Газодинамическое и тепломеханическое совершенствование процессов заполнения и опорожнения полости (цилиндра) через клапанный механизм тарельчатого типа

КАРТОЧКА ПРОЕКТА ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ И ПОИСКОВЫХ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ,
ПОДДЕРЖАННОГО РОССИЙСКИМ НАУЧНЫМ ФОНДОМ

Информация подготовлена на основании данных из Информационно-аналитической системы РНФ, содержательная часть представлена в авторской редакции. Все права принадлежат авторам, использование или перепечатка материалов допустима только с предварительного согласия авторов.

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

Номер проекта 23-29-00022

НазваниеГазодинамическое и тепломеханическое совершенствование процессов заполнения и опорожнения полости (цилиндра) через клапанный механизм тарельчатого типа

Руководитель Плотников Леонид Валерьевич, Доктор технических наук

Организация финансирования, регион федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Уральский федеральный университет имени первого Президента России Б.Н. Ельцина" , Свердловская обл

Конкурс №78 - Конкурс 2022 года «Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований малыми отдельными научными группами»

Область знания, основной код классификатора 09 - Инженерные науки; 09-105 - Газо- и гидродинамика технических и природных систем

Ключевые слова Газодинамика, теплоотдача, стационарный поток газа, заполнение и опорожнение полости, газодинамическое и тепломеханическое совершенствование, геометрические и режимные факторы, экспериментальные исследования, поршневой двигатель.

Код ГРНТИ55.42.03

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
Несмотря на широко обсуждаемые тенденции перехода от применения поршневых машин на иные системы привода (например, электрический привод в автомобилестроении), именно поршневые машины остаются устойчивой базой в качестве энергетических установок для транспортного машиностроения, а также надежными устройствами в компрессорной технике. Создание эффективной, конкурентоспособной и экологически чистой поршневой машины остается актуальной задачей в развитии энергетики и машиностроения. Решение этой задачи заключается в совершенствовании рабочего цикла и основных систем с учетом современных данных о материалах, механике, газодинамике и теплообмене, характерных для поршневых машин. Соответственно, необходимы дальнейшие исследования газодинамических явлений и особенностей теплообмена в полости (цилиндре) и системах газообмена с учетом механики движения газа с целью разработки оригинальных научно-технических решений по улучшению эффективности и экологичности поршневых машин различного назначения. Цель проекта состоит в уточнении физического механизма влияния граничных условий и геометрических факторов (конструкции элементов системы газообмена: конфигурации клапана, канала клапанного узла, поперечного профилирования трубопроводов) на газодинамические и теплообменные характеристики стационарных потоков в полости (цилиндре) при ее заполнении и/или опорожнении для разработки новых конструкций подводящих и отводящих систем, повышающих эксплуатационные показатели поршневых машин. Для выполнения этой цели были поставлены следующие основные задачи: 1) посредством метода градиентной теплометрии получить данные о влиянии конфигурации подводящей и отводящей системы, а также клапана и канала клапанного механизма на газодинамическую структуру стационарного потока в полости (цилиндре) поршневой машины; 2) с помощью метода термоанемометрирования получить данные о влиянии конфигурации подводящей и отводящей системы, а также клапана и канала клапанного механизма на газодинамические (местная скорость, расход газа, степень турбулентности) и теплообменные (локальный коэффициент теплоотдачи, эмпирические уравнения) характеристики стационарных потоков в подводящих и отводящих системах поршневой машины; 3) на основе цифровых технологий предложить новые конструкции подводящих и отводящих систем для улучшения качества заполнения и опорожнения полости (цилиндра) с целью повышения технико-экономических показателей поршневых машин; 4) На основе проведенных научных исследований уточнить учебные планы и рабочие программы специальных дисциплин по направлению «Энергетическое машиностроение» в Уральском федеральном университете. Научная новизна результатов проекта: 1) установить влияние геометрических факторов и газодинамической условий на структуру потока в полости (цилиндре) поршневой машины и интенсивность теплоотдачи потоков в системах газообмена разной конфигурации при течении газов через клапанный механизм; 2) определить влияние поперечного профилирования каналов на структуру потока в полости (цилиндре), а также на расходные и тепломеханические характеристики потоков в элементах системы газообмена при течении газов через клапанный механизм; 3) выявить направления совершенствования элементов систем газообмена поршневых машин с целью улучшения качества заполнения и опорожнения полости (цилиндра) и повышения эффективности энергоустановок.

