بخشی از مقاله
چکیده
در این پژوهش، شبیهسازی گردابه بزرگ جریان ورودی به سیلندر بر روی یک سیلندر-پیستون متقارن محوری آزمایشگاهی انجام شده است. در همین راستا یک کد کامپیوتری برای حل عددی معادلات حاکم بر جریان ورودی به سیلندر در موتورهای احتراق داخلی توسعه یافته است. نتایج به دست آمده نشان میدهد که روش شبیهسازی گردابه بزرگ در مقایسه با مدل کی اپسیلون، در محاسبات مربوط به ویژگیهای اغتشاشی جریان بسیار بهتر عمل میکند که در این پژوهش با محاسبه نوسانات سرعت محوری در زوایای مختلف میللنگ و مقایسه با نتایج تجربی این برتری نشان دادهشده است.
نوسانات سرعت محوری در مرحله مکش نسبت به مرحله تراکم سطح بالاتری را اختیار میکنند که دلیل آن جت ورودی به سیلندر و گرادیان شدید متغیرها میباشد. در همین راستا جریان در مرحله مکش و در زاویه 100 درجه میللنگ به بیشترین حد اغتشاش خود می رسد و سپس اغتشاش ایجادشده، شروع به کاهش میکند و تا انتهای مرحله تراکم تقریباً سهم زیادی از اغتشاش از بین می رود.
نتایج تحلیل جریان درون سیلندر نیز نشان میدهد که در مرحله مکش، سه گردابه اصلی درون سیلندر تشکیل میشود که بزرگترین آن ها در پشت سوپاپ ایجاد میگردد و در زاویه میل لنگ 65 درجه، این گردابه به دیواره سیلندر برخورد میکند و باعث رشد گردابه ایجادشده در مجاورت پیستون می-شود. در طول مرحله تراکم، این سه گردابه جای خود را به یک گردابه در خلاف جهت چرخش گردابههای اولیه و همین طور تعدادی گردابه کوچک میدهند که این اتفاق در زاویه 90 درجه میللنگ قبل از نقطه مرگ بالا روی میدهد.
مقدمه
شبیهسازی رفتار واقعی و بررسی پدیدههای اختلاط و احتراق در موتورهای احتراق داخلی، به پیشبینی دقیق اغتشاش در مرحله مکش و تراکم بستگی دارد. در فرآیند مکش در موتورهای احتراق داخلی نوع دیزل، جریان هوا از درون منیفولد و از طریق سوپاپ ورودی وارد محفظه سیلندر میشود. جریان گذرا از سوپاپ تشکیل جریان جت میدهد. مشخصات هندسی درگاه ورودی و برنامه حرکت سوپاپ یک جریان سازمانیافته درون سیلندر ایجاد میکند که به حرکت چرخشی - چرخش حول محور سیلندر - و حرکت گردشی - گردش حول محور عمود بر سیلندر - شناخته میشود. بیشتر انرژی جریان جت ورودی، درون سیلندر تبدیل به اغتشاش میگردد.
در طی تحقیقات صورت گرفته، مشخص شده است که میدان این جریان در انتهای مرحله تراکم و قبل از پاشش سوخت، تأثیر بسزایی بر روی بهبود فرآیند اختلاط سوخت و هوا و همین طور فرآیند احتراق دارد و میتواند اطلاعات طراحی باارزشی را برای مهندسان فراهم آورد. به همین دلیل اهمیت شناخت و بررسی جریان ایجادشده در مرحله مکش و تراکم در دهههای اخیر مورد توجه محققان زیادی قرارگرفته و تحقیقات گستردهای از طریق روشهای عددی و آزمایشگاهی در این زمینه صورت گرفته است.
