بخشی از مقاله
چکیده
از عوامل موثر بر مصرف سوخت، میزان آلایندگی و راندمان حجمی موتورهای احتراق داخلی نوع پاشش سوخت است که در نوع پاشش مستقیم این عملکرد بهخوبی بهبود می یابد. از اینرو مطالعهی افشانهی حاصل از نازل انژکتور بسیار حائز اهمیت است. در فشارهای پاشش بالا، به طور کلی پاشیده شدن گاز و فرآیند اختلاط در آن وابسته به خصوصیات جریان افشانه تراکم پذیر مانند موجهای تراکم و بشکهای شکل و ایجاد موج های متوقف کننده و شاک است .
این خصوصیات در شکلگیری اختلاط بین سوخت و هوا بسیار مهم هستند . شبیهسازی های انجام شده در این مقاله شامل سه مورد جت گاز با فشار بالای پاشش است که حاصل پاشش انژکتور در موتور گاز سوز هستند، و با نسبتهای فشار انژکتور به فشار داخل محفظهی 81,4:1 و 46,5 :1 و 18,6:1 شبیه سازی شدهاند. مورد دیگر شبیهسازی افشانهی گاز انژکتور، با نسبت فشار 3:1 است. در تمامی موارد نتایج شبیهسازی تطابق و سازگاری خوبی با نتایج تجربی و نتایج در مقالات مشابه دارد و نتیجه اینکه اگر نسبت فشار بالا باشد مشخصههای جریان در افشانه مانند عدد ماخ محلی و فشار بیبعد شده P/Pn مستقل از نسبت فشار بین انژکتور و محفظه میشوند. همچنین عوامل موثر در تشکیل مرز افشانه، صفحه ماخ، پروفایل سرعت و فشار بررسی شده است.
مقدمه
در این مقاله مدل عددی پاشش مستقیم افشانه گاز به کمک شبیه سازی عددی مطالعه شده است. شبیهسازی عددی پاشش مستقیم گاز به علت پیچیدگی زیاد در مدل کردن آن مانند وجود صفحهی ماخ و عواملی که نقش زیادی در سرعت خروجی جت گاز آن دارند، بسیار محدود انجام شده است. فشار بسیار زیاد پاشش باعث پدیده خفگی یا شاک1 در جریان می شود و موجب ایجاد جت گاز انبساطی2 در پایین دست می شود که شامل موج جریان به صورت مورب و عمود است
برای مدل کردن این پدیده نیاز به محاسبات عددی دقیق و یک شبکه بندی محاسباتی بسیار عالی است بدین منظور در این تحقیق پاشش جت گاز در یک محفظه احتراق به صورت چند بعدی شبیه سازی شده است تا فرآیند چگونگی تشکیل افشانه در خروجی نازل انژکتور بررسی شود
افشانه سوخت ابتدا بر اساس یک شبکه بندی درشت مدل میشود و سپس با استفاده از قابلیت اصلاح شبکه در نرم افزار فلوئنت [3] شبکهبندی بهبود داده می شود تا در نواحی مهم ساختار قابل اطمینان و دقیقی از جت گاز را نتیجه دهد. به علاوه از این مدل نیز در شبیه سازی موتور پاشش مستقیم گاز طبیعی و برای تحقیق در عوامل مختلف در پاشش داخل سیلندر و مشخصههای مخلوط درون آن استفاده شده است. هدف از این تحقیق ارزیابی عوامل موثر بر تشکیل مرز افشانهی گازی و تحلیل مشخصههای موثر بر اختلاط سیال افشانه و هوای داخل محفظه توسط حل عددی بهوسیله نرم افزار فلوئنت برای محاسبه پروفایل سرعت و فشار در پاشش گاز با فشار بالا از یک نازل صوتی است. یک نازل صوتی به نازل همگرا یا مستقیمی اطلاق می شود که عدد ماخ خروجی آن 1 باشد
