30 06 2011 diplomski ivan duilo

7/27/2019 30 06 2011 Diplomski Ivan Duilo

1/66

SVEUILITE U ZAGREBUFAKULTET STROJARSTVA I BRODOGRADNJE

DIPLOMSKI RAD

Ivan Duilo

Zagreb, godina 2011.


2/66


3/66

Izjavljujem da sam ovaj rad izradio samostalno koristei steena znanja tijekom studija i

navedenu literaturu.

Zahvaljujem se profesoru Nevenu Duiu i znanstvenim novacima Milanu Vujanoviu,

Marku Banu i Luki Perkoviu na pruenoj podrci tijekom pisanja ovog rada.

Ivan Duilo


4/66

Ivan Duilo Diplomski rad

Fakultet strojarstva i brodogradnje I


5/66


Fakultet strojarstva i brodogradnje II

SADRAJ

SADRAJ .................................................................................................................................. IIPOPIS SLIKA .......................................................................................................................... IVPOPIS TABLICA ...................................................................................................................... VPOPIS OZNAKA ..................................................................................................................... VISAETAK ............................................................................................................................. VIII1. UVOD .................................................................................................................................. 1

1.1. Karakteristini procesi ubrizgavanja spreja kod motora s unutranjim izgaranjem .... 11.2. Raunalna analiza procesa ubrizgavanja spreja i njegove interakcije sa stjenkom ..... 21.3. Analiza rezultata .......................................................................................................... 4

2. MATEMATIKI OPIS MODELA INTERAKCIJE SPREJA I STJENKE ....................... 62.1. Reimi interakcije kapljice spreja i stjenke .................................................................. 62.2. Osnovni zakoni ouvanja ............................................................................................. 82.3. Modeliranje spreja ........................................................................................................ 92.4. Modeliranje filma tekuine ........................................................................................ 102.5. Modeliranje isparavanja i dekompozicije otopine ureje i vode ................................. 13

2.5.1. Model isparavanja UWS-a pri temperaturama T


6/66


Fakultet strojarstva i brodogradnje III

5.2.4. Granini uvjeti .................................................................................................... 435.3. Pregled simulacija ...................................................................................................... 445.4. Rezultati simulacija za tri pogonska stanja ................................................................ 445.5. Usporedba sa dostupnim eksperimentalnim podacima .............................................. 47

ZAKLJUAK .......................................................................................................................... 48PRILOZI ................................................................................................................................... 50LITERATURA ......................................................................................................................... 51


7/66


Fakultet strojarstva i brodogradnje IV

POPIS SLIKA

Slika 1: Geometrija usisnih i ispunih kanala cilindra motora s unutranjim izgaranjem. ........ 2Slika 2: Raunalna simulacija ubrizgavanja spreja u zatvorenu geometriju cilindrinog oblika.

................................................................................................................................. 3Slika 3: Reimi sudaranja kapljice i stjenke. .............................................................................. 4Slika 4: Raunalni prikaz rezultata simulacije. .......................................................................... 5Slika 5: Mapa reima interakcije kapljice i stjenke. ................................................................... 7Slika 6: Grafiki opis naina rada DDM metode pri interakciji spreja sa stjenkom. ................. 9Slika 7: Prikaz tekueg filma stjenci i utjecaja viskoznih sila strujanja na njega. ................... 11Slika 8: Maseni tokovi ureje i vode nakon ubrizgavanja kapljice UWS-a. .............................. 14Slika 9: 2D prikaz prostorne diskretizacije strukturirane mree. ............................................. 19Slika 10: Shema postavki simulacije. ....................................................................................... 22Slika 11: Prikaz mree. ............................................................................................................. 23Slika 12: Simulacija ubrizgavanja spreja u nagnutu cijev. ....................................................... 26Slika 13: Dobiveni rezultati debljine filma za koritene razliite modele. .............................. 28Slika 14: Prikaz prvih rezultata testnih simulacija. .................................................................. 29Slika 15: Mapa debljine filma za pogonski uvjet br. 1............................................................. 31Slika 16: Mapa debljine filma za pogonski uvjet br.2.............................................................. 31Slika 17: Mapa debljine filma za pogonski uvjet br.3.............................................................. 31Slika 18: Mapa debljine filma za pogonski uvjet br.4.............................................................. 32Slika 19: Mapa debljine filma za pogonski uvjet br. 1............................................................. 32Slika 20: Mapa debljine filma za pogonski uvjet br. 2............................................................. 33Slika 21: Mapa debljine filma za pogonski uvjet br. 3............................................................. 33Slika 22: Mapa debljine filma za pogonski uvjet br. 4............................................................. 33Slika 23: Mapa debljine filma za pogonski uvjet br. 1............................................................. 34Slika 24: Mapa debljine filma za pogonski uvjet br. 2............................................................. 34Slika 25: Mapa debljine filma za pogonski uvjet br. 3............................................................. 34Slika 26: Mapa debljine filma za pogonski uvjet br. 4............................................................. 34Slika 27: Mapa debljine filma za pogonski uvjet br. 1............................................................. 35Slika 28: Mapa debljine filma za pogonski uvjet br. 2............................................................. 35Slika 29: Mapa debljine filma za pogonski uvjet br. 3............................................................. 35Slika 30: Mapa debljine filma za pogonski uvjet br. 4............................................................. 36Slika 31: Prikaz mree sa 129600 volumena. .......................................................................... 37Slika 32: Prikaz izolinija debljine filma nakon 1.75 s.............................................................. 37Slika 33: Prikaz izolinija debljine filma nakon 1.75 s.............................................................. 38Slika 34: Prikaz mree sa 583200 volumena. .......................................................................... 38Slika 35: Mrea sa strukturom tipa cilindar-cilindar. ............................................................... 39Slika 36: Prikaz izolinja debljine filma za mreu sa tipa cilindar-cilindar. ............................. 39Slika 37: Eksperimentalni rezultati za pogonski uvjet br. 1. .................................................... 40Slika 38: Shematski prikaz simuliranog SCR reaktora. ........................................................... 42Slika 39: Rezultati numerike simulacije za pogonski uvjet br. 1. .......................................... 45Slika 40: Rezultati numerike simulacije za pogonski uvjet br.2. ........................................... 46Slika 41: Rezultati numerike simulacije za pogonski uvjet br.3. ........................................... 46Slika 42: Eksperimentalni rezultati mjerenja temperatura u SCR katalizatoru. ....................... 47


8/66


Fakultet strojarstva i brodogradnje V

POPIS TABLICA

Tabela 1: Tok simulacije. ......................................................................................................... 18Tabela 2: Tabela simuliranih pogonskih uvjeta. ...................................................................... 30Tabela 3: Tabela pogonskih uvjeta ........................................................................................... 45


9/66


Fakultet strojarstva i brodogradnje VI

POPIS OZNAKA

Oznaka Jedinica Opis

T Identifikacijski temperaturni kvocijent reima sudaranja

wT K Temperatura stjenke

satT K Temperatura zasienja

K Bez dimenzijski identifikacijski broj reima sudaranja

d kg/m3 Gustoa fluida kapljice

dD m Promjer kapljice

du m/s Brzina kapljice

d N/m Povrinska napetost kapljiced kg/(m*s) Dinamika viskoznost fluida kapljice

Ca Kapilarni broj

La Laplaceov broj

Ope promatrana ekstenzivna veliina Fizikalno svojstvo po jedinici mase

kg/m3 Gustoa fluida

A Lokalni difuzijski nosioc

m Izvor ili ponor

Uj m/s Brzina fluidaUbj m/s Lokalna brzina pomine granice kontrolnog volumena

dm kg Masa kapljice

idu m/s Vektor brzine kapljicet

s Vrijeme

idrF N Sila otpora

igF

N Sila koja ukljuuje efekte gravitacije i uzgona

ipF

N Sila tlaka

ib

F

N Suma ostalih sila kao to su magnetska ili elektrostatska itd.

idx m Vektor pozicije kapljice

m Prosjena debljina filma

u m/s Vektor brzine diferencijalnog elementa filma

x m Vektor pozicije diferencijalnog elementa filma kg/m

3 Gustoa fluida filma

A m2 Povrina prekrivena filmom

mDS kg/s Maseni tok koji ulazi u film

mVS kg/s Maseni tok koji izlazi iz filma

uY Maseni udio urejevap

m kg/s Isparena masa


10/66


11/66


Fakultet strojarstva i brodogradnje VIII

SAETAK

Ovim radom e se pomou raunalnog softvera izvriti analiza ubrizgavanja fluida u obliku

spreja u zadanu geometriju. Na taj nain e se simulirati uvjeti rada slinih sustava koje

nalazimo u sustavima motora s unutranjim izgaranjem.

Prvi primjer simulacije jednog takvog sustava je ubrizgavanje spreja goriva u usisnu cijev

motora. Iako ve danas u uporabi imamo velik broj motora sa stranim paljenjem ("benzinski

motori"-motori koji koriste strani izvor zapaljenja mjeavine goriva i zraka, najee iskrom

iz svjeice) koji imaju direktno ubrizgavanje goriva u cilindar jo uvijek kod cestovnog

prometa najvei udio motora sa stranim paljenjem koristi sustav koji ubrizgava gorivo uusisnu cijev cilindra te se mjeavina za izgaranje formira prije ulaska u cilindar. Kod takvih

sustava zbog ograniene geometrije esto dolazi do sudara spreja sa stjenkom cijevi. U takvim

uvjetima zbog te kolizije esto dolazi do efekta vlaenja stjenke to na kraju rezultira

stvaranjem potoka tekueg filma goriva koji onda lagano tee prema glavi ventila i prilikom

njegova otvaranja nekontrolirano ulazi u cilindar. Simulacijom takvog sustava pomou

geometrije cijevi i postavljene brizgalice analizirat e se pojava takvog tekueg filma na

stjenci te njegova debljina. Koritenjem raunalnih alata za numeriko simuliranje interakcijefluida u odreenoj geometriji ulazimo u granu mehanike fluida koja se zove Raunalna

mehanika fluida (RMF). Principi RMF-a i njegove pretpostavke e biti koriteni za ovu

simulaciju i analizu dobivenih saznanja putem simulacije. Takoer da bi se potvrdila

ispravnost simulacije napravit e se usporedba simulacije s dostupnim eksperimentalnim

podacima te procjena odstupanja.

Drugi primjer koji se moe simulirati je ubrizgavanje otopine ureje i vode i interakcija njenog

spreja sa stjenkom geometrije u koju se ubrizgava. Tu se takoer analizira interakcije spreja sa

stjenkom i procesi koji se odvijaju. Kod ovog primjera zanimljiva toka gledita je

isparavanje ubrizgane tekuine na stjenci te efekt hlaenja stjenke koji se pri tome pojavljuje.

