Experimentálne skúmanie faktorov ovplyvňujúcich samovznietenie plynných a

Vedecké správy KIT 7555 Experimentálne výskumy ovplyvňujúcich faktorov spontánneho vznietenia prúdov bez plynných a kvapalných palív Christian Pfeifer Karlsruhe Institute of Technology (KIT)

ovplyvňujúcich

Christian Pfeifer Experimentálne štúdie ovplyvňujúcich faktorov spontánneho vznietenia prúdov bez plynného a kvapalného paliva

Technologický inštitút v Karlsruhe KIT VEDECKÉ SPRÁVY 7555

Experimentálne skúmanie faktorov ovplyvňujúcich samovznietenie prúdov bez plynných a kvapalných palív Christian Pfeifer

Správa č. KIT-SR 7555 Dizertačná práca, Technický inštitút Karlsruhe, Strojnícka fakulta, 2010 Ústna skúška Deň: 22. apríla 2010 Rečníci: Prof. Dr.-Ing. habil. Andreas Class, prof. Dr. rer. nat. habil. Ulrich Maas Imprint Karlsruhe Institute of Technology (KIT) KIT Scientific Publishing Straße am Forum 2 D-76131 Karlsruhe www.ksp.kit.edu KIT Univerzita v spolkovej krajine Bádensko-Württembersko a národné výskumné centrum v združení Helmholtz Táto publikácia je k dispozícii na internete na nasledujúcej Zverejnená licencia Creative Commons: http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/3.0/de/ KIT Scientific Publishing 2010 Print on Demand ISSN 1869-9669 ISBN 978-3-86644-525-3

Obsah 1. Úvod 1 1.1. Stav výskumu. 2 1.2. Stanovenie cieľov. 4 1.3. Náčrt práce. 6 2. Základy spaľovania kvapiek 7 2.1. Bezrozmerné parametre. 7 2.2. Primárna atomizácia. 9 2.3. Sekundárna atomizácia. 12 2.4. Interakcia kvapiek. 15 2.5. Následná schopnosť. 17 2.6. Stredný priemer. 19 2.7. Charakteristický priemer. 19 2.8. Kvapkové odparovanie. 20 2.9. Režimy spaľovania kvapôčok. 22 3. Opis experimentu 25 3.1. Závod TROJA. 25 3.2. Prívod čistiaceho plynu. 26 3.3. Palivo. 28 3.4. Vstrekovací systém. 33 3.5. Miešanie v zapaľovacej komore. 33 3.6. Stanovenie teploty. 35 4. Meracia technológia 37 4.1. Proces tieňa prechodu svetla. 37 4.2. Tomografická laserová dopplerovská anemometria. 38 4.2.1. Laserová dopplerovská anemometria. 38 4.2.2. Základné vlastnosti radónovej transformácie. 41 4.2.3. Princíp tomografickej rekonštrukcie. 43 4.2.4. Analýza porúch. 45 4.3. Metóda merania distribúcie veľkosti kvapiek. 4.3.1. Metódy merania na určovanie veľkostí kvapiek. 4.3.2. Experimentálne nastavenie procedúry SizingMaster-Shadow. 47 4.3.3. Vyhodnotenie záznamov siluety. 49 4.3.4. Stanovenie rýchlosti kvapiek. 52 4.3.5. Analýza a oprava chýb. 52 5. Pravdepodobnosť vznietenia 57 5.1. Pravdepodobnosť frakcie zmesi vznietenia. 57 vii

2.2 Primárna atomizácia 11 10 Ohnesorgeovo číslo Oh 1 0,1 0,01 Rayleighov rozpad 1. Pokles indukovaný vetrom 2. Pokles indukovaný vetrom Atomizácia 0,001 1 10 100 1000 10000 100000 Reynoldsovo číslo Re Obrázok 2.2.: Ohnesorgeov diagram: Rozdelenie typov rozkladu v závislosti na Reynoldsovej Počet a nespočetné číslo starostlivosti [92]. l g Re l Oh Rayleighova vietorom indukovaná atomizácia Obrázok 2.3.: Trojrozmerný diagram nedostatku obáv: Okrem vplyvu Reynoldsovho čísla na režim rozpadu sa zobrazuje aj závislosť pomeru hustoty medzi okolitým plynom a tekutinou [91].

