Μοντελοποίηση μεταφοράς θερμότητας δίχρονων ναυτικών κινητήρων Diesel

Abstract

Η μεταφορά θερμότητας σε μηχανές εσωτερικής καύσης είναι ένας σημαντικός παράγοντας που επηρεάζει τον βαθμό απόδοσης και τη θερμική φόρτιση των στοιχείων τους. Στην παρούσα εργασία, μελετάται η μεταφορά θερμότητας σε μεγάλο δίχρονο ναυτικό κινητήρα, με χρήση υπολογιστικής ρευστομηχανικής. Συγκεκριμένα, στο πλαίσιο του κώδικα KIVA-3, γίνεται χρήση των ακόλουθων μοντέλων εξαναγκασμένης συναγωγής: (α) ενός βασικού μοντέλου βασισμένου στην αναλογία Reynolds, (β) του μοντέλο NIWL (Non-Isothermal Wall Law). Η μελέτη περιλαμβάνει τη λειτουργία του κινητήρα σε πλήρες και μερικό φορτίο, με χρήση συνεχούς προφίλ έγχυσης του καυσίμου, καθώς και προφίλ έγχυσης με παρουσία προέγχυσης. Τα αποτελέσματα δείχνουν ότι τα βασικά λειτουργικά μεγέθη του κινητήρα (πίεση και ρυθμός έκλυσης θερμότητας) επεηρεάζονται ελάχιστα από το χρησιμοποιούμενο μοντέλο μεταφοράς θερμότητας. Η χρήση του μοντέλου NIWL δίνει επίπεδα ειδικής θερμοροής που είναι σε καλύτερη συμφωνία με πειραματικά αποτελέσματα της βιβλιογραφίας. Με βάση την ανάλυση των υπολογιστικών αποτελεσμάτων και την οπτικοποίηση των ροϊκών πεδίων, χαρακτηρίζεται η κατανομή των θερμικών απωλειών προς τις περιβάλλουσες επιφάνειες του θαλάμου καύσης, για τα διαφορετικά στάδια της καύσης.

Heat Transfer in internal combustion engines is a key factor contributing in their efficiency and thermal loading. In the present thesis, heat transfer is studied in a two stroke marine diesel engine with the use of computational fluid dynamics.More specifically by using the KIVA-3 code, two forced convection models are presented. (a) A basic heat transfer model based on the Reynolds analogy and (b) the Non Isothermal Wall Law model. The study consists of full and partial loading of the engine using either a continuous injection profile or an injection profile characterized by pre-injection and main injection. The results have shown that the fundamental parameters (pressure and rate of heat release) are not significantly influenced by the used heat transfer model. The NIWL model gives results in beter accordance with the experimentally obtained values. As a result of the CFD analysis, the thermal losses towards the surfacce of the cylinder are examined, for the different stages of the Diesel cycle.