در این بحث نازل متقارن محوری سه بعدی مورد بررسی قرار گرفته که مدل سهبعدی هندسهای است که در موتورهای پاشش مستقیم با سوخت گاز از آن استفاده میشود. فاکتور اصلی که نوع جریان خارج شده از نازل را تعیین میکند، نسبت فشار انژکتور به فشار ایستایی داخل سیلندر و همچنین هندسهی نازل میباشد. زمانی که فشار پاشش افزایش یابد این نسبت فشار به مقدار بحرانی خود رسیده و برای یک انژکتور، سرعت در خروجی نازل آن به سرعت صوت میرسد. برای گاز ایدهآل با نسبت گرمای ویژه 1,35 نسبت فشار بحرانی مقدار 1,86 میباشد. در نسبت فشارهای بالاتر عدد ماخ در خروجی انژکتور 1 باقی میماند ولی فشار خروجی نازل از فشار داخل سیلندر بیشتر خواهد شد و باعث میشود مقدار قابل توجهی گاز در پایین دست خروجی نازل منبسط شود تا به فشار داخل سیلندر برسد
هنگام تشکیل جت انبساطی، خروجی از نازل در گوشههای خروجی نازل امواج انبساطی3 بهوجود میآید. همانطور که در شکل1 نشان داده شده است موج های انبساطی جت گاز به طور پیوسته با برخورد به مرز جت برگشت داده می شوند و مانند یک موج تراکمی عمل میکنند بنابراین فشار در مرز افشانه گاز برابر با فشار داخل سیلندر میباشد
در نسبتهای فشار بالاتر موجهای تراکمی در خط مرکزی نازل به هم می رسند و باعث ایجاد پدیده شاک می شوند. شاکهای متوقف کننده یک ساختار الماسی شکل را در جت بهوجود میآورند. اگر باز هم نسبت فشار افزایش یابد شاک-های متوقف کننده دیگر از خط مرکزی منعکس نمیشوند و در عوض بهوسیله یک شاک عمودی تشکیل شده در جت مطابق شکل 2 که توسط آدامسون و نیکولز ارائه شد، به یکدیگر متصل میشوند
محاسبات انجام شده بر روی یک نازل صوتی که توسط اون و تورن-هیل انجام شده است نشان می دهد که در طول خط مرکزی پایین دست جریان نازل فشار بیبعد محلی P/Pn و عدد ماخ محلی تنها به مسافت محوری بیبعد شده x/d بستگی دارد و تا زمانی که نسبت فشار به مقدار زیادی بالاست از نسبت فشار انژکتور به فشار ایستایی داخل سیلندر مستقل است
آدامسون و نیکولز برای نسبت فشار به حد کافی بالا، مطالعات تجربی را برای تعیین محل تشکیل دیسک ماخ انجام دادهاند .از آنجایی که سرعت متوسط جریان بسیار زیاد است و به مشخصات سرعت نفوذ بستگی دارد ساختار جریان مانند مکان تشکیل اولین دیسک ماخ در نواحی نزدیک نازل، در ابتدا تابعی از نسبت فشار انژکتور و فشار داخل سیلندر و به مقدار کمی وابسته به لزجت سیال و میزان توربولانس آن میباشد
مطالعات آدامسون و نیکولز روی افشانه با سیال هوا از نسبت فشار 2 تا 100 بوده است. محاسبه دقیق جریان خروجی اولیه از نازل بسیار با اهمیت است زیرا اختلاط بعدی بهوجود آمده در سیلندر تحت تاثیر آن قرار دارد. شیوهی دیگری نیز به منظور مدل کردن موتورهای احتراق داخلی نیز کاربرد دارد که استفاده از نازل مجازی می باشد
با این روش محاسبات از جریان پایین دست دیسک ماخ شروع می شود. با فرض این که افشانه کاملا منبسط شده و دبی جریان عبوری همان دبی در نازل می باشد. این روش نیاز به شبکهبندی کوچک را در اطراف نازل کاهش می دهد ولی نیازمند اطلاعات دقیقی از انداز ه و محل دیسک ماخ می باشد. از شبیهسازی های انجام شده روی جریان جت گاز این امر استنباط شده است که در نسبت فشارهای قوی تر از 81.4:1 شکل گیری مرز جت گاز به علت زیاد بودن انرژی جنبشی مستقل از لزج یا آشفته بودن جریان در جت گاز است که در تمامی موارد تطابق و سازگاری خوبی با نتایج تجربی و نتایج در مقالات مشابه دارد.