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Публикации

1. Плотников Л., Десятов К., Осипов Л., Парфенов А. Estimation of Thermal and Mechanical Characteristics of Stationary Turbulent Flows in the Engine Exhaust System Through Physical and Numerical Modeling AIP Conference proceeding, Vol. 2999. Article number 020034. (год публикации - 2023)
10.1063/5.0158327

2. Плотников Л.В., Десятов К.О., Давыдов Д.А., Красильников Д.Н. Физическое и численное моделирование стационарных тепломеханических процессов в выпускной системе поршневого двигателя Тепловые процессы в технике, Т. 15, №6. С. 288-295. (год публикации - 2023)

3. Плотников Л.В., Григорьев Н.И., Десятов К.О. Stationary Gas Dynamics and Heat Transfer of Turbulent Gas Flow in the Cylinder and Exhaust System of a Reciprocating Engine Lecture Notes in Mechanical Engineering, 2023. Р. 322-332. (год публикации - 2023)

4. Плотников Л.В., Шурупов В.А., Следнев В.А., Давыдов Д.А., Красильников Д.Н. Стационарная термогазодинамика потоков в цилиндре и выпускной системе поршневого двигателя Известия высших учебных заведений. Проблемы энергетики, Т. 25. № 1. С. 130-142. (год публикации - 2023)

5. Плотников Л.В., Давыдов Д.А., Красильников Д.Н., Лаптев А.Д., Следнёв В.А., Шурупов В.А. Модернизация впускного тракта путем применения квадратных и треугольных каналов применительно к автомобильному двигателю размерности 8,2/7,1 Транспорт Урала, 3(78). С. 84-90. (год публикации - 2023)

6. Плотников Л.В., Шурупов В.А., Давыдов Д.А., Следнёв В.А., Красильников Д.Н., Лаптев А.Д. Влияние конфигурации впускной системы на мощность дизельного двигателя размерности 7,5/6,0 Турбины и дизели, Июль-август. С. 46-51. (год публикации - 2023)

7. Давыдов Д.А., Красильников Д.Н., Плотников Л.В., Следнёв В.А., Шурупов В.А. Газодинамическая структура потока в цилиндре после прохождения воздуха через тарельчатый клапан Тезисы докладов Всероссийской научной конференции «Енисейская Теплофизика – 2023», Красноярск: Изд-во СФУ, 2023. С. 124-125. (год публикации - 2023)

8. Давыдов Д.А., Красильников Д.Н., Следнёв В.А., Плотников Л.В., Шурупов В.А. Верификация результатов моделирования термомеханики потоков во впускной системе ДВС посредством экспериментальных данных Проблемы газодинамики и тепломассообмена в энергетических установках: Тезисы докладов XXIV Школы-семинара молодых ученых и специалистов под руководством акад. РАН А. И. Леонтьева, Казань: ООО ПК «Астор и Я», 2023. С. 338-339. (год публикации - 2023)

9. Давыдов Д.А., Красильников Д.Н., Лаптев А.Д., Плотников Л.В., Следнёв В.А., Шурупов В.А. Влияние конструкции подводящего канала на газодинамику и теплообмен стационарного потока газа при истечении в цилиндр (применительно к поршневому двигателю) Сборник докладов конференции «XXXIХ Сибирский теплофизический семинар», Новосибирск: ИТФ СО РАН, 2023. С. 50. (год публикации - 2023)