2.3 Sekundárna atomizácia 13 E = d D, min d D, max (2,11) d D, max d D, min Obrázok 2.5.: Deformácia poklesu v dôsledku útoku vonkajších síl. Táto deformácia popisuje počiatočný proces dezintegrácie kvapiek. Aerodynamické sily spôsobujú nestabilitu na povrchu kvapôčok alebo v celej kvapke, čo nakoniec vedie k rozpadu kvapôčok a tvorbe menších kvapiek. Procesy dezintegrácie prebiehajú dovtedy, kým Weberovo číslo kvapiek, ktoré sú výsledkom ďalšieho dezintegrácie, neklesne pod kritickú hodnotu. Obrázok 2.6 ukazuje typy rozpadu kvapôčok ako funkciu Weberovho čísla We [84]. Uvedené Weberove čísla platia s miernym vplyvom viskozity, t. J. Oh 10 až [50].

18 Základy spaľovania kvapiek FFFWPA Váhová sila: FG = ρ P g 4 3 πr3 (2,15) P x vztlak: FA = ρ F g 4 3 πr3 (2,16) FFG odpor: FW = ρ F 2 ẋ2 πr 2 c D (2,17) Zotrvačnosť: FP = ρ P 4 3 πr3 ẍ (2.18) Obrázok 2.10: Sily pôsobiace na časticu. pre guľu s kinematickou viskozitou média prúdiaceho okolo ν v smere x na c D = 24 Re = 12ν ẋr. (2.19) Rovnováha síl vyplýva z F G = F A + F W + F P (2.20) a pre výsledky zrýchlenia, berúc do úvahy ekv. 2,19 s gravitačným zrýchlením g ẍ = (1 ρ F) g 9ρ F ν ẋ. (2.21) ρ P 2ρ P r2 Integrácia ekv. 2.21 a predpoklad veľkého pomeru hustoty ρ P >> ρ F [10] poskytujú konečnú rýchlosť, ktorú častica predpokladala po veľmi dlhej dobe: ẋ = 2ρ P r 2 9ρ F ν (1 ρ F ρ P) g = τ r G. (2.22) Tu τ r predstavuje čas odozvy: τ r = 2ρ P r 2 9ρ F ν. (2.23) Charakteristická časová škála prietoku τ C sa vytvorí z kvocientu charakteristickej dĺžky L a rýchlosti prúdenia U. So vzťahom od rovnice 2.23 Stokesovo číslo je výsledkom St = 2ρ P r 2 L 9ρ F νu (2,24)

4.2 Tomografická laserová dopplerovská anemometria 41 Obrázok 4.3: Schematické znázornenie usporiadania LDA pri metóde spätného rozptylu s predĺžením Braggovej bunky o 1 m = 4,4 mm prierez injekčnej trubice, ktorá má priemer d = 2 mm. Vo výsledku nie je možné lokálne priradiť poklesy meraného objemu. Za účelom dosiahnutia vysokého priestorového rozlíšenia sa rýchlosti zaznamenané integrálne nad meraným objemom tomograficky rekonštruujú pomocou inverznej radónovej transformácie [39]. Obrázok 4.4.: Poloha meracej hlavy LDA na komore. Traverz posúva meraciu hlavu pod výstup vstrekovacej trubice kolmo na os voľného lúča. 4.2.2. Základné črty radónovej transformácie V nasledujúcom texte sú vysvetlené príslušné vzťahy týkajúce sa radónovej transformácie [114]. Nech f (x, y) je dvojrozmerný objekt v pozičnom priestore (x, y). Súradnicový systém otočený o uhol θ vzhľadom na (x, y) má súradnice t a s. Paralelný priemet q θ (t) v smere s pod uhlom θ je daný

50 Norma meracej technológie. Hodnota šedej 1 0,9 0,8 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 0 0 20 40 60 80 100 pixelov Najvyššia vyskytujúca sa intenzita Globálna medzná hodnota Najnižšia vyskytujúca sa intenzita Obrázok 4.8.: Znázornenie intenzity objektu v reze obrázkom. Horná a dolná medzná hodnota definuje rozsah nameranej intenzity v obraze. Hodnotia sa oblasti, ktoré presahujú globálnu limitnú hodnotu. potom sa zahodia, ak presahujú globálnu limitnú hodnotu. V ďalšom kroku hodnotenia sa oblasti nad globálnou medznou hodnotou skúmajú osobitne. V treťom kroku sa každý objekt, ktorý je nad globálnou medznou hodnotou, stane normou. Hodnota šedej 1 0,9 0,8 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 0 Najnižšia intenzita osvetlenia 0 20 40 60 80 100 pixelov Minimálna hodnota šedej hodnoty Najvyššia intenzita osvetlenia Globálna medzná hodnota Obrázok 4.9.: Prierez obrázkom bez kvapiek. Plochy, ktoré sú nad globálnym prahom, ale pod minimálnou hodnotou šedej, sa nevyhodnocujú. To zabráni hodnoteniu nahrávok bez pádov.