Iz tog razloga glavna promatrana veliina kod ove analize e biti temperatura stjenke. Ovaj

proces se pojavljuje u skoro svakom ureaju za selektivnu katalitiku redukciju. Ta

tehnologija je vrlo esto upotrebljavana u ispunim sustavima motora u svrhu smanjivanja

tetnih emisija.


12/66


Fakultet strojarstva i brodogradnje IX

U prvom poglavlju dane su osnovne informacije bitne za ovaj rad. Sljedee poglavlje opisuje

matematike modele koji su koriteni za opisivanje procesa bitnih za analizu ubrizgavanja

spreja u odreenu geometriju. Nakon toga su opisani osnovni principi raunalne mehanike

fluida. Sljedea poglavlja sadre opise analize raunalnih simulacija za dostupne modele

interakcije spreja/stjenka koji su dani u raunalnom softveru "Fire". Nakon analize dobivenih

simulacijskih rezultata dana je usporedba s dostupnim eksperimentalnim podacima. Zadnje

poglavlje donosi zakljuak o ovom radu i napomene za mogua daljnja istraivanja.


13/66


Fakultet strojarstva i brodogradnje X

SUMMARY

Computer analysis of fluid spray injection in given geometry will be carried out in this work.

On this principle working conditions in systems similar to the internal combustion engine

systems will be simulated.

First case of characteristic system for simulation is injection of liquid fuel in intake system of

internal combustion engine. Even today we have a high number of spark ignited internal

combustion engines which use direct injection of fuel spray in combustion chamber, there is

still a significant number of vehicles in transport system which use engines with intake system

fuel injection. In this case a mixture for combustion is formed in intake system. In this type ofintake design often there is collision of spray and intake pipe wall due to limited space for

injection. Due to this collision of spray and wall there is a number of work conditions which

will result with wall film formation on the wall of intake pipe. This wall film, if this work

conditions start to appear frequently, will form a liquid stream which is flowing in direction of

valve seat and starts to enter combustion area uncontrolled. Analysis of this wall film

phenomenon and its thickness will be performed by simulating similar case with pipe

geometry and adjusted injector. By using computer software tools for numerical simulation offluid interaction in given volume we are stepping in section of fluid dynamics which is called

computational fluid dynamics (CFD). Principles of CFD and its assumptions will be used for

simulating this case and analysis of the results gathered by simulation. After everything, to

confirm accuracy of these simulations there will be a comparison with experimental results

carried out.

Second case which can be simulated is injection of urea water solution and interaction of its

spray with wall of exhaust system. In this case we also analyze spray wall interaction and

processes which appear due to this interaction. In this example a point of interest is

evaporation of injected liquid on wall and cooling effect which is a result of this evaporation.

For that reason main point of analysis will be temperature of the wall. This process takes

place in almost every device for selective catalytic reduction. This technology is often used in

exhaust systems of internal combustion engines in purpose of emissions reduction

In first chapter general information important for this work are given. Next chapter describesmathematical models which were used for modeling processes relevant for analysis of fluid


14/66


Fakultet strojarstva i brodogradnje XI

injection in given geometry. After that, basic principles of CFD are described. Next chapters

contain simulations of available Fires spray/ wall interaction models and their analysis.

After this analysis, comparisons with experimental results have been made. Last chapter

contains conclusion and notice for possible afterward research.


15/66


Fakultet strojarstva i brodogradnje 1

1. UVODKako bi se detaljnije prouili svi utjecaji na te fizikalne procese koji se odvijaju kod

promatranog objekta radi utede vremena i novca eksperimentalne metode zamjenjuju

raunalne simulacije. Koritenjem raunalnih softvera za simuliranje strujanja i interakcije

fluida moe se dobit jako dobar uvid u fizikalne procese koji se odvijaju u zadanom

kontrolnom volumenu odreene geometrije. Na taj nain je mogue bre i efikasnije doi do

optimalnog inenjerskog rjeenja kod rjeavanja razliitih problema. Zbog toga su razvijeni

specijalizirani softveri koji se koriste u razliitim podrujima inenjerske prakse. "Fire" je

softver koji je specijaliziran za modeliranje procesa koji se odvijaju u razliitim dijelovima

sustava motora s unutranjim izgaranjem. Jedna od mogunosti ovog softvera je mogunost

simulacije ulaska estica fluida u kontrolni volumen i njihov razvoj. Na taj nain se simulira

ubrizgavanje spreja u odreenu geometriju te njegova interakcija sa stjenkom te geometrije.

1.1. Karakteristini procesi ubrizgavanja spreja kod motora s unutranjimizgaranjem

U svakom motoru s unutarnjim izgaranjem moemo nai nekakav oblik interakcije spreja istjenke. U motoru sa stranim paljenjem sprej goriva udara u stjenku usisne cijevi ili u stjenku

glave klipa. U motoru s kompresijskim paljenjem sprej goriva udara u stjenku klipa ili

komore za predpaljenje. Interakcija spreja i stjenke moe se nai na jo nekim mjestima u

sustavima motora s unutranjim izgaranjem. Jedan od primjera je ubrizgavanje otopine vode i

ureje (eng. Urea water solution) u ispunoj cijevi da bi se reducirale NOx emisije. Fluid koji

se ubrizgava je u ukapljenom stanju. Ukoliko uvjeti odgovaraju moe doi do toga da

interakcija spreja i stjenke rezultira stvaranjem filma tekuine na stjenci. Nastajanje tekueg

filma na stjenci je u svim sluajevima nepoeljno i moe stvoriti velike probleme.

Za rad motora s unutranjim izgaranjem potrebno je stvoriti mjeavinu za izgaranje te je

dovesti u komoru izgaranja (cilindar) gdje se ona zapali i na taj nain obavi proces ekspanzije

[1]. Da bi se ostvarili pogodni omjeri mjeavine zraka i goriva gorivo se ubrizgava u obliku

spreja u usisnu cijev ili direktno u cilindar kod motora sa stranim paljenjem ili u komoru za

predpaljenje ili cilindar kod motora s kompresijskim paljenjem. Svrha ubrizgavanja goriva u

obliku spreja je u tome da gorivo to bre ispari i tako u plinovitom obliku s dovedenim


16/66



zrakom stvori pogodnu mjeavinu za proces izgaranja. Ukoliko u takvim sustavima doe do

vlaenja stjenke proces isparavanja goriva e se usporiti. To e prouzrokovati ulazak

neodgovarajue mjeavine u cilindar te s tim i pada snage motora. U sljedeim ciklusima

otvaranja ventila za usis moe doi do ulijevanja potoka tekueg filma na stjenci u cilindar to

e opet poremetiti parametre za izgaranje u cilindru. Tako nastajanje filma tekuine na stjenci

usisne cijevi ili glave cilindra na kraju e rezultirati veom potronjom, poveanjem emisija

ne izgorenih ugljikovodika i imat e znaajan utjecaj na poveanje emisija zagaivaa kao to

su NOx, CO2 i krutih estica.

Slika 1: Geometrija usisnih i ispunih kanala cilindra motora s unutranjim izgaranjem.

Da bi smanjili nastanak filma tekuine prvo moramo prouiti uvjete koji pogoduju njegovom

nastajanju. Ovo je jako teko i zahtjeva jako mnogo vremena da bi se eksperimentiralo s

razliitim uvjetima na razliitim oblicima. Protok zraka kroz usisnu cijev i koliina

ubrizganog goriva variraju u ovisnosti o optereenju motora. Bilo bi jako skupo i vremenski

jako dugo pripremiti i nainiti toliko velik broj eksperimenata. Alternativa svim tim

eksperimentima je Raunalna mehanika fluida (RMF) pomou koje e se provesti numerike

simulacije [2][3][4][5] takvih procesa.

1.2. Raunalna analiza procesa ubrizgavanja spreja i njegove interakcije sa stjenkomAnalizu procesa ubrizgavanja spreja i njegove interakcije sa stjenkom emo vriti pomou

raunalnog softvera "Fire" koji se temelji na principima RMF-a. Raunalna mehanika fluidaje dio mehanike fluida koji koristi numerike metode i algoritme za rjeavanje jednadbi


17/66



strujanja fluida kroz zadanu geometriju. AVL-ov"Fire" je rjeava koji rjeava numerike

jednadbe zakona ouvanja zadane od korisnika za definirano strujanje fluida. Upotrebom

alata za obradu rezultata dobivenih raunalnim rjeavanjem ovih jednadbi analiziramo

strujanje fluida. Upotrebom takvih raunalnih softvera moemo simulirati uvjete razliitih

fizikalnih veliina, kao tlak, temperaturu, itd., i pomou numerikih simulacija dolaziti do

zakljuaka o ponaanju fluida. Jedan od procesa koji moe biti simuliran i analiziran pomou

RMF softvera je ubrizgavanje kapljevine i nastajanje tekuine filma na stjenci.

Slika 2: Raunalna simulacija ubrizgavanja spreja u zatvorenu geometriju cilindrinog oblika.

Postoje razliiti matematiki pristupi na kojima se baziraju metode prorauna kod RMF-a.

Fire je baziran na metodi kontrolnih volumena. Metoda kontrolnih volumena u RMF-u lei

na principima osnovnih jednadba ouvanja za veliine koje opisuju ponaanje materije kad je

ona u interakciji sa svojom okolinom. To znai da je domena simulacije sastavljena od

konanog broja volumena. Svaki od ovih volumena se ponaa kao zasebni kontrolni volumenza koji e biti sastavljen set numerikih jednadbi kako bi se dolo do rjeenja ekstenzivnih

veliina karakteristika fluida za taj volumen. Za svaki ovaj pojedini kontrolni volumen

osnovne jednadbe ouvanja su rjeavane u danom vremenskom koraku.

Kod raunalne analize procesa ubrizgavanja spreja i njegove interakcije sa stjenkom najbitnija

je metoda koja e biti upotrjebljena za matematiki opis kontakta kapljice sa stjenkom.

Postoje etiri mogunosti interakcije kapljice i stjenke koje se mogu odvijati pri njihovom

sudaranju [6]. To su odbijanje, termalni raspad, deponiranje i prskanje. Svaki od ovih reima


18/66



sudara kapljice i stjenke se dogaa pri definiranim fizikalnim uvjetima i znaajno utjee na

formaciju tekuine filma na stjenci.

Slika 3: Reimi sudaranja kapljice i stjenke.

1.3. Analiza rezultataNumerike simulacije putem softvera za analizu rezultata omoguuju odlian uvid u rezultate

dobivene raunalnom simulacijom. Putem alata za obradu rezultata moemo dobiti grafiki

prikaz tekuine filma na stjenci. Njihovim koritenjem kreiramo razliite grafove iz kojih se

na jednostavniji nain mogu izvui zakljuci dobiveni rezultatima simulacije.