10. Плотников Л.В., Шурупов В.А., Следнев В.А., Лаптев А.Д. Интенсивность теплоотдачи стационарного потока воздуха в цилиндре при заполнении через тарельчатый клапан Тезисы докладов Всероссийской научной конференции «XIII семинар вузов по теплофизике и энергетике», Н. Новгород: НГТУ им. Р.Е. Алексеева, 2023. С. 36-38. (год публикации - 2023)

11. Плотников Л.В., Шурупов В.А., Следнев В.А., Давыдов Д.А., Красильников Д.Н. Стационарная газодинамика и теплообмен турбулентных потоков в подающих системах разных конфигураций с клапанным механизмом Известия вузов. Физика, № 11(792). С. 137-143. (год публикации - 2023)

12. Плотников Л.В. Experimental assessment of flow structure in a cylinder during air flow through poppet valves of different configurations Journal of Engineering Physics and Thermophysics, 2024. Vol. 97, No. 1. Р. 172-178. (год публикации - 2024)
10.1007/s10891-024-02880-8

13. Красильников Д.Н., Следнев В.А. Влияние формы поперечного сечения канала на структуру стационарного потока в цилиндре и интенсивность теплоотдачи во впускной системе поршневого двигателя Материалы 62-й Международной научной студенческой конференции. Новосибирск: ИПЦ НГУ, Новосибирск: ИПЦ НГУ, 2024. С. 141. (год публикации - 2024)

14. Плотников Л.В., Давыдов Д.А., Красильников Д.Н., Шурупов В.А. Нестационарные газодинамика и теплообмен потоков газа при заполнении цилиндрической полости через каналы разного поперечного сечения Сборник докладов конференции «XL Сибирский тепло-физический семинар». Новосибирск: ИТФ СО РАН, Новосибирск: ИТФ СО РАН, 2024. С. 100. (год публикации - 2024)

15. Плотников Л., Давыдов Д., Красильников Д., Шурупов В. Influence of the channel design on the heat exchange characteristics of pulsating flows in the supply system of an engine Frontiers in Heat and Mass Transfer, 2024. Vol. 22(5). P. 1309-1322. (год публикации - 2024)
10.32604/fhmt.2024.056680

16. Плотников Л.В. Structure of the air flow in the cylinder of engines with inlet pipelines of various configurations Journal of Engineering Physics and Thermophysics, 2023. Vol. 96, No. 6. Р. 1604-1609. (год публикации - 2023)
10.1007/s10891-023-02831-9

17. Плотников Л.В., Давыдов Д.А., Красильников Д.Н., Шурупов В.А., Осипов Л.Е. Experimental Study of Gas Dynamics and Heat Transfer of a Stationary Flow in Exhaust Pipelines with Different Cross-Sectional Shapes Proceedings of the 10th ICIE 2024. Lecture Notes in Mechanical Engineering. , 2024. Р. 318-328. (год публикации - 2024)
10.1007/978-3-031-65870-9_28

18. Плотников Л.В., Красильников Д.Н., Давыдов Д.А., Шурупов В.А. Конструкторские способы управления уровнем теплообмена пульсирующих потоков в выпускном коллекторе для повышения надежности поршневых двигателей Материалы IV Международной конференции «Современные проблемы теплофизики и энергетики». Москва: Издательство МЭИ, Москва: Издательство МЭИ, 2024. С. 40-41. (год публикации - 2024)

19. Плотников Л.В., Комаров О.В., Давыдов Д.А., Красильников Д.Н., Шурупов В.А. Особенности нестационарных тепломеханических процессов в выпускном коллекторе автомобильного поршневого двигателя размерности 8,2/7,1 Транспорт Урала, 2024. 2(81). С. 49-55. (год публикации - 2024)

