Моделирование работы системы очистки отработавших газов автомобиля в cfd-комплексе cosmosfloworks

Очистка отработавших газов, в том числе от сажевых частиц, дизельных двигателей внутреннего сгорания (ДВС) автомобилей является одной из важнейших экологических проблем и сложной технической задачей, решение которой зависит от различных факторов. Для оптимизации конструкции, учета различных факторов и исключения их влияния на полученные результаты на стадии натурных испытаний следует до их выполнения провести аналитический анализ работы разрабатываемой системы. Вы конечно можете пойти по простому пути и купить насадки на глушитель, но мы рассмотрим более изощренный вариант решения проблемы.

Для решения данной задачи сегодня в руках научных и инженерных сотрудников имеется ряд комплексов для компьютерного моделирования различных процессов, том числе и таких, как моделирование потока жидкости или газа. В статье рассмотрена модель процесса фильтрации в разрабатываемой системе очистки ОГ с использованием пористых материалов и изменением температуры ОГ.

Провести моделирование работы прототипа системы очистки ОГ для автомобиля КамАЗ в CFD-комплексе COSMOSFloWorks.

Прототип призван заменить стандартный глушитель разрабатываемый фильтр предназначен для установки вместо стандартного глушителя и может выполнять его функцию автомобиля и обеспечить улучшение показателей его экологической безопасности путем очистки и нейтрализации вредных веществ в ОГ. Конструкция разработана на основе устройства для очистки ОГ ДВС. Для оптимизации конструкции перед натурными испытаниями было принято решение провести его газодинамический анализ, т.е. рассчитать физические процессы, которые происходят во время его работы и путем внесения изменений в конструкцию оптимизировать их протекание.

Чтобы рассчитать указанный физический процесс, т. е. изменение физических параметров в пространстве и времени, сначала надо его математически смоделировать. Поскольку физические процессы – результат действия законов физики, то наиболее адекватные физическим процессам математические модели представляют собой систему отражающих законы физики дифференциальных и/или интегральных уравнений с граничными и начальными условиями, привязывающими данную математическую модель к поставленной конкретной физической задаче, т. е. определяющими данные физические процессы в этой задаче. На рисунке 1 представлена модель прототипа системы очистки ОГ автомобиля КамАЗ c отображенными граничными и начальными условиями

Поскольку используемые в модели системы дифференциальных и/или интегральных уравнений обычно не имеют аналитического решения, они приводятся к дискретному виду и решаются на некоторой расчетной прямоугольной сетке, которая разрешает области нелинейного поведения решения данных уравнений. Именно такая методика используется COSMOSFloWorks В COSMOSFloWorks ОГ представляются как текучая среда, движение и теплообмен которой моделируются с помощью уравнений Навье-Стокса, описывающих в нестационарной постановке законы сохранения массы, импульса и энергии этой среды. Кроме того, используются уравнения состояния компонентов текучей среды, а также эмпирические зависимости вязкости и теплопроводности этих компонентов среды от температуры. Для моделирования турбулентного течения ОГ упомянутые уравнения Навье-Стокса в COSMOSFloWorks осредняются по Рейнольдсу, т. е. используется осредненное по малому масштабу времени влияние турбулентности на параметры потока, а крупномасштабные временные изменения осредненных по малому масштабу времени составляющих газодинамических параметров потока (давления, скоростей, температуры) учитываются введением соответствующих производных по времени. В результате уравнения имеют дополнительные члены – напряжения по Рейнольдсу, а для замыкания этой системы уравнений в COSMOSFloWorks используются уравнения переноса кинетической энергии турбулентности и ее диссипации в рамках k-ε модели турбулентности.

Выводы. В статье описана методика выполнения расчетов при моделировании работы системы очистки ОГ автомобиля в CFD-комплексе COSMOSFloWorks, приведены уравнения, по которым выполняются расчеты при моделировании.

Моделирование работы системы очистки отработавших газов для автомобиля КамАЗ в CFD-комплексе COSMOSFloWorks дало следующие результаты:

• оценка траектории потока ОГ при разных изменениях в конструкции корпуса;
• вывод зависимости температуры ОГ при прохождении через сажевый фильтр тонкой очистки от температуры электронагревательного элемента;
• оценка траектории движения частиц сажи в зависимости от их размеров.