Prikaz debljine tekueg filma na stjenci emo tako prikazati pomou izolinija koje e spajati

toke iste debljine filma mjerene od stjenke u smjeru osi z. Razliite boje izolinija e

prikazivati razliite debljine filma na stjenci od najdebljih slojeva koje e oznaavati

tamnocrvena boja do najtanjih slojeva koje e oznaavati tamnoplava boja. Takoer s tim

prikazima moemo vidjeti i rasprostranjenost filma po povrni stjenke cijevi.


19/66



Slika 4: Raunalni prikaz rezultata simulacije.

Na drugom obliku geometrije kod kojeg nam je glavni predmet promatranja promjena

temperature na stjenci, kao posljedica isparavanja kapljica na stjenci, analizu rezultata emo

vriti na nain da e se odabrati etiri toke na geometriji u pravilnom rasponu u podruju

gdje sprej kapljica udara u stjenku. Iz te etiri toke e se za svaki vremenski trenutak

izraunati temperatura. Rezultati simulacije promjene temperature e biti dani putem grafova

ovisnosti temperature u vremenu.


20/66



2. MATEMATIKI OPIS MODELA INTERAKCIJE SPREJA ISTJENKE

2.1. Reimi interakcije kapljice spreja i stjenkeFluid koji se ubrizga iz sapnice pod tlakom u vanjski prostor zbog djelovanja razliitih sila se

raspruje i formira kapljice. Ponaanje kapljice kad doe do stjenke ovisi o nekoliko

parametara kao to su brzina kapljice, promjer, karakteristike kapljice, povrinska hrapavost

stjenke i temperatura stjenke. Kod motora s unutranjim izgaranjem zbog nezavrenog

isparavanja i rasprivanja veliki dio kapljica ubrizganog goriva udara u stjenke usisne cijevi

ili ventila. Kod motora s kompresijskim paljenjem (dizelskih motora) ovi udari u stjenku se

deavaju u komori za izgaranje. U ovisnosti o lokalnim fizikalnim uvjetima i koliini gibanja

kapljice moemo identificirati razliite oblike reima sudaranja. etiri reima sudaranja

kapljice i stjenke mogu biti identificirana [6]. To su odbijanje, termalni raspad, deponiranje i

prskanje.

Odbijanje: Kod malih brzina kapljice i suhe i vrue povrine stjenke, parni jastuci sprjeavaju

kontakt izmeu kapljice i stjenke. U takvom sluaju e se kapljica odbiti od parnog jastuka

(koji se jo naziva Leidenfrostovim fenomenom) na stjenci bez da se raspukne. U sluajunesavrenog odbijanja kapljica se moe i raspasti na nekoliko manjih kapljica.

Termalni raspad: Ovo je rasprivanje kapljice na vruoj povrini stjenke. Vea temperatura e

rezultirati finijim raspadom kapljica.

Deponiranje: Kapljice dolaze do stjenke s malom kinetikom energijom (malom brzinom

udaranja). U ovom sluaju e se kapljica spojiti s postojeom tekuinom filma. Ovaj efekt

rezultira poveanjem tekuine filma na stjenci.

Prskanje: Ovo je rasprivanje na hladnoj (suhoj ili vlanoj) povrini zbog velike kinetike

energije (velika udarna brzina kapljice). Poveanje tekuine filma se dogaa kod nastupanja

prskanja. Meutim, prskanje suprotno od deponiranja rezultira nastajanjem novih malih

kapljica iz postojeeg filma tekuine.

Ovakva klasifikacija reima sudaranja se moe identificirati prema fizikalnim

karakteristikama fluida i stjenke na temelji dva bez dimenzijska broja T* i K. T* je kvocijentstvarne temperature stjenke i temperature zasienja fluida kapljice.


21/66



sat

w

T

TT =

(1)

Broj K predstavlja bez dimenzijski identifikacijski broj reima sudaranja i ovisan je o

fizikalnim karakteristikama kapljevine fluida i brzine kapljice. Takoer broj K moemo

prikazati kao umnoak potencija druga dva bez dimenzijska broja, kapilarnog broja i

Laplaceovog broja.

4/54/3

4121

454343

CaLauD

Kdd

ddd=

=

(2)

Na temelju ta dva bez dimenzijska broja mogu se definirati vrijednosti u kojima e se pojedini

reim interakcije odvijat. Sljedei graf prikazuje s kojim se vrijednostima moe pojaviti

pojedini reim interakcije kapljice i stjenke.

Slika 5: Mapa reima interakcije kapljice i stjenke.

Pojava tekuine filma e jako ovisiti o reimu interakcija kapljica i stjenke te e se u

pogodnom reimu kao sto je deponiranje tekui film puno bre stvarati. Ovakav model

interakcije spreja kapljica i stjenke je integriran u raunalni softver "Fire" [7]. Pravilnim

postavljanjem znaajki simulacije fizikalnih procesa e se doi do konanog rjeenja, a to bi


22/66



kod ovog rada bila debljina tekuine filma na stjenci. Daljnji tekst donosi objanjenje

osnovnih matematikih modela koji e biti koriteni za simulaciju.

2.2. Osnovni zakoni ouvanjaOsnovni zadatak RMF-a je da rijei numerike algoritme za osnovne zakone ouvanja

dinamike fluida i termodinamike. Ovi zakoni su:

Ouvanje mase Jednadba kontinuiteta

Ouvanje koliine gibanja Jednadba koliine gibanja

Ouvanje momenta koliine gibanja Jednadba momenta koliine gibanja

Ouvanje energije Energijska jednadba

Fundamentalni fizikalni zakoni ouvanja (mase, koliine gibanja, energije, entalpije, itd.) u

svojoj osnovnoj formi su definirani za maseni sistem (kontrolna masa) i mogu biti

formulirani u jedinstvenu formu koja predstavlja brzinu promjene ekstenzivnog svojstva

= V dV (3)kao posljedicu interakcije ovog masenog sistema sa svojom okolinom:

+=

V

m

A

A

m

dVdAdt

d (4)

gdje je ekstenzivna veliina koja se promatra (masa, koliina gibanja, moment koliinegibanja, energija, entalpije, itd.), je odgovarajue svojstvo po jedinici mase, je gustoa

fluida, A je lokalni difuzijski nosioc -ja na kontrolnoj granici po vremenskoj jedinici, i m je

izvor ili ponor -ja po jedinici mase i jedinici vremena.

Upotrebom Reynoldsovog transportnog teorema za elementarni kontrolni volumen jednadba

(4) moe biti transformirana za kontrolni volumen. Direktna upotreba Reynoldsova teorema

dovodi do osnovne (jake konzervativne) forme diferencijalnog zakona ouvanja za intenzivnu

veliinu (u indeksnoj notaciji):


23/66



[ ])()()( bjjj

UUxdtDt

D

+

=

(5)

gdje je Uj brzina fluida, a Ubjje lokalna brzina pomine granice kontrolnog volumena.

2.3. Modeliranje sprejaSimulacija spreja zahtjeva uvoenje fenomena viefaznog strujanja fluida koji kao takav

zahtjeva istovremeno numeriko rjeavanje jednadbi zakona ouvanja za plinovito i tekue

stanje. to se tie kapljevite faze praktino svi prorauni spreja u inenjerskoj okolini su

danas bazirani na statistikoj metodi poznatoj kao Metoda diskretnih kapljica (eng. Discretedroplet model-DDM"). Kratko objanjenje metode bi bilo da se za kapljice razliitih veliina

rjeavaju uobiajene diferencijalne jednadbe za trajektorije, koliinu gibanja, maseni i

toplinski tok. Kapljice meusobno istih karakteristika se grupiraju skupine koje se zovu

parcele. Rjeenje za jednu kapljicu predstavlja rjeenje grupe jednakih meusobno ne

interaktivnih kapljica. Tako onda rjeenje za jednu kaplijcu ove grupe prezentira ponaanje

cijele parcele.

Slika 6: Grafiki opis naina rada DDM metode pri interakciji spreja sa stjenkom.

Parcele kapljica su uvedene u domenu strujanja s poetnim uvjetima pozicije, veliine, brzine,

temperature i broja kapljica u parceli. Izmjena koliine gibanja, turbulentna disperzija,

isparavanje kapljice, sekundarno razbijanje, sudaranje kapljica i interakcija kapljice i stjenke

su obuhvaeni opsenim setom modela. Para kapljice koja isparava je upotrjebljena kao izvor


24/66



za dodatnu transportnu jednadbu udjela pare u Eulerovoj formulaciji pri modeliranju

strujanja kroz geometriju. Tu je samo prezentirano osnovno modeliranje spreja pomou

transportne jednadbe koliine gibanja za trajektorije i brzine parcela kapljica.

ibipigidrid

d FFFFdt

dum +++= (6)

U ovoj jednadbi md predstavlja masu kapljice, a uid vektor brzine. Tako je promjena koliine

gibanja jednaka sumi svih sila koje djeluju na kapljicu. Fidr je sila otpora, Fig je sila koja je

posljedica efekata gravitacije i uzgona, Fipje sila tlaka, a Fib je predstavlja sumu svih ostalih

sila koje mogu djelovati na kapljicu kao to su elektrostatska ili magnetska. Usporedbom

veliina svih sila koje djeluju na kapljicu sila otpora je jedina relevantna sila za izraunavanjeubrizgavanja i izgaranja spreja.

Vektor pozicije estice moemo lako dobiti integrirajui jednadbu:

idid u

dt

dx=

(7)

Gdje je xid vektor pozicije teita kapljice.

2.4. Modeliranje filma tekuineU usisnoj cijevi motora sa stranim paljenjem znaajna koliina goriva se moe nakupit na

stjenkama u obliku tankog tekueg filma kao posljedica ne zavrenog isparavanja ubrizganih

kapljice te sudaranja istih sa stjenkom. U ovisnosti o lokalnim fizikalnim uvjetima tekui film

e ili ispariti ili biti odnoen du stjenke. Dio filma e biti otkinut u obliku odvojenih kapljicai fluid e biti noen kao kapljice dalje strujanjem. Zbog puno vee viskoznosti tekue faze,

brzina filma je samo 1 do 3 posto normalne brzine strujanja zraka. Ovo vodi do neeljenog

nakupljanja tekueg goriva na stjenke usisa. Film dolazi do usisnog ventila sa zakanjenjem

od nekoliko okretaja bregastog vratila, ovisno o poloaju brizgaljke. Na ventilu i sjeditu

ventila film se raspada na relativno velike kapljice koje se naknadno premjetaju u komoru za

izgaranje ili su odnoene natrag u usisnu cijev zbog ranijeg zatvaranja usisnog ventila. S

druge strane nakupljeni film, kojeg moe biti do nekoliko kubinih centimetara, isparava pri

padu tlaka u usisnoj cijevi uzrokovanog zatvaranjem regulatora. Svi ovi efekti negativno


25/66



utjeu na formiranje mjeavine zraka i goriva, posebno pri uvjetima hladnog starta i pri

promjenjivim uvjetima optereenja motora, ali isto tako i kod kvazistacionarnih uvjeta rada

motora.