20. Плотников Л.В. Gas dynamics and heat exchange of stationary and pulsating air flows during cylinder filling process through different configurations of the cylinder head channel (applicable to piston engines) International Journal of Heat and Mass Transfer, 2024. Vol. 233. Article number 126041. (год публикации - 2024)
10.1016/j.ijheatmasstransfer.2024.126041

21. Плотников Л.В. The influence of longitudinal duct profiling on unsteady gas dynamics and the heat transfer of pulsating gas flows in the outlet system of reciprocating-engine Thermal Science and Engineering Progress, 2024. Vol. 55. Article number 102977. (год публикации - 2024)
10.1016/j.tsep.2024.102977

Аннотация результатов, полученных в 2024 году
Поршневые компрессоры и двигатели остаются востребованными устройствами в разнообразных отраслях промышленности (малая энергетика, машиностроение, добыча сланцевого газа и др.) во всем мире. Известно, что качество процессов газообмена (наполнение и опорожнение цилиндра через тарельчатые клапаны) значительно определяют экологические и технико-экономические показатели поршневых машин. Эти процессы являются периодическими, быстропротекающими и сложными с пространственным течением с препятствиями и влиянием теплообмена. Поэтому необходимо дальнейшее изучение и совершенствование физических явлений в подводящих и отводящих системах для улучшения эксплуатационных и экологических показателей поршневых машин. Второй год реализации проекта был посвящен изучению процесса опорожнения цилиндра поршневой машины через отводящие системы разных конструкций при разных граничных условиях, а именно: исследование структуры потока (полей скоростей) стационарных потоков в цилиндре и газодинамики и теплообмена стационарных и пульсирующих потоков в элементах отводящей системы. Во второй год выполнения проекта были выполнены следующие работы: 1. Выполнены организационные процедуры для успешного выполнения проекта. 2. Во второй год реализации проекта было исследовано 6 конфигураций отводящих систем поршневых машин и их влияние на газодинамику и теплообмен потоков в цилиндре и отводящей системе. Дополнительно созданы прозрачные профилированные трубопроводы с поперечными сечениями в форме круга, квадрата и треугольника. 3. На основе метода тепловизуализирующей съемки получены термограммы структуры стационарного потока воздуха для разных конфигураций элементов отводящей системы на газодинамическую структуру распределения потока в цилиндре и трубопроводах при очистке цилиндра поршневой машины. 4. На основе метода тепловой анемометрии получены экспериментальные данные о закономерностях изменения местной скорости и локального коэффициента теплоотдачи стационарного потока газа в отводящих системах при разных конфигурациях отводящей трубы и клапанного канала. 5. На основе аналитической обработки экспериментальных данных о газодинамике и теплообмене стационарных и пульсирующих потоков газа в отводящих системах разных конфигурациях были получены получить сведения о степени турбулентности, графиках амплитуд спектра, расходах газа, числах Рейнольдса, Струхаля, Нуссельта и эмпирические уравнения для расчета локального коэффициента теплоотдачи. 6. На основе проведенных научных исследований была выполнена инженерная проработка отводящих систем с поперечным и продольным профилированием отводящих трубопроводов и профилированными каналами в головке блока цилиндра. 7. Создана, настроена и верифицирована математическая модель четырехцилиндрового поршневого двигателя размерности 8,2/7,1 в программе Дизель-РК с акцентом (более детальной проработкой) на элементы отводящей системы; на основе моделирования установлено, что применение профилированных элементов отводящей системы приводит к росту мощности двигателя в пределах 7 % и изменению КПД в диапазоне ± 1,75 %. 8. На основе полученных научно-технических результатов дополнено и модернизировано содержание специальных дисциплин для образовательных программ по направлению «Энергетическое машиностроение» на кафедре «Турбины и двигатели» Уральского федерального университета. 9. За второй год реализации проекта подготовлено 12 научных работ. За второй год выполнения проекта были получены следующие основные научные результаты: 1. Установлены закономерности изменения газодинамической структуры потока в отводящих каналах при опорожнении полости (цилиндра) через отводящие трубы и каналы клапанного механизма разных конфигураций для разных начальных условий; 2. Выявлены закономерности изменения газодинамической структуры потока в цилиндре при его опорожнении через отводящие трубы и каналы клапанного механизма разных конфигураций для разных начальных условий; 3. Определены закономерности изменения местной скорости и локального коэффициента теплоотдачи стационарного и пульсирующего потоков газа в отводящих системах при разных конфигурациях отводящей трубы и канала клапанного механизма (разные формы поперечного сечения трубопроводов, конусный трубопровод) для разных начальных условий; 4. Установлены газодинамические характеристики (степень турбулентности, графики амплитуд спектра, расходные характеристики) потоков в отводящих системах при разных конфигурациях отводящей трубы и канала клапанного механизма (поперечное профилирование и конусный трубопровод) при разных граничных условиях; 5. Выявлены теплообменные характеристики (эмпирические уравнения для расчета локального коэффициента теплоотдачи и числа Нуссельта) потоков газа в отводящих системах при разных конфигурациях отводящей трубы и канала клапанного механизма (разные формы поперечного сечения и разные начальные условия) в зависимости от геометрических и режимных факторов; 6. Разработаны конструкторские способы газодинамического и тепломеханического совершенствования отводящей системы (за счет профилирования каналов и конусного трубопровода) с целью улучшения технико-экономических и экологических показателей поршневого двигателя; выполнена инженерная проработка конструкций отводящих систем для поршневых двигателей различных размерностей и назначений с отводящими коллекторами разных конструкций (поперечное и продольное профилирование каналов; 7. На основе научных исследований модернизированы рабочие программы специальных дисциплин по образовательному направлению «Энергетическое машиностроение» на кафедре «Турбины и двигатели» Уральского федерального университета.