4.3 Postup merania distribúcie veľkosti kvapôčok 51 Norm. Hodnota šedej 1 0,9 0,8 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 0 l BoundingBox 0 20 40 60 80 100 pixelov l AoI Najvyššia intenzita výskytu Globálna prahová limitná hodnota Najnižšia intenzita výskytu Minimálna prahová hodnota Obrázok 4.10.: Globálna limitná hodnota definuje oblasť objektu, ktorá sa vyhodnocuje . Ohraničujúci rámček je zväčšený o čiastku, aby vytvoril oblasť záujmu (AoI). je položený obdĺžnik (ohraničujúca skrinka) s hranou dĺžky l ohraničujúca skrinka. Okraje ohraničovacieho poľa sú v bode na obvode objektu, kde šedá hodnota objektu pretína globálnu medznú hodnotu (obr. 4.10). Potom sa objekt stane normou. Hodnota šedej 1 0,9 0,8 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 0 d O, min d O, max 30 40 50 60 70 80 pixelov Maximálna hraničná hodnota = 100% Horná hraničná hodnota = 50% Dolná hraničná hodnota = 30% Minimálna hraničná hodnota = 0% Obrázok 4.11.: Individuálne vyhodnotenie informácií o objekte, ktorý sa nachádza v AoI. Horná a dolná medzná hodnota sú definované vo vzťahu k rozdielu medzi najvyššou hodnotou šedej a najmenšou hodnotou šedej objektu. Výsledný priemer je stredná hodnota do, min a do, max, ktorá vznikne prienikom medzných hodnôt s šedou krivkou hodnoty objektu.

4.3 Postup merania distribúcie veľkosti kvapiek 55 Postupujte po 35 mm v krokoch po 5 mm. Návrat do referenčného bodu sa uskutočnil bez medzikroku. To malo za následok odchýlku 0,26 mm. To vedie k celkovej odchýlke vo vertikálnom smere 0,37%.

5.9 Experimentálne skúmanie samovznietenia 75 Obrázok 5.18: Sekvencia vysokorýchlostného tieňového obrazu. Referenčný čas je tu začiatkom prítoku a definuje čas t = 0ms. Zapaľovanie prebieha pri t = 3 ms (p inj = 70 bar, p K = 40 bar, T inj = 620 K, T K = 720 K).

5.9 Experimentálne skúmanie samovznietenia 77 1,0 0,8 0,6 0,4 0,2 0,0 8,0 ms 9,0 ms 10,2ms 10,8ms 10,8ms 11,1ms 11,4ms 11,7ms 12,3ms 13,0ms 14,0ms 0 5 10 15 x/d Obrázok 5.19.: Fázovo spriemerovaný vývoj formaldehydu v prúd reaktívneho paliva bez plynu (p inj = 70 bar, p K = 20 bar, T inj = 500 K, TK = 720 K). Intenzita sa normalizuje na maximálnu vyskytujúcu sa intenzitu pri t = 11,4 ms.

84 Vyšetrovanie vstrekovania kvapalného paliva 30 28 26 v ax [m/s] 24 22 20 18 16 14 1 0,5 0 y [mm] -0,5-1 -1-0,5 0 x [mm] 0,5 1 Obrázok 6.7: Rekonštruované Pole rýchlosti (pK = 20 bar, p inj = 70 bar). Modré bodky predstavujú rekonštruovanú hodnotu rýchlosti podľa priestorového rozlíšenia. To možno pripísať skutočnosti, že destabilizačné sily sú v strede postreku menšie ako v okrajovej oblasti toku potrubia. Skúmanie plynného voľného prúdu ukazuje, že krátko po začiatku prítoku možno merať plne vyvinutý turbulentný profil prietoku potrubím [41]. To znamená, že 30 70-> 20 70-> 30 70-> 40 Axiálna rýchlosť [m/s] 25 20 15 10 5-1 -0,5 0 0,5 1 polomer [mm] Obrázok 6.8: Rekonštruované rýchlostné profily pri p K = 20bar, 30bar a 40bar s p inj = 70bar.

6.2 Meranie charakteristických veličín postreku 89 0 x/d 0,25 0,5 0,75-0,5-0,25 0 0,25 0,5 r/d Obrázok 6.12.: Segmentácia predmetov nad globálnu medznú hodnotu. Spodný okraj injekčnej trubice je v tomto kroku tiež identifikovaný na základe gradientu intenzity. 0 x/d 0,25 0,5 0,75-0,5-0,25 0 0,25 0,5 r/d Obrázok 6.13.: Výsledok samostatnej analýzy jednotlivých objektov. Rýchlosť poklesu je zaznamenaná pre každý validovaný pokles za predpokladu, že sa nájde zodpovedajúci pokles v druhom dvojitom obrázku.