Ovo sve vodi do smanjenja potencijala performansi motora i poveanja emisija. Prema tome

vrlo je vano za inenjera da prilikom konstrukcije zna koliinu i lokaciju na kojoj e nastati

film tekuine kao i njegovu dinamiku. Eksperimentiranje je u ovim sluajevima jako skupo i

vremenski jako dugo. Ponekad je i nemogue zbog utjecaja mjerne opreme na sam

eksperiment. Rjeenje za ovaj problem moe biti u numerikim simulacijama.

Slika 7: Prikaz tekueg filma stjenci i utjecaja viskoznih sila strujanja na njega.

Modeliranje takvih kompliciranih procesa zahtjeva odreen broj pojednostavljenja i

pretpostavki. Ova pojednostavljenja i pretpostavke su:

Plinovita i tekua faza su tretirane kao odvojene pojedinane faze. Prema tome ovonije kompletan dvofazni model nego prije dva jednofazna modela spojena na

povrini filma. Spajanje ove dvije faze je postignuto modificiranim setom graninih

uvjeta baziranih na polu empirijskim relacijama.

Debljina filma je jako mala s obzirom na prosjeni promjer strujanja plinovite faze.Pa prema tome nikakva adaptacija volumena mree prema povrini filma nije

potrebna.

Valovita povrina filma nije detaljno simulirana ve je modelirana osrednjenomdebljinom tekuine filma s nad nametnutom hrapavosti filma.

Pretpostavljeno je da je osrednjena povrina filma paralelna s krutom stjenkom. Zbog malene debljine filma i male brzine filma granini tenzor naprezanja na

povrini i trenje na stjenci dominiraju ponaanjem filma s obzirom na inercijske sile

i popreno naprezanje.


26/66



Temperatura stjenke je ispod Leidenfrostove toke.Zbog svih ovih pojednostavljenja i pretpostavki moramo razumjeti da ovaj model ima svoja

ogranienja. Posebno ako debljina filma postane prevelika mogu se pojaviti pogreni rezultati

zbog zanemarivanja inercijskog efekta.

Svi relevantni fizikalni efekti, koji utjeu na formaciju filma i strujanje filma su:

Granina tangencijalna sila (tangencijalna sila na stjenku) Gravitacijska akceleracija Gradijent tlaka Isparavanje filma Toplinski tok izmeu filma i stjenke i plinovite faze Interakcija sa sprejem koji udara u film Otkidanje filma

Osnovna jednadba strujanja tekuine filma na stjenci je jednadba debljine filma. To je

lagano modificirana formulacija jednadbe kontinuiteta, koja je transformirana u jednadbu

ouvanja debljine filma. Radi jednostavnosti tu je spomenuta samo Cartesianska formulacija.

)(1)()(2

2

1

1mVmD SS

Axu

xu

t

=

+

+

(8)

Sljedei uobiajeni korak bi bio upotrijebiti jednadbe koliine gibanja da se nau

komponente brzine u1 i u2. Pretpostavimo da su komponente brzine poznate kao maseni

tokovi Sm. Sad konvenktivni dijelovi:

2

2

1

1)(

,

)(

x

u

x

u

mogu biti procijenjeni i jednadba (8) moe biti rijeena odmah eksplicitno. Ovo je bolji,

izravniji pristup. Prema tome je primarni interes metoda odreivanja komponenta brzina

filma. Profili brzina filma u obzir uzimaju samo efekte gravitacije, gradijenta tlaka i sminih

sila u ravnini paralelnoj sa stjenkom. Inercijski efekti su zanemareni, kao i ostale smine sile

(obje su neznaajne za tanke filmove). S druge strane, rjeavanje cijele jednadbe koliine

gibanja je zaobieno to jako pojednostavljuje model. Kako su inercijski efekti ignorirani


27/66



profili koji su uvedeni ovako su stacionarnog stanja. Dok je god film tanak stacionarno stanje

se dostie u djeliu sekunde to opravdava ovaj pristup. Detaljniji opis ovog pristupa se moe

nai u priruniku za "Fire CFD workflow manager" [7].

2.5. Modeliranje isparavanja i dekompozicije otopine ureje i vodeKod drugog primjera simulacije moramo uvesti nove zakonitosti za odvijanje procesa koji se

dogaaju pri ubrizgavanju otopine ureje i vode u ispune plinove motora s unutranjim

izgaranjem. Pri tome moramo razmatrati da razliite komponente te otopine imaju razliite

toke isparavanja. Takoer moramo uraunati i kemijske procese koji se u tim sluajevima

odvijaju [8][9][10].

Kad se kapljica UWS-a ubrizga prvo voda ispari iz kapljice jer je tlak zasienja vode vei u

odnosu na tlak zasienja kapljevite ureje u otopini. Nakon isparavanja vode kapljica mora biti

dalje zagrijavana da se ureja rastali i krene dekompozicija (termoliza) ureje. Razlika izmeu

masenih tokova za vrijeme isparavanja nastaje zbog kombinacije vee potrebne temperature

kapljice i vee reakcijske entalpije za termolizu ureje. Vano je za shvatiti da karakteristike

kapljice nisu homogene kroz cijelu kapljicu, npr. dekompozicija moe zapoeti na povrini

kapljice dok unutarnji dio kapljice jo sadri krutu ureju. Zbog toga to je temperatura

zasienja vode 100 C matematiki model za isparavanje je drugaiji za temperature nie i

jednake 100 C.


28/66



Slika 8: Maseni tokovi ureje i vode nakon ubrizgavanja kapljice UWS-a.

2.5.1. Model isparavanja UWS-a pri temperaturama T


29/66


30/66



2.5.3. Termoliza UWS-aNakon to cjelokupni sadraj vode ispari iz kapljice, ostaje samo kruta ureja. U realnosti ureja

se prvo rastali i onda pone proces dekompozicije u amonijak i isocijaninu kiselinu, ali u

teoriji ovo je zanemareno i Arheniusova jednadba je upotrjebljena da bi se raunao kemijskiproces. Arheniusov izraz pokazuje koliko brzo e se kemijska dekompozicija ureje odvijati

kao funkciju temperature. U Arheniusovom izrazu frekvencijski faktor A je empirijska

konstanta za raunanje dekompozicijske mase bazirana na temperaturi. Energija aktivacije Ea

je koliina energije potrebne da bi se zapoela kemijska reakcija. Promjena koliine mase

iste ureje je opisana sa:

)(dTR

aE

eADdt

dmd

u

= (15)Toplinski tok prema i od krute kapljice ureje moe biti izraunat. Toplinski tok qd ovisi o

temperaturnoj razlici izmeu ispunih plinova i kapljice, modificiranom Nuseltovom broju

Nu* i promijeni unutarnje energije dekompozirane kapljice kako je pokazano u jednadbi:

( )th

udgrefgdd h

dt

dmTTNuDq +=

, (16)

U jednadbi (16) hth predstavlja specifinu entalpiju hidrolize.


31/66



3. PRINCIPI NUMERIKIH SIMULACIJA3.1. Osnove numerikih simulacijaRaunalna mehanika fluida (RMF) je dio mehanike fluida koji koristi numerike procedure i

algoritme za rjeavanje i analiziranje problema vezanih za strujanje fluida. Ova raunanja su

upotrjebljena da bi se predvidjelo ponaanje fluida i interakcija fluida s njegovom okolinom.

Danas postoji nekoliko razliitih RMF softvera na tritu. Softver koji e biti upotrjebljen u

ovom radu je AVL-ov "Fire". "Fire" je baziran na metodi kontrolnih volumena. Metoda

kontrolnih volumena u RMF-u temelji se na principima osnovnih jednadba ouvanja za

veliine koje opisuju ponaanje materije kad je ona u interakciji sa svojom okolinom. Toznai da je domena simulacije sastavljena od konanog broja volumena. Svaki od ovih

volumena se ponaa kao zasebni kontrolni volumen za koji e biti sastavljen set numerikih

jednadbi da bi se dolo do rjeenja ekstenzivnih veliina karakteristika fluida za taj volumen.

Za svaki ovaj pojedini kontrolni volumen osnovne jednadbe ouvanja su rjeavane u danom

vremenskom koraku.

Cjelokupna procedura za svaku numeriku simulaciju moe biti podijeljena u tri djela. Prvi

dio je najee poznat kao pred-procesuiranje. Pred-procesuiranje obuhvaa formulaciju

problema, izgradnju raunalne mree, namjetanje osnovnih jednadbi, namjetanje graninih

uvjeta na rubnim dijelovima promatrane geometrije itd. U dijelu pred-procesuiranja mi

definiramo na problem. Drugi dio je rjeavanje. Ovaj dio ukljuuje diskretizaciju osnovnih

jednadbi i numeriko rjeavanje istih. Trei dio je post-procesuiranje ili obrada rezultata.

Ovaj dio se koristi za grafiku vizualizaciju i analizu simulacijskih rezultata. Tok cjelokupne

procedure je dan u tabeli na sljedeoj strani.


32/66



Tabela 1: Tok simulacije.

1. Geometrija (fizike granice) problema je definirana i raunalna mrea ja napravljena.

2. Fizikalni modeli su definirani (npr. jednadbe gibanja)

3. Granini uvjeti su definirani (npr. karakteristike fluida, poetni uvjeti, ulazni i izlazni uvjeti)

4. Simulacija je pokrenuta.

5. Raunalo izraunava vrijednosti traenih veliina za svaki volumen u svakom vremenskom

koraku.

6. Post procesiranjem analiziramo i vizualiziramo simulacijske rezultate u 2D i 3D obliku.

3.2. Prostorna i vremenska diskretizacijaRMF nudi dva naina proraunavanja strujanja fluida. Stacionarno stanje je ono kad su svi

uvjeti strujanja stacionarni i kad su sve veliine strujanja stacionarne. Za ovakve vrste

strujanja postoji jedinstveno rjeenje gdje za zadane ulazne veliine odnosno rubne uvjete u

promatranoj geometriji u svakoj toki imamo jedinstveno i konstantno rjeenje u svakom

vremenskom koraku. Kad se veliine strujanja mijenjaju ili se granini uvjeti mijenjaju u

vremenu tako da imamo ne stacionarno stanje strujanja fluida tada za svaki vremenski korak

imamo novo rjeenje. Da bi analizirali ponaanje fluida moramo nai rjeenje za svaki

vremenski korak. Definiranje veliine vremenskog koraka se naziva vremenska diskretizacija.


33/66



Rjeenje je tada dano kroz broj definiranih vremenskih koraka. Prvi vremenski korak koristi

poetne uvjete definirane od strane korisnika, svaki sljedei koristi dobivene vrijednosti

izraunate u prethodnom vremenskom koraku. Iz ovoga zakljuujemo da e veliina

vremenskog koraka imati utjecaj na tonost dobivenih rezultata. U principu to je manji

vremenski korak imat emo bolje rjeenje ponaanja fluida. Manji vremenski korak takoer

znai i vie vremena potrebnog da bi raunalo dolo do rjeenja. Da ne bi simulacije trajale

predugo moramo nai kompromis izmeu dovoljne tonosti i vremena koje je potrebno da

simulacija zavri.