Публикации

Возможность практического использования результатов
В результате выполнения проекта получены данные о влиянии геометрических параметров элементов системы газообмена на качество заполнения и опорожнения полости (цилиндра) применительно к поршневой машине п, а также предложены новые конструкции (защищенные патентами РФ) элементов системы газообмена, при которой энергоустановка имеет улучшенные технико-экономические параметры. Соответственно, результаты выполнения проекта могут быть использованы на предприятиях, выпускающих поршневые машины (двигатели внутреннего сгорания и компрессорная техника). Например, ООО «Уральский дизель-моторный завод», ПАО "Звезда", АО "УЗГА", АО «Уральский компрессорный завод». Значимость результатов проекта в экономике и социальной сфере: 1) предлагаемые на основе фундаментальных исследований технические решения по газодинамическому и тепломеханическому совершенствованию систем газообмена поршневых машин позволят повысить их КПД, а соответственно, снизить расход топлива – переход к ресурсосберегающей энергетике; 2) предлагаемые технические решения для поршневого двигателестроения потенциально позволят улучшить экологические характеристики энергетических машин за счет более полного сгорания топлива, а сокращение расхода углеводородного топлива приведет к общему сокращению выбросов парниковых газов – переход к экологически чистой энергетике; 3) разработанные способы управления уровнем теплообмена в системах газообмена поршневых машин позволит повысить их надежность (вероятность безотказной работы), что снизит затраты эксплуатирующих предприятий и населения на техническое обслуживание и ремонт; 4) полученные фундаментальные (теоретические) результаты позволят уточнить и создать основу для разработки новых инженерных методик расчета и проектирования подающих и отводящих систем для поршневых машин – это даст возможность создавать российские энергоустановки, которые станут конкурентноспособными в мировом масштабе; 5) эксплуатация надежных, экологичных и технически современных поршневых машин позволит поднять уровень удовлетворенности предприятий и населения страны, а также потенциально улучшит позиции отечественных предприятий на мировом рынке энергетических установок.