در زمینهی اغتشاش، در دهههای اخیر مدلهای اغتشاش مختلفی برای شبیهسازی جریان درون سیلندر موتورهای احتراق داخلی، مورد استفاده محققان قرار گرفته است. نتایج متعدد به دست آمده توسط این محققان با استفاده از مدلهای اغتشاشی مختلف بر پایه معادلات متوسطگیری شده رینولدزنتایج1 نسبتاً موفقی را ارائه دادهاند.
مصلح و خالقی [1] و همینطور فلاح و خالقی [2] محاسبات مربوط به جریان سیال درون موتورهای رفت و برگشتی را با استفاده از مدل-های اغتشاشی کی اپسیلون و تنشهای جبری2 انجام دادهاند. آنها در پژوهشهای خود نتایج حاصل از این دو مدل اغتشاشی را مقایسه کردهاند و نشان دادهاند که مدل اغتشاشی تنشهای جبری نتایج دقیقتری را در مقایسه با مدل کی اپسیلون برای شبیهسازی جریان درون سیلندر ارائه میدهد.
با توجه به نتایج به دست آمده در شبیهسازی جریان ورودی به سیلندر توسط معادلات متوسط گیری شده رینولدز، ذکر این نکته ضروری میباشد که این روشها تنها میتوانند رفتار متوسط جریان سیال را نشان دهند و با مدل کردن تمامی مقیاسهای طولی اغتشاش3، نوسانات موجود در جریان را حذف میکنند. به دنبال ضعفهای روشهای بر پایه معادلات متوسط گیری رینولدز، در دهه گذشته استفاده از روش شبیهسازی گردابه بزرگ4 برای مسائل پیچیده مهندسی مانند جریان درون سیلندر موتورهای احتراق داخلی رشد نموده است.
پیشگامان استفاده از روش شبیهسازی گردابه بزرگ در موتورهای احتراق داخلی نایتوه و همکاران [3] در اوایل دهه 90 میلادی بودند. آنها توانستند نتایج کیفی مناسبی را در مقایسه با نتایج آزمایشگاهی موجود که بر روی یک سیلندر مربعی با پیستون تخت انجام شده بود به دست آورند.
هوجنن و همکاران [4] شبیهسازی ترکیبی متوسط گیری رینولدز و شبیهسازی گردابه بزرگ را بر روی جریان ورودی به موتور دیزل انجام دادند و در نتایجشان به اهمیت روش عددی انتخابی و همچنین شرایط مرزی جریان ورودی و خروجی اشاره کردند.
ورزیکو و همکاران [5] و سلیک و همکاران [6] و باتونه و همکاران [7] در تحقیقهای جداگانه امکان استفاده از روش شبیهسازی گردابه بزرگ را در موتورهای احتراق داخلی مورد بررسی قراردادند و گزارش کردند که این روش توانایی بررسی طبیعت جریان سیال و ضبط تغییرات چرخه به چرخه را در سیکلهای متوالی دارد.
هاورث و همکاران [8] مدلهای مختلف زیر شبکه5 را در روش شبیهسازی گردابه بزرگ برای موتورهای احتراق داخلی مورد استفاده قراردادند. این مدلها شامل مدل اسماگورینسکی6، اسماگورینسکی دینامیکی و اسماگورینسکی لاگرانژی میباشد. این مطالعات بر روی یک سیلندر-پیستون متقارن با یک سوپاپ مرکزی صورت گرفته و از شبکه نسبتاً درشت استفاده شده است. آنها برای شبیهسازی خود از نرمافزار محاسبات هیدرودینامیکی برای طراحی پیشرفته استفاده کرده و گزارش کردند که اگر دقت روش عددی مکانی و زمانی استفادهشده از مرتبه 2 باشد، عدد کورانت کمتر از واحد میشود.
تحقیقات گستردهای توسط سلیک و همکاران [9] در دانشگاه ویرجینیا بر روی چشمانداز استفاده از روش شبیهسازی گردابه بزرگ برای موتورهای احتراق داخلی توسط کد تجاری کیوا صورت گرفته است. آنها در نتایج خود بیان کردند که زمان محاسبات به شدت به اندازه شبکه بستگی دارد.