Prostorna diskretizacija je povezana s geometrijskom domenom strujanja fluida tako da

oznaava podjelu iste na konaan broj kontrolnih volumena. Za svaki pojedini kontrolni

volumen trai se rjeenje. Ovi kontrolni volumeni diskretiziraju geometrijski raunalni prostorkoji onda gradi mreu. Svrha mree je da rastavi domenu strujanja na konaan broj ne

preklapajuih kontrolnih volumena (ili elija) da bi se stvorila numerika mrea. Mree mogu

biti strukturirane ili nestrukturirane, ovisi o oblicima kontrolnih volumena od kojih su

graene. Najee upotrjebljeni oblici su kvadar, prizma, tetraedar i piramida. Ploha svakog

kontrolnog volumena je povezana s plohom nekog drugog kontrolnog volumena osim onih

ploha koje ine granine plohe prostorne domene.

Slika 9: 2D prikaz prostorne diskretizacije strukturirane mree.

3.3. Procedura rjeavanja numerikih simulacijaZa raunalnu domenu s M brojem kontrolnih volumena potrebno je rijeiti sistem od M puta

N algebarskih jednadbi za N nezavisnih varijabli. Jednadbe su nelinearne i takoer uparene

jer se vie od jedne nezavisne varijable pojavljuje u svakoj jednadbi. Zbog nelinearnosti


34/66



koriste se iterativne rjeavake tehnike. Postoje dva pristupa: upareni pristup (istovremeno) i

odijeljen (pojedinano). Rjeava koji koristi "Fire" se slui odijeljenim pristupom. U svakoj

jednadbi razmatrana nezavisna varijabla je odvojena kao jedina nezavisna varijabla jer se

ostale nezavisne varijable tretiraju kao poznate. Ovo vodi do pod-seta od M linearnih

algebarskih jednadbi. Pozitivna stvar ovog pristupa ta to se tako koristi puno manje

memorijskog prostora za razliku od uparenog pristupa.

Osnovna procedura dolaska do rjeenja za svaku simulaciju ide kroz korake kako je prikazano

na tabeli 1 (Tabela 1: Tok simulacije.). Svaki od ovih koraka mora biti paljivo analiziran i

specificiran da bi se raunalnom softveru dao pravi opis geometrije i procesa koji se ele

simulirati. ak i mala greka moe imati znaajan utjecaj na konane rezultate.


35/66



4. SIMULACIJA UBRIZGAVANJA TEKUINE U OBLIKU SPREJA UNAGNUTU CIJEV KROZ KOJU STRUJI ZRAK

4.1. UvodSimuliranje ubrizgavanja tekuine u obliku spreja u nagnutu cijev s obzirom na smjer

djelovanja gravitacije kroz koju struji zrak odgovara procesima koji se odvijaju u usisnoj

cijevi motora s unutranjim izgaranjem [11]. Da specificiramo ova simulacija bi vie

odgovarala onim motorima kod kojih se mjeavina za izgaranje formira u usisnoj cijevi prije

ulaska u cilindar. Ubrizgana koliina goriva je kontrolirana preko ECU jedinice (eng.

Electronic Controling Unit) te se na taj nain elektronskim putem regulira snaga motora. U

sluaju da ubrizgano gorivo ne uspije potpuno ispariti u cilindar ulazi manje goriva od

eljenog i s tim pada i snaga motora. Ako brizgaljka nije dobro postavljena i geometrija cijevi

oko brizgaljke nije pogodna za potpuno isparavanje goriva, moe doi do nakupljanja goriva

u obliku kapljevine u usisnoj cijevi. Najee dolazi do stvaranja filma kapljevine na mjestu

gdje sprej dolazi u kontakt sa stjenkom cijevi. Nakupljena kapljevina i dalje isparava, ali

ukoliko ne uspije kompletno ispariti izmeu dva ciklusa ubrizgavanja dolazi do akumulacije i

laganog stvaranja potoka koji je noen strujanjem zraka. Ovakve situacije su nepogodne u

radu motora i nastojimo ih svakako izbjei.

Simulacija e se provesti na nain da e se na odreenu geometriju cilindrinog oblika zadati

svi uvjeti koji odgovaraju gore navedenim procesima [12]. Ta geometrija e odgovarati

komadu odsjeene cijevi kroz koju struji zrak i koja na sebi ima postavljenu brizgaljku. Tako

e biti definirani ulaz i izlaz iz cijevi kao i poloaj brizgaljke i njen kut (odnosno sapnica i kut

ubrizgavanja spreja). Duljina trajanja simulacije bit e odreena stvaranjem ustaljenih

kvazistacionarnih uvjeta, odnosno odgovarat e onom vremenu nakon kojeg se svi fenomenikoji se pojavljuju pri simulaciji ustale. Nakon toga e se analizirati dobiveni rezultati debljine

kapljevitog sloja koji se stvori i njegova rasprostranjenost po povrini.


36/66



Slika 10: Shema postavki simulacije.

4.2. Postavke RMF simulacije4.2.1. Osnovni pristup kod upotrebe "Fire" softveraUpotrebljavani softver za RMF u ovom radu je AVL "Fire" v.2008.2. "Fire" je metodi na

pristupu konanih volumena. Odijeljena (sekvencijalna) iterativna tehnika se koristi u "Fire-u"

za rjeavanje numerikih jednadbi. "Fire" nudi set modela i pod modela koje moemo

koristit za specificiranje procesa koje simuliramo. Ovi modeli se lako aktiviraju i ukljuuju u

proces ako su potrebni (npr. wall film modul, spray modul, thinwalls modul itd.). Ovo ini

Fire vrlo jednostavnim softverom za korisnika. Takoer osnovna podjela RMF softvera napred procesiranje, rjeavanje i post procesiranje je vrlo jasno vidljiva kod"Fire-a" pa je tako

razumljiv za korisnika.

Svaki od ovih koraka mora biti paljivo analiziran i determiniran da bi se raunalnom softveru

dao pravi opis procesa koji se ele simulirati. ak i mala greka moe imati znaajan utjecaj

na konane rezultate.


37/66



4.2.2. MreaReferentna mrea koja se koristi kod simulacija je napravljena upotrebom alata "Fire topology

tool". Ta mrea je napravljena iz geometrije cilindrinog oblika i sastavljena je od dva dijela.Jezgru mree ine volumeni kvadarskog oblika. Da bi se na kraju formirala cilindrina

geometrija ta jezgra je obavijena cilindrinim oplojem odnosno volumenima koji su rezultat

diskretizirane cijevne stjenke. Ovako je dobivena stabilnija mrea za numeriku proceduru.

Promjer cilindrine geometrije koju tvori mrea je 36 mm, a duljina 200 mm. U "Fire-u"

brizgaljku ne definiramo kao neku posebnu geometriju. "Fire" kao opciju nudi zamjenu

brizgaljke samo tokom koja predstavlja sapnicu. Ova toka se ponaa kao izvor kroz koji se

tekuina u obliku spreja ubacuje u raunalnu domenu. Lokacija ove toke je specificirana od

strane korisnika i za simulaciju toka je postavljena 30 mm od ulaza na gornjoj strani cijevi.

Mrea je graena od ukupno 26400 kontrolnih volumena.

Slika 11: Prikaz mree.

Da bi razmotrili utjecaj mree na simulaciju jo neki oblici mrea su koriteni. Promatrani su

veliina volumena i struktura mrea. Sprej i tekui film imaju posebne zahtjeve prema veliini

volumena i vremenskom koraku zbog sloenijih numerikih procedura. Male vrijednosti


38/66



debljine filma i promjera kapljica su glavni uzroci ovih zahtjeva. Rezultati ovih razmatranja

e biti predstavljeni u kasnije.

4.2.3. Vremenski korakProcesi koji se odvijaju u ovoj simulaciji su ne stacionarni i rjeenje simulacije je dano kroz

konaan broj vremenskih koraka. Vremenski korak takoer ima utjecaj na razvoj spreja i

tekuine filma na stjenci i zato mora biti paljivo odabran. Sprej se impulsno ubrizgava u

cijev pa prema tome moemo podijeliti vrijeme jednog ciklusa na dva dijela. Prvi dio je

vrijeme dok se sprej ubrizgava u cijev, a drugi dio bi bilo vrijeme izmeu dva ubrizgavanja.

Zbog razvoja spreja potreban nam je manji, finiji, vremenski korak dok se fluid ubrizgava.

Prestankom ubrizgavanja moemo koristiti vei vremenski korak. Na ovaj nain je napravljen

kompromis izmeu preciznosti rjeenja i vremena koje nam je potrebno da doemo do

rjeenja. Napravljena su tri testa s razliitim vremenskim koracima da bi se promotrio utjecaj

vremenskog koraka. Vrijednosti vremenskih koraka koji su testirani su 0.00001 s, 0.00005 s,

0.0001 s za sluaj dok se sprej ubrizgava u cijev i 0.0005 s, 0.001 s, 0.005 s za vrijeme

izmeu dva ubrizgavanja. Za prvi dio procesa odabran je vremenski korak od 0.00005 s, a za

drugi vremenski korak od 0.001 s. Ovi vremenski koraci su koriteni u svim daljnjim

simulacijama. Testiranje vremenskih koraka je pokazalo da manji vremenski koraci od ovihne donose znaajnije poboljanje rjeenja.

4.2.4. Postavljanje graninih uvjetaOpisivanje procesa koji se odvijaju u ovoj geometrijskoj domeni zahtjeva definiranje

graninih uvjeta prije poetka simulacije. Tu su tri razliita procesa koja se mogu odvojiti i

iji se granini uvjeti trebaju definirati. To su glavno strujanje kroz cijev, sprej, i stvaranje istrujanje tekueg filma. Da bi se definirali granini uvjeti prvo moraju biti definirane povrine

na geometrijskoj domeni.

Definirane povrine na geometrijskoj domeni su ulaz, izlaz i stjenka cijevi. Prvo se definira

fluid koji struji kroz cijev. Za sve pogonske uvjete koji su simulirani ovaj fluid je zrak pri

normalnom stanju. Na ulazu se definira maseni protok kroz ulaz, temperatura fluida, i

karakteristike turbulencije (kinetika energija turbulencije, visina turbulencije itd. ). Granini

uvjet koji je zadan na izlazu je statiki tlak. Na povrini koja predstavlja stjenku definirana je


39/66



temperatura i hrapavost stjenke. Za sve pogonske uvjete pretpostavljena je idealno glatka

stjenka. Upotrebom spomenutih graninih uvjeta strujanje kroz cijev je definirano i moe biti

izraunato stanje u svakom volumenu domene u svakom vremenskom koraku.