به طور واضحتر میتوان عنوان کرد که در شکل گیری یک افشانه گاز در فشار بسیار قوی تنش آشفتگی و یا لزج بودن سیال خروجی انژکتور از اهمیت جندانی برخوردار نیست. این امر بوضوح در نمودارهای مربوط به پروفایل فشار و مقایسه این دو حالت قابل مشاهده است . همچنین اگر نسبت فشار از 18.6:1 بالاتر باشد مشخصههای جریان مانند عدد ماخ محلی و فشار بی بعد شده P/Pn مستقل از نسبت فشار بین نازل و محیط می شوند و تنها به مسافت بی بعد شده X/d بستگی دارد و نتیجه آن شد که فشار محلی بدون بعد و عدد ماخ محلی تا زمانی که نسبت فشار بالا باشد مستقل از نسبت فشار انژکتور به داخل محفظه است.
شکل :1 جریان مافوق صوت خروجی از اوریفیس در نسبت فشار کم
شکل :2 جریان مافوق صوت خروجی از یک اوریفیس واگرا در نسبت فشار بالا - نیکولز و آدامسون
معادلات حاکم بر افشانه تراکمپذیر
در صورتی که عدد ماخ ماکزیمم در یک جریان زیر 0,3 باشد می توان از تراکم پذیری آن صرفنظر کرد. جریان جتهای غیر قابل تراکم به طور گستردهای در گذشته بررسی شده است .[11-12] چنانچه یک سیال با فشار ثابت در سیالی دیگر پاشیده شود لایهی اختلاط بین دو سیال شکل میگیرد و جرم سیال محیط بهدنبال سیال پاشیده شده به آرامی کشیده می شود و آن را دنبال میکند. تحقیقات تجربی که توسط ریکو و اسپالدینگ1 انجام شده نشانگر آن است که نرخ سیال کشیده شده توسط سیال پاشیده شده با فاصله از سوراخ نازل و دبی جرمی سیال پاشیده شده متناسب است. دبی جرمی در هر مقطع جت را از رابطهی زیر میتوان به دست آورد :
که در آن دبی جرمی در دهانه نازل، Z فاصله از سوراخ نازل و شعاع نازل میباشد. افزایش خطی ضخامت جت را میتوان به صورت تئوری نیز بهدست آورد. در ناحیهی گذرای جت پروفایل سرعت شعاعی U - r,z - که به وسیلهی سرعت روی خط مرکزی نرمالیزه میشود تنها تابع فاصلهی بدون بعد η=r/R میباشد که در آن z فاصلهی محوری از خروجی نازل و r موقعیت شعاعی و R شعاع خروجی نازل میباشد، معادلهی زیر این ارتباط را نشان میدهد.
- 2 - سرعت روی خط مرکزی جت را میتوان توسط تابعی از فاصله تا نازل بهدست آورد. برای مثال سرعت خط مرکزی را میتوان توسط رابطهی زیر نشان داد که در آن سرعت جریان در خروجی نازل و ثابتی است که
به طور تجربی بهدست میآید و تقریبا برابر 5 میباشد .همان-طور که در رابطهی بالا دیده می شود سرعت خط مرکزی با معکوس فاصله تا صفحهی خروجی از نازل رابطه دارد. پروفایل سرعت جریان جت پایا را میتوان از معادلات پیوستگی و بقای مومنتوم با استفاده از ساده سازی شرایط مرزی بهدست آورد. دبی حجمی جریان در فاصلهی z از اوریفیس را میتوان به صورت زیر از پروفایل سرعت محاسبه کرد که در آن K مومنتوم جنبشی است که به صورت زیر داده شده است:
معادلات بالا بیان واضح و روشنی از پروفایل سرعت را در ناحیه گذرای جت توربولانسی ارائه میدهند.
ایوان و مودی همچنین رابطهای بین طول ناحیهی بشکهای شکل شعاع خروجی و نسبت فشار خروجی نازل به فشار محیط Np به دست آوردند که بهصورت زیر میباشد :
مدل استاندارد کا-اپسیلون مورد استفاده در جت گاز
کا -اپسیلون معروفترین مدل دو معادلهای میباشد زیرا درک آن آسانتر و استفاده از آن در برنامهنویسی سادهتر است. در مدلهای ویسکوزیته ادی کا اپسیلون، میدان جریان بر حسب دو متغیر بیان میشود
الف - انرژی جنبشی جریان
ب - نرخ اضمحلال ویسکوز انرژی جنبشی آشفته
میتوان به کمک آنالیز ابعادی نشان داد که ویسکوزیته آشفته رامیتوان به طول مقیاس ادیهای بزرگ جریان آشفته مرتبط ساخت
