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.