence on the crankshaft rotation angle and the combustion chamber shape. It is shown that the degree of influence of the combustion chamber shape on the gas-dynamic characteristics significantly depends on the crankshaft rotation angle. It is established that for all combustion chamber shapes, as the piston approaches top dead center, a peak in turbulence intensity and a minimum Kolmogorov scale are observed; therefore, at top dead center, the influence of turbulence on the combustion process is maximal. The results may be of practical relevance for studying engine working processes using computational fluid dynamics methods.
The authors declare that there are no conflicts of interest present.