Implementacija jo dva procesa u zadanu geometriju takoer zahtjeva definiranje graninih

uvjeta ovih procesa. Ve je prije spomenuto da je brizgaljka predstavljena tokom koja u biti

predstavlja sapnicu te brizgaljke. Kroz ovu toku sprej se uvodi u geometrijsku domenu. Prvo

se mora definirati fluid koji se ubrizgava. Ovaj fluid je N-oktan za sve pogonske uvjete koji

su simulirani. Ovaj fluid je uveden u simulaciju kao estice koje naputaju sapnicu i

razbijanjem stvaraju sprej. Zbog toga je u "Fire-u" potrebno definirati broj estica koje

naputaju sapnicu. To se radi pomou tri faktora. Oni se nazivaju NSIZES, NINTRO i

NCIRCD. NSIZES je broj koncentrinih krugova sapnice iz kojih se estice ubacuju.NINTRO je broj lukova na koje je podijeljena sapnica iz kojih izlaze estice fluida. NCIRCD

je broj okruglih dijelova sapnice iz kojih estice izlaze. Ukupan broj estica koje su uvedene

iz sapnice u svakom vremenskom koraku iznosi NINTRO puta NCIRCD puta NSIZES.

Nakon toga se definira temperatura fluida i ukupna koliina ubrizganog fluida za cijelu

simulaciju. Geometrija sapnice je definirana od strane korisnika kroz ponuene specifikacije

sapnice (pozicija, smjer, promjer sapnice, broj rupa na sapnici, itd.). Na kraju jo moraju se

definirati podaci za kapljice kao to su poetna brzina, vanjski promjer, veliina kapljica, itd.

Granini uvjeti za tekui film na stjenci trae jedino da se definira kako je film unesen u

domenu. To moe biti dano na tri naina: sprej, izvor, sprej i izvor. Za sprej rjeavae sam

proraunati film, ali za izvor korisnik sam mora definirati poloaj i koliinu filma koju izvor

daje sustavu.

4.3.

Pregled simulacijaCilj ovih simulacija je da se na kvalitetan nain preslikaju procesi koji se odvijaju u realnim

uvjetima. Da bi se to ostvarilo sve fizikalne karakteristike procesa moraju odgovarati

fizikalnim karakteristikama koje se odvijaju u stvarnosti. Meutim svako mjerenje ima svoju

toleranciju i zato mora biti uzeta u obzir odreena greka mjerenja. Numerike procedure

takoer imaju svoju greku koju unose u simulacijske rezultate. Meutim najbitnije za znati je

da se numerikim simulacijama ne mogu posve precizno prenijeti svi fizikalni i kemijski

procesi koji se odvijaju u realnom svijetu zbog uvoenja pojednostavljenja u matematikemodele. Empirijski i polu empirijski izrazi su vrlo esto upotrebljavani da bi se korigirala ova


40/66



pojednostavljenja i da bi se u obzir uzeli i procesi koje nije jednostavno modelirati. Zbog

svega ovoga moramo biti svjesni nesavrenosti numerike simulacije.

Simulira se nekoliko pogonskih uvjeta. Oni odgovaraju razliitim graninim uvjetima koji se

nameu simulaciji. Tako e se varirati ubrizgana koliina goriva, frekvencija ubrizgavanja i

poloaj brizgalice. "Fire" nudi nekoliko razliitih pod-modela koji se mogu koristiti da se

opiu procesi koje se simulira. Svaki od ovih pod-modela ima svoje prednosti i mane. U

prirunicima za "Fire" moemo vidjeti u kojim sluajevima je preporueno upotrebljavati neki

od modela. Kombinacijom ovih modela i njihovih parametara e se pokuati dobiti

odgovarajui opis procesa koje se eli simulirati.

Slika 12: Simulacija ubrizgavanja spreja u nagnutu cijev.

Sprej, film na stjenci i glavno strujanje zahtijevaju da odreene postavke budu definirane

putem grafikog korisnikog suelja (eng. Graphical User Interface GUI) da bi rjeava

mogao rjeavati pojedine sluajeve simulacije. Ove postavke definiraju matematike modele

koji e biti upotrjebljeni u rjeavau da bi se proraunala simulacija koju korisnik eli.Matematiki modeli mogu biti izvedeni iz teorijske, empirijske i polu empirijske pozadine.

Tako imamo nekoliko razliitih modela koji mogu biti upotrjebljeni da bi se opisao isti

proces. Takoer imamo i nekoliko razliitih numerikih procedura koje se mogu koristiti za

raunanje. Od korisnika se trai da prepozna najbolju kombinaciju svih ovih postavki za

eljenu simulaciju.

Tri osnovna zakona ouvanja koja su vezana za strujanje kroz cijev su zakoni ouvanja

kontinuiteta, koliine gibanja i energije. Aktivacijom u GUI-u ukljuujemo proraunavanje


41/66



modela koji predstavljaju ouvanje ovih zakona. Odabrani model turbulencije za sve

simulacije je k-zeta-f [13]. Viskozno zagrijavanje i rad tlaka su takoer aktivirani. Model

tretmana stjenke je hibridni tretman stjenke [14], a za model prijenosa topline kroz stjenku

odabrana je standardna funkcija stjenke. Modeli spreja i tekueg filma na stjenci zahtijevaju

da se njihove postavke specificiraju. Modeli spreja koji mogu biti koriteni su model

turbulentne disperzije, model interakcije kapljica, model interakcije stjenke i model

isparavanja. Model turbulentne disperzije nudi nekoliko razliitih matematikih pristupa, ali u

ovom radu je koriten najjednostavniji i ocijenjen je zadovoljavajuim za ovaj zadatak. Model

interakcije kapljica je nije toliko bitan kad se izabire za definiranje spreja i on je kao model

koji definira ponaanje kapljica za model spreja deaktiviran u nekim sluajevima. Interakcija

kapljice se modelira kroz model tekueg filma na stjenci kao izvor filma. Model interakcije

stjenke je jedan od najbitnijih modela ovog zadatka i bit e posebno obraen u daljnjem

tekstu. Model isparavanja je takoer jako bitan, ali procijenjeno je da odabir "Dukowicz"

modela [15] za model isparavanja s njegovim osnovnim postavkama je zadovoljavajui za

ovaj rad u svim sluajevima. Model razbijanja je valni i nije jako znaajan za ovaj zadatak.

Model za film na stjenci zahtjeva od korisnika da definira koji je izvor filma u geometrijskoj

domeni. Pod-modeli koji mogu biti manipulirani u modelu za film na stjenci su model

isparavanja, model otkidanja, model prskanja i model energije. Kombinirani model je odabran

za model isparavanja. Model otkidanja je "Schadel-Hanratty"[16]. Model prskanja je takoer

jedan od primarnih zadataka ovog rada i bit e naknadno posebno diskutiran. Model energije

zahtjeva samo da se dadu neke osnovne fizikalne karakteristike vezane za energiju kao to su

toplinska vodljivost stjenke, procijenjena debljina filma i Nusseltov broj. Vrijednosti ovih

karakteristika su uzete kao standardne.

U ovom zadatku jedan od modela je posebno razmatran. To je model interakcije stjenke.

Meutim ovaj model povezuje dva modela, sprej i film na stjenci. Ovaj model u spreju

odreuje kako e se ponaati kapljica kad udari u stjenku i primarni mu je zadatak ouvanje

kapljice. U "Fire-u" je ponueno nekoliko modela interakcije stjenke u sprej modelu (walljet

0, walljet 1, walljet 2, BaiGosman, Amsden, O'Rourke, MundoSommerfeld, Reflection, itd.).

Svaki od ovih modela ima svoju primarnu svrhu za upotrebu u ovisnosti o uvjetima u kojima

se proces odvija. U "Fire" prirunicima svi ovi modeli su detaljno opisani. U modelu filma na

stjenci model interakcije stjenke je razmatran malo drugaije. Primarni zadatak modela

interakcije stjenke u modelu za film na stjenci je ouvanje filma. Zbog toga je model

interakcije stjenke u modelu za film na stjenci razmatran kroz model za reim prskanja. Dva


42/66



modela za prskanje su ponuena u "Fire-u" ("Mundo/Sommerfeld" i "Kuhnke"). Meutim

uparivanjem ova dva modela, sprej i film na stjenci, zahtjeva da model interakcije stjenke

rauna samo kroz jedan od modela. To znai da ako je model interakcije stjenke deaktiviran u

sprej modelu, model prskanja u modelu filma na stjenci e biti raunat kao model interakcije

stjenke. Ako je odabran neki od modela interakcije stjenke u sprej modelu tada e model

prskanja u modelu za film na stjenci e biti zanemaren i sve to se tie interakcije stjenke e

biti raunato kroz sprej model.

Slika 13: Dobiveni rezultati debljine filma za koritene razliite modele.

Prvi simulacijski rezultati se mogu vidjeti nakon uraenih prvih test simulacija. Pregledom

rezultata u post-procesiranju u 3D formi mogue je zamijetiti da povrina prekrivena

tekuinom filma je slina onoj iz dostupnih eksperimentalnih podataka, dok je najvea

debljina filma je vea od onih koje pronalazimo u eksperimentalnim podacima. Ovopoveanje nije proporcionalno u odnosu na pogonske uvjete i varira od sluaja do sluaja.


43/66



Slika 14: Prikaz prvih rezultata testnih simulacija.

U prvom krugu testnih simulacija model interakcije stjenke je iskljuen i model prskanja je

raunat kroz model tekuine filma na stjenci. Za model prskanja je odabran

Mundo/Sommerfeld [17][18]. Sve standardne postavke su koritene s ovim modelom.

Minimalni omjer promjera prskanja i kapljice je stavljen na 0.1. Ove simulacije su nam dale

prve rezultate.

Sljedee to je bilo promatrano je to e se desiti kad model interakcije bude deaktiviran usprej modelu i model prskanja bude deaktiviran u modelu filma na stjenci. Ovi rezultati e

dati pregled koliki utjecaj ima model interakcije stjenke na razvoj filma tekuine. Rezultati su

pokazali ogromno poveanje debljine filma. Ovo nam je pokazalo da prskanje ima velik

utjecaj na razvoj filma tekuine i da bi trebalo biti modelirano pravilno. To vodi do

istraivanja ostalih modela interakcije stjenke koji su ponueni u "Fire-u". Sljedee testne

simulacije su napravljene s aktiviranim modelom interakcije stjenke u sprej modelu.

Preporueni model za ovu svrhu je BaiGosman [19]. Ovaj model sadri 4 parametra koja se

mogu mijenjati. To su parametri W1, W2, W3 i W4. Standardne postavke su koritene za ovaj

model. Vrijednosti parametara W1, W2, W3 i W4, su 57.5, 5, 0 i 0. Rezultati ovih simulacija

su nam dali mnogo bolju podudarnost s dostupnim eksperimentalnim podacima. Povrina

prekrivena tekuinom filma je vrlo slina onima iz eksperimentalnih podataka. Ovi rezultati

bi se mogli uzet kao zadovoljavajui.

