METODA MODELOWANIA ROZKŁADU TEMPERATUR UKŁADU
Transkrypt
METODA MODELOWANIA ROZKŁADU TEMPERATUR UKŁADU
MODELOWANIE INśYNIERSKIE Gliwice 2010 METODA MODELOWANIA ROZKŁADU TEMPERATUR UKŁADU WYLOTOWEGO SILNIKA WYSOKOPRĘŻNEGO W KONTEKŚCIE GÓRNICZYCH SYSTEMÓW REKUPERACJI CIEPŁA WOJCIECH CHUCHNOWSKI, JAROSŁAW TOKARCZYK, KRZYSZTOF STANKIEWICZ, MARIUSZ WOSZCZYŃSKI Instytut Techniki Górniczej Komag J.B.R. e-mail: [email protected], [email protected], [email protected], [email protected] W artykule przedstawiono analizę rozkładu temperatur i przepływu ciepła w układzie wylotowym silnika spalinowego, w celu określenia parametrów technicznych systemu rekuperacji i konwersji energii cieplnej na elektryczną. Danymi wejściowymi przyjętymi do modelowania były temperatura gazów wylotowych oraz geometryczne i materiałowe cechach układu wylotowego. W celu wyznaczenia rozkładów temperatury w układzie wylotowym zastosowano komputerowo modelowaną dynamikę płynów (CFD - Computational Fluid Dynamics). Oprogramowanie to umoŜliwia, poprzez wykorzystanie metod numerycznych (metoda objętości skończonych), rozwiązanie układu równań róŜniczkowych cząstkowych, złoŜonych z równań ciągłości, Naviera-Stokes’a, Fouriera-Kirchoffa i uzupełnionych innymi równaniami istotnymi dla rozpatrywanego zjawiska (np. modelami turbulencji), przekształcając je w równania algebraiczne lub równania róŜniczkowe zwyczajne. Programy CFD pozwalają uzyskać niezbędne informacje na temat przepływu, rozkładu pola prędkości i pola ciśnienia, ruchu ciepła, pola temperatury i masy. Proces analizy poprzedziło utworzenie modelu 3D układu wylotowego w programie Inventor Professional 2010. Kolejny krok to konwersja modelu do programu Gambit (preprocesor) w celu dyskretyzacji (wygenerowania siatki) modelu, przypisania typów materiałów oraz typów warunków brzegowych. Odpowiednio przygotowany model został wczytany do programu Ansys Fluent, w którym przeprowadzono obliczenia numeryczne. Procesor (solver) programu CFD umoŜliwił wykonywanie precyzyjnych obliczeń dotyczących zjawisk cieplno przepływowych (przepływ spalin, wymiana ciepła, rozkład temperatur układu wydechowego). W trakcie obliczeń uwzględniono właściwości i parametry fizyczne rodzaju materiału badanej substancji, a takŜe stan najbliŜszego otoczenia badanego obiektu. Ansys Fluent, umoŜliwił rozwiązanie zarówno pojedynczych jak i złoŜonych stanów wymiany ciepła. Dzięki duŜym ilościom dostępnych opcji programu, wykonana analiza odznacza się dokładnością i akceptowalnym czasem obliczeń. W wyniku przeprowadzonej analizy uzyskano niezbędne informacje do określenia metodyki projektowania systemów odzyskiwania energii cieplnej, w tym m.in.: odpowiednich parametrów geometrycznych układu wylotowego, określenie dopuszczalnych temperatur na ceramicznych okładkach ogniwa Peltiera, określenie miejsc montaŜu ogniw oraz technicznych parametrów przekładek ograniczających przepływ strumienia ciepła. MODELOWANIE INśYNIERSKIE Gliwice 2010 MODELLING METHODS OF TEMPERATURES DISTRIBUTION IN EXHAUST SYSTEM OF DIESEL ENGINE IN THE CONTEXT OF HEAT RECUPERATION SYSTEMS IN THE MINING INDUSTRY WOJCIECH CHUCHNOWSKI, JAROSŁAW TOKARCZYK, KRZYSZTOF STANKIEWICZ, MARIUSZ WOSZCZYŃSKI Instytut Techniki Górniczej Komag J.B.R. e-mail: [email protected], [email protected], [email protected], [email protected] The analysis of temperature distribution and heat flow in the exhaust system of a diesel engine, presented in the paper, was made to determine technical parameters of heat recovery and its transformation into electric energy. Temperarture of off gases and geometrical and material features of the exhaust system were the input data accepted for modeling. Computational Fluid Dynamics (CFD) was used to determine temperature distribution in the exhaust system. The software enables solving the system of partial differentia equations consisting of continuity, Naviera-Stokes and FourierKirchoff equations completed with other equations that are important for the discussed phenomenon (e.g. turbulence model) transforming them into algebraic equations or typical differential equations by use of numerical methods. CFD software enables gaining information on flow, distribution of speed and pressure fields, heat propagation, temperature field and mass . The analysis was preceded by making 3D model of the exhaust system in Inventor Professional 2010. The next step is a conversion of the model to Gambit software (preprocesor) for model discretization (generation of meshing), attributing material types and boundary conditions to it. The prepared model was entered to Ansys Fluent software, in which numerical calculations were made. Processor (solver) of CFD software enabled precise calculations concerning heat flow phenomena (exhaust gases flow, heat exchange, temperature distribution of the exhaust system). During calculations properties and physical parameters of the material of tested substance as well as condition of nearest environment of tested object were included. Ansys Fluent enables solving both single and complex heat exchange states. Due to many available options of the software the analysis is accurate and takes acceptable time for calculations. In the result of analysis some indispensable information, required for determination of methodology of designing of the systems for recovery of heat energy, i.e. geometrical parameters of gas exhaust system, acceptable temperatures on ceramic Peltiera cell covers, places for installation of cells as well as technical parameters of separating layers that limit heat transfer, was gained.