در این پژوهش برای شبیهسازی گردابه بزرگ جریان ورودی به سیلندر طی مراحل مکش و تراکم موتور، یک کد عددی با استفاده از مدل زیرشبکه اسماگورینسکی توسعهیافته است. شبیهسازی مورد نظر در نزدیکی مرزهای دیواره سیلندر با اصلاح روابط مربوط به تابع دیواره استاندارد با استفاده از انرژی جنبشی اغتشاشی مقیاس زیرشبکه صورت گرفتهاست. بررسی عملکرد دو مدل اغتشاشی شبیهسازی گردابه بزرگ و کی اپسیلون در محاسبات مربوط به سرعت متوسط و سطح اغتشاش درون سیلندر از انگیزههای این پژوهش بوده است.
هندسه مسئله و مشخصات موتور
شماتیک هندسه موتور دیزل مورد نظر که برای شبیهسازی عددی جریان ورودی به سیلندر در مرحله مکش و تراکم در این تحقیق مورد استفاده قرار گرفته است در شکل 1 به نمایش درآمده است. موتور مورد نظر یک مونتاژ آزمایشگاهی سیلندر-پیستون با شرط تقارن محوری و سوپاپ ثابت میباشد که در دانشگاه امپریال لندن مورد استفاده قرار میگیرد .[10] از نتایج تجربی آزمایشهایی که در این دانشگاه بر روی این موتور انجام شده است برای صحتسنجی نتایج شبیهسازی این تحقیق استفاده شده است.
شکل 1 شماتیک موتور احتراق داخلی آزمایشگاهی دانشگاه امپریال لندن
محفظه احتراقی که در شکل 1 به نمایش درآمده است، محفظه ی پنکیکی1 - پیستون و سر سیلندر تخت - نامیده میشود که با توجه به شکل، دارای قطر 75 میلیمتر، طول کورس60 2 میلیمتر و لقی30 3 میلیمتر میباشد. این موتور دارای سرعت 200 دور بر دقیقه میباشد که با توجه به این سرعت، پیستون طی یک حرکت هارمونیک دارای سرعت متوسط 0/4 متر بر ثانیه میشود. جریان هوا از طریق سوپاپ ورودی و با زاویه 30 درجه نسبت به محور تقارن سیلندر وارد محفظه میشود.
مدلسازی ریاضی
در روش شبیهسازی گردابه بزرگ، فیلترگیری مکانی از معادلات لحظهای جریان سیال با عرض فیلتر صورت میگیرد. بر اساس ایدهی روش شبیهسازی گردابه بزرگ یک وسیله نیاز است تا مقیاسهای بزرگ و مقیاسهای کوچک تمیز داده شوند که این عمل توسط فیلترگیری مکانی صورت میگیرد. لئونارد در سال 1974 پیشنهاد داد تا مؤلفه مقیاس شبکه از رابطه - 1 - محاسبه شود:
در این رابطه Uمؤلفه مقیاس شبکه و G تابع فیلتر میباشد. در شبیهسازی عددی با استفاده از روش حجم محدود4 همواره از فیلتر جعبهای5 استفاده میشود . رابطه - 2 - بیان ریاضی این فیلتر را که در این تحقیق مورد استفاده قرارگرفته نشان میدهد:
در این تحقیق از فیلترگیری ضمنی استفاده شده است. در روش حجم محدود همواره از فیلتر جعبهای و فیلترگیری ضمنی استفاده میشود و این بدان معنی است که فیلترگیری همان گسستهسازی یا انتگرالگیری بر روی یک حجم کنترل، که حجم آن برابر با حجم فیلتر است، میباشد. در واقع روش حجم محدود یک روش متوسط گیری حجمی میباشد و هنگامی که از یک متغیر فیلترگیری می شود، تفسیر آن بدین صورت است که مقدار آن متغیر در آن سلول ثابت فرض میشود.