Jo jedan model prskanja koji nije koriten do sad je "Kuhnke" [6]. "Kuhnke" model prskanja

je aktiviran u modelu filma na stjenci, a model interakcije u sprej modelu je opet deaktiviran.Sve standardne postavke ovog modela su koritene bez ikakvih izmjena. Prorauni


44/66



napravljeni ovim modelom nisu u rezultatima pokazali nita to bi opravdalo njegovo daljnje

istraivanje, pa se odustalo od ovog modela.

4.4. Usporedba simulacija prema razliitim pogonskim uvjetimaUpotrebom definiranih setova parametara koji se mogu mijenjati ostvareno je etiri razliita

pogonska uvjeta. Promatrani parametri su: frekvencija ubrizgavanja, trajanje ubrizgavanja,

maseni protok zraka, ubrizgana koliina u jednom ciklusu i pozicija brizgaljke. Pogonski

uvjeti su prikazani tablino (Tabela 2: Tabela simuliranih pogonskih uvjeta.).

Tabela 2: Tabela simuliranih pogonskih uvjeta.

Pogonski uvjet 1 2 3 4Broj okretajamotora (rpm)

2400 2400 4800 2400

Trajanjeubrizgavanja

(CAD)197 188 194 97

Frekvencijaubrizgavanja

(Hz)

20 20 40 20

Ubrizganakoliina u

jednom ciklusu(mm3)

21.5 43 21.5 21.5

Protok zraka(m3/min)

0.211 0.422 0.422 0.211

Kutbrizgaljka/cijev

(stupnjevi)45 45 45 20

Za svaki od ovih pogonskih uvjeta upotrebom alata za obradu rezultata dobivena je mapa

debljine tekuine filma na stjenci nakon 100 ciklusa ubrizgavanja.

Prvi testni sluajevi kao to je ve reeno nisu koristili model interakcije stjenke. Glavni

objekt razmatranja je bio model prskanja. Mundo/Sommerfeld model prskanja je aktiviran.

1 CAD Crank Angle Deegres (kut koji napravi bregasto vratilo)


45/66



Upotrebom "Fire-ovih" post-procesuirajuih alata izraeni su grafovi na kojima su prikazani

rezultati (Slika 15, Slika 16, Slika 17, Slika 18). Ti grafovi su u biti mape debljine filma na

rasprostranjenog po povrini stjenke geometrije. Povrina prekrivena filmom se prikazuje

uporabom izolinija. Podruje prikazano grafovima predstavlja duljinu od 120 mm nizvodno

od poloaja sapnice u grafovima za pogonske uvjete 1, 2 i 3. Za pogonski uvjet broj 4

podruje prikazano grafom zapoinje 150 mm nizvodno od sapnice takoer ide sljedeih 120

mm. Korak izmeu izolinija prikazuje razliku vrijednosti debljine filma u iznosu od 30

mikrona. Izolinije su prikazane u boji, gdje su boje poredane od plave do crvene ukazujui na

porast debljine filma.

Slika 15: Mapa debljine filma za pogonski uvjet br. 1.

Slika 16: Mapa debljine filma za pogonski uvjet br.2.


Axial distance (mm)

Radialdistance(mm)

Radialdistance

(mm)

Axial distance (mm)

Radialdistance

(mm)

Axial distance (mm)


46/66




Grafovi gore su prvi prikaz simulacijskih rezultata. Moemo zamijetiti uzorak po kojem se

stvara film tekuine na povrini cijevi. To nam pokazuje da "Fire-ov" model moe

kvalitativno preslikati fizikalne procese. Meutim ne moemo tu sagledati sve nesavrenosti

realnih procesa koji se mogu dogoditi u realnim situacijama kao to su distorzija spreja,

hrapavost povrine, itd. Odnosno numerikom simulacijom dobivamo potpuno simetrinusliku. Maksimalna debljina filma koja se moe nai za pogonski uvjet broj 1 je 280 mikrona.

Takoer dobivene maksimalne debljine za pogonske uvjete 2, 3 i 4 iznose 345, 340 i 312

mikrona. Na grafovima se vidi i rasprostranjenost tekuine filma. Vrijednost ordinate

pokazuje udaljenost od osi simetrije cijevi. Maksimalna vrijednost ordinate odgovara

polumjeru cijevi.

Da bi razmotrili valjanost prethodnih simulacija potrebno je izvriti istraivanje utjecaja

prskanja na razvoj filma tekuine. To se napravilo na nain da se izostavilo prskanje izproraunavanja i pratio razvoj stvaranja filma bez prskanja. Simulacije su napravljene sa svim

istim postavkama kao i u prijanjem sluaju samo je deaktivirano prskanje. Rezultati ovakvog

modela su dani na sljedeim grafovima.


R

adialdistance(mm)

Axial distance (mm)

Radia

ldistance(mm)

Axial distance (mm)


47/66






Iz grafova (Slika 19, Slika 20, Slika 21, Slika 22) se vidi da su razlike u povrinama

prekrivenim filmom jako male ako se usporeuju prijanjim simulacijski rezultatima. Velika

razlika se pojavljuje kod vrijednosti maksimalnih debljina filma. Maksimalna debljina filmaporaste za 30 do 40 mikrona u skoro svim pogonskim uvjetima osim u pogonskom uvjetu 4 s

obzirom na prijanju simulaciju s ukljuenim modelom prskanja. Iznimka u pogonskom

uvjetu 4 moe biti objanjena duim putem koje kapljice moraju prijei da bi dole do stjenke

pa zbog isparavanja i usporavanja kapljice gube svoju koliinu gibanja i ne prave znaajan

efekt prskanja na povrini. Na grafovima se takoer moe vidjeti da su izolinje gue slagane

zbog veeg gradijenta porasta debljine filma. Pa sada maksimalne debljine filma tekuine u

pogonskim uvjetima 1, 2, 3 i 4 iznose 315, 375, 380 i 312 mikrona. Zakljuujemo da efektprskanje ima znaajan utjecaj na formiranje i razvoj filma i ne smije biti zanemaren.

Radialdistance(mm)

Axial distance (mm)

Radialdistance(mm)

Axial distance (mm)

Radialdistance

(mm)

Axial distance (mm)


48/66



Simulacijski model sa ukljuenim efektom prskanja je proraunat jo jednom, ali s drugaijim

matematikim modelom. Ovaj put odabrani model prskanja u modelu filma na stjenci je

"Kunhke". Ovaj model takoer nudi nekoliko parametara s kojima se moe manipulirat. U

ovom sluaju su koritene standardne postavke ovog modela. Grafove dobivene ovim

modelom moemo vidjeti dolje.





Radialdistance(mm)

Axial distance (mm)

Radialdistance(mm)

Axial distance (mm)

Radialdistance(mm)

Axial distance (mm)

Radialdistance(mm)

Axial distance (mm)


49/66


50/66




Vrijednosti maksimalne debljine filma su 245, 295, 290 i 240 mikrona za pogonske uvjete 1,

2, 3 i 4. Vrijednosti dobivene ovim modelom su nie od svih prijanjih. Ovaj model kroz neke

svoje parametre moe biti jo dodatno podeen kako bi to bolje odgovarao stvarnom procesu.

Jedan od bitnijih parametara ovog modela je koeficijent kojim se modelira hrapavost stjenke.

Hrapavost stjenke je bitan faktor kod formacije filma i ako se ovaj koeficijent pravilno postaviu svezi sa odgovarajuim materijalom i obradom povrine realni proces se moe jo preciznije

simulirati.

Usporedbom rezultata simulacija dobivenih uporabom razliitih modela dolazimo do uviaja

u razlike meu tim modelima. Meutim numerike simulacije imaju jo dvije bitne stvari iji

utjecaj na rezultate moe biti znaajan. To su vremenska i prostorna diskretizacija. Ve je

spomenuto da je provjerena vremenska diskretizacija i da koritenje manjeg vremenskog

koraka ne doprinosi znaajno tonosti rezultata. Promjene zamijeene uporabom manjegvremenskog koraka su ispod 0.1%. Prostornu diskretizaciju je kompliciranije provjeriti s

obzirom na proces koje simuliramo. U ovim simulacijama moemo razluiti tri procesa koja

se simuliraju. To su strujanje zraka kroz cijev, ubrizgavanja fluida u obliku spreja i razvoj i

strujanje filma tekuine na stjenci. Na raunanje veliina svakog od ovih procesa utjecaj

veliine volumena mree je razliit.

4.5. Provjera valjanosti mreeProvjera valjanosti prostorne diskretizacije je napravljena uvoenjem novih struktura mrea

iste geometrije u simulacije. Smanjujui veliinu volumena dolazimo do tonijeg rezultata.

Ali smanjujui veliinu volumena takoer poveavamo broj jednadbi koje se moraju rijeiti

za zadanu domenu i tako poveavamo potrebno raunalno vrijeme da bi doli do rjeenja.

Mrea koritena u ovoj provjeri valjanosti ima veliinu volumena oko 8 puta manju od

dosadanje. Takoer je donoen zakljuak da bi i struktura mree mogla imati utjecaj na

procese koji se odvijaju pa su tako nainjene i nove mree drugaije strukturirane. Zadnji

R

adialdistance(mm)

Axial distance (mm)


51/66



korak je bio da se napravi mrea sa smanjenom veliinom volumena samo na mjestima gdje

se moe smatrati da takav volumen moe dovesti do tonijih rezultata. To je u zoni gdje se

stvara film tekuine. Provjera standardne mree koja je dosad koritena je napravljena tako

da su simulacije s istim uvjetima napravljene na jo dvije mree istog oblika i veliine, ali s

veim brojem volumena. Grublja verzija se sastoji od 129600 volumena, a finija verzija od

583200 volumena. Rezultati ovih simulacija dani samo za pogonski uvjet 1.

Na slici dolje (Slika 32: Prikaz izolinija debljine filma nakon 1.75 s) izolinije pokazuju

debljinu filma nakon 1.75 s. Vrijednosti maksimalne debljine filma su oko 270 mikrona. Ove

vrijednosti su vee od onih dobivenih prvobitnom mreom.

Slika 31: Prikaz mree sa 129600 volumena.

Slika 32: Prikaz izolinija debljine filma nakon 1.75 s.


52/66



Sljedea slika (Slika 33: Prikaz izolinija debljine filma nakon 1.75 s) pokazuje izolinije

debljine filma za mreu od 583200 volumena. Ovo su rezultati nakon trajanja simulacije od

1.75 s. Maksimalna debljina filma iznosi oko 285 mikrona. Ovo nam je pokazalo da veliina

volumena ima znaajan utjecaj na stvaranje i razvoj filma.

Slika 33: Prikaz izolinija debljine filma nakon 1.75 s.

Slika 34: Prikaz mree sa 583200 volumena.

U simulacije je uveden jo jedan tip strukture mree. Ta mrea je pokazana na slici 36 (Slika

36: Prikaz izolinja debljine filma za mreu sa tipa cilindar-cilindar) dolje. Ovaj oblik mree

ima razliite veliine volumena u razliitim zonama. Tamo gdje se smatra da veliina moe

imati znaajan utjecaj tamo su volumeni smanjeni dok na mjestima gdje se smatra da veliina

nema znaajan utjecaj volumeni su vei. Rezultati za ovu mreu su dani za prvi pogonski

uvjet. Mrea se sastoji od ukupno 96432 volumena.


53/66



Slika 35: Mrea sa strukturom tipa cilindar-cilindar.

Slika 36: Prikaz izolinja debljine filma za mreu sa tipa cilindar-cilindar.

4.6. Usporedba rezultata simulacije sa dostupnim eksperimentalnim rezultatimaU sklopu projekta IDEA EFECT [11] napravljeni su eksperimenti na kojima je mjerena

debljina filma prilikom ubrizgavanja spreja u cijev. Eksperimentalni rezultati debljine filma

su dani iza sto ciklusa za svaki sluaj. Rezultati debljine filma su dani putem mapa osrednjene

debljine filma. Te mape sadre izolinije debljine filma i pokazuju debljinu filma po unutarnjoj

povrini cijevi. X os se naziva linija simetrije i pokazuje aksijalnu udaljenost. Y os je

radijalna udaljenost od linije simetrije. Mape pokazuju podruje cijevi 120 mm aksijalne

duljine. Poetak mape se nalazi 59 mm od izlaza cijevi. Korak izmeu izolinija je 30 mikrona.


54/66

Ivan Duilo

Fakultet strojarstva i brodogradnje

Mape svakog pogonskog uvje

koji odgovara pogonskom uvj

Slika 37: E

Iz ovog grafa moemo oitati

rezultati pokazuju da simula

filma najbolje predstavlja re

Gosman" interakcije stjenke p

ta moemo vidjeti dolje. U tim podacima im

tu broj 1. Na grafu dolje su prikazani eksper

sperimentalni rezultati za pogonski uvjet br.

da je maksimalna debljina filma iznosi oko

ija koja je pokazala najmanju dobivenu m

alne procese. Simulacije kod kojih je ko

okazuju rezultate koji se najvie pribliavaju

Diplomski rad

40

mo pogonski uvjet

imentalni rezultati.

.

30 mikrona. Takvi

aksimalnu debljinu

iten model "Bai-

eksperimentalnim.


55/66



5. SIMULACIJA UBRIZGAVANJA SPREJA OTOPINE UREJE IVODE NA HORIZONTALNU STIJENKU

5.1. UvodTehnologija koja najvie obeava u podruju smanjivanje NOx emisija iz ispunih plinova je

selektivna katalitika redukcija poznata po akronimu SCR. Ova tehnologija predstavlja

uinkovitu tehniku smanjivanja NOx emisija kod dizelskih motora. Za ovu svrhu mora biti

ugraen reaktor u ispunom sistemu motora u kojemu se odvijaju kemijske reakcije. UWS se

ubacuje u obliku spreja u cijev s vruim ispunim plinovima nakon ega nastaje reducirajui

spoj amonijak NH3. Nastajanje NH3 se dogaa kroz tri procesa: isparavanje vode, termolize

ureje i hidrolize izocijanine kiseline (HNCO). Kemijske jednadbe ovih procesa su:

(NH2)2CO(aq) (NH2)2CO(l) + 6.9H2O(g) (NH2)2CO(l) NH3(g)+HNCO(g) HNCO(g) + H2O(g) NH3(g) + CO2(g)

SCR metoda reduciranja NOx-a uz NH3 kao konaan produkt reakcije daje isti duik N2 i

vodu H2O.

U reaktoru se UWS ubrizgava u vrue ispune plinove. Ovo se radi uz pomo standardne

niskotlane brizgaljke. Meutim UWS je u trenutku ubrizgavanja u tekuoj fazi tako da

kapljice UWS-a udaraju u stjenku reaktora [20]. Tema razmatranja u ovom radu je upravo ta

interakcija UWS spreja i stjenke. Da bi isparavanje zapoelo mora biti postignuta odreena

temperatura zasienja. Ova temperatura je postignuta prelaskom topline s vruih plinova.

Isparavanje UWS kapljica u reaktoru predstavlja lokalni ponor toplinskog toka usred

odvoenja toplinskog toka za toplinu isparavanja. Kapljice koje udare u stjenku mogu ostati

na stjenci i tako sniziti temperaturu stjenke. Ponovnim udaranjem sljedee kapljice na isto

mjesto ohlade stjenku jo vie i jo dulje se zadre na njoj i tako konano formiraju film

tekuine na stjenci. Spojevi od kojih se sastoji UWS mogu biti jako korozivni za materijal

reaktora i ispunog sistema pa se mora sprijeiti nastajanje filma tekuine.

Simulacijom e se utvrditi postoji li mogunost da se u stvarnim uvjetima zbog navedenog

efekta hlaenja stvori film tekuine koji moe otetiti materijal.


56/66



5.2. Postavke numerike simulacije5.2.1. Upotreba pojednostavljenog modelaOva simulacija se temelji na promijeni temperature stjenke u koju udara sprej. Da bi smanjilipotrebno vrijeme koje raunalo treba da doe do rjeenja i kompleksnost modela moemo

pojednostavniti na simulacijski model. Kod realnih procesa SCR-a kanal kroz koji struje

dimni plinovi je razdijeljen na dva dijela. Tako se samo u jedan dio kanala ubrizgava UWS.

Stjenka na koju udara sprej se opet zagrijava sa druge strane kanala. Takav proces moe se

simulirati uz dva pojednostavljenja.

Slika 38: Shematski prikaz simuliranog SCR reaktora.

Prvo je model pojednostavljen tako da je umjesto cijele geometrije reaktora uzeta mrea

kvadarskog oblika jednakih volumena koja predstavlja polovicu kanala u koji se ubrizgava

UWS. U toj geometriji se odvijaju svi relevantni procesi. Donja povrina geometrije je

zapravo povrina metalne ploe na kojoj se promatraju promjene temperature. Akumulacija

topline i prolaz topline na metalnoj ploi se uzima u obzir i proraunava se preko "Fire-ovog"

modela tankih stjenci [21][22][23]. Ovako se smanjuje potrebna snaga procesora i memorijski

zahtjevi raunala potrebnog za proraunavanje.

Druga stvar koja je pojednostavljena je ogranienje proraunavanja viefaznog toka 3D

numerike simulacije. Vrijeme od 200 s nije pogodno za viefazne tokove u numerikim

proraunavanjima. Da bi se rijeio ovaj problem uveden je faktor ubrzanja f. Ovo

pojednostavljenje je najvie vezano uz vrstu stjenku koja se ponaa kao akumulator topline.

Zbog te injenice koritena je modificirana debljina stjenke (hf/f) da bi se smanjila inercija

kod hlaenja stjenke i tako se za simulacijsko vrijeme u kojem se stvore kvazistacionarni

uvjeti moe postaviti 4 s. Faktor ubrzanja iznosi f=150 u ovim simulacijama.


57/66



5.2.2. MreaMrea koja je koritena u ovim simulacijama je kvadarskog oblika i graena je od 63840

volumena. Ovo je prilino jednostavna mrea. Na toj mrei su oznaene povrine ulaza,izlaza, gornja stjenka, donja stjenka i poprene stjenke. Na donjoj povrini su jo definirane

etiri povrine izvuene iz pojedenih volumena koji su omeeni donjom povrinom. Na tim

mjestima su biljeene temperature u svakom vremenskom koraku. Pomou tih povrina

vrijednosti temperature su vaene iz simulacije i upotrjebljene za izradu grafova s rezultatima.

5.2.3. Vremenska diskretizacijaZbog faktora ubrzanja vrijeme simulacije iznosi 4 s. Vremenski korak odabran za ovu

simulaciju je 0.001 s. Ovaj vremenski korak se pokazao zadovoljavajuim za ovu simulaciju s

obzirom na razvoj spreja, prijenosa topline kapljice i provodnosti topline metalne ploe.

5.2.4. Granini uvjetiU ovom sluaju moemo razlikovati etiri procesa koja se odvijaju u simulacijskoj geometriji.

Ovi procesi su strujanje plinova kroz kanal, ubrizgavanje UWS-a u obliku spreja, stvaranjetekuine filma na stjenci, 2D provoenje topline na donjoj povrini.

Glavni granini uvjeti strujanja plinova kroz kanal su dani na ulazu i izlazu. Plinovi ulaze u

kanal sa normalnom komponentom brzine koja iznosi 30 m/s i temperaturom od 390C.

Kinetika energija turbulencije je 10 m2/s2 i brzina discipijacije turbulencije je 519.615 m2/s3.

Granini uvjeti na izlazu su dani samo u obliku statikog tlaka na izlazu koji iznosi 100000

Pa. Popreni zidovi i gornji zid imaju konstantnu temperaturu od 390C takoer. Na donjem

zidu odnosno povrini koja predstavlja povrinu metalne ploe zbog procesa isparavanja

UWS kapljica i ostalih procesa vezanih uz dekompoziciju UWS-a imamo izmjenu topline na

ploi. To znai da je donja ploa pod utjecajem hlaenja. Zbog toga trebamo definirati vanjski

koeficijent prijenosa topline. Ovaj koeficijent ovdje iznosi 100 W/m2K.

Sprej UWS-a ulazi kroz sapnicu sa poetnom brzinom od 18.2 m/s. Ukupna masa UWS-a

koja je ubrizgana iznosi 0.1033 kg u dvama pogonskim uvjetima i 0.2066kg u jednom

pogonskom uvjetu. Sapnica je pozicionirana na gornjem zidu 9 mm od ulaza.


58/66



Razvoj tekuine filma na stjenci je posljedica interakcije spreja i stjenke. U ovom sluaju film

se stvara samo lokalno i ubrzo nestaje zbog isparavanja. Ovdje je film tekuine zanimljiv

samo zbog prijenosa topline, pa je stoga dan koeficijent prolaza topline kroz stjenku koji

iznosi 26 W/mK.

2D prijenos topline je predstavljen pomou modela tankih stjenci. Taj model zahtjeva da se

specificiraju materijali i debljina stjenke. Ovdje je materijal elik,a debljina 2 mm. Takoer

gustoa je 7700kg/m3, vodljivost topline je 26W/mK specifini toplinski koeficijent 25.6

J/kgK.

5.3. Pregled simulacijaMetalna ploa postavljena u sredini kao glavni promatrani objekt je simulirana uz pomo

modela tankih stjenci kao donja povrina mree. Upotrebom tog modela simulirani su svi

rel

30 06 2011 diplomski ivan duilo

Documents