6.2 Meranie charakteristických veľkostí spreja 97 0,2 x/d = 0 0,2 x/d = 5 0,15 0,15 PDF 0,1 PDF 0,1 0,05 0,05 0 0 50 100 150 200 250 300 D [µm] 0 0 50 100 150 200 250 300 D [µm ] (a) x/d = 0,19 ms (b) x/d = 5,18 ms 0,2 x/d = 10 0,2 x/d = 15 0,15 0,15 PDF 0,1 PDF 0,1 0,05 0,05 0 0 50 100 150 200 250 300 D [µm] 0 0 50 100 150 200 250 300 D [µm] (c) x/d = 10, 18 ms (d) x/d = 15, 21 ms Obrázok 6.20.: Vybrané histogramy distribúcie veľkosti kvapiek na osi postreku (y/d = 0) pri p K = 20 bar a p inj = 60 bar v rôznych časoch. Triedy veľkosti kvapiek sú vynesené proti ich pravdepodobnosti výskytu.

6.2 Meranie charakteristických veľkostí spreja 99 0,3 x/d = 0 0,3 x/d = 5 0,25 0,25 0,2 0,2 ​​PDF 0,15 PDF 0,15 0,1 0,1 0,05 0,05 0 0 50 100 150 200 250 300 D [µm] 0 0 50 100 150 200 250 300 D [µm] (a) x/d = 0, 20 ms (b) x/d = 5, 19 ms 0,3 x/d = 10 0,3 x/d = 15 0,25 0,25 0,2 0,2 ​​PDF 0,15 PDF 0,15 0,1 0,1 0,05 0,05 0 0 50 100 150 200 250 300 D [um] 0 0 50 100 150 200 250 300 D [um] (c) x/d = 10, 17 ms (d) x/d = 15, 18 ms Obrázok 6.22.: Vybrané histogramy distribúcie veľkosti kvapiek na osi postreku (y/d = 0) pri p K = 20 bar a p inj = 80 bar. Triedy veľkosti kvapiek sú vynesené proti ich pravdepodobnosti výskytu.

100 Vyšetrovanie vstrekovania kvapalného paliva 3 2 50 m 3 2 50 m 1 1 r/d 0 r/d 0-1 -1-2 t = 24 ms p Inj = 60 bar -2 t = 20 ms p Inj = 80 bar -3 0 2,5 5 7,5 10 12,5 15 x/d -3 0 2,5 5 7,5 10 12,5 15 x/d Obrázok 6.23: Priestorovo rozlíšené rozdelenie stredného priemeru kvapiek pre p inj = 60 a 80 bar pri p K = 20 bar pre vstrekovací tlak z p inj = 80 bar je SMD zakreslené na obr. 6.25. Tu sa časový vývoj SMD neprekrýva v pozíciách merania v spreji, ako je to v prípade p inj = 60 bar. To znamená, že priemer kvapiek klesá so zväčšovaním vzdialenosti od výstupu injekčnej trubice. Je to spôsobené vyššou rýchlosťou pádu. 200 180 160 140 x/d = 0 x/d = 5 x/d = 10 x/d = 15 SMD [µm] 120 100 80 60 40 20 0 15 20 25 30 35 Čas po začiatku injekcie [ms] Obrázok 6.24.: Priestorovo rozlíšená SMD pri p inj = 60 bar a p K = 20 bar v štyroch polohách na osi postreku.

6.2 Meranie charakteristických veľkostí postreku 0,3 200 0,25 150 0,2 100 0,15 0,1 50 0 0 250 0,35 Veľkosť kvapky [μm] Veľkosť kvapky [μm] 250 0 150 0,2 100 0,15 0,1 0,05 20 40 Rýchlosť [m/s] (c) x/d = 10, r/d = 0, t = 19 ms 0 Veľkosť kvapky [μm] Veľkosť kvapky [μm] 0,25 0 0 150 0,2 100 0,15 0,1 0,05 20 40 Rýchlosť [m/s] 250 0,3 50 0,25 0 (b) x/d = 5, r/d = 0,5 1, t = 19 ms 0,35 200 0,3 200 0 0 (a) x/d = 5, r/d = 0, t = 19 ms 250 0,35 50 0,05 20 40 Rýchlosť [m/s] 103 0,35 0,3 200 0,25 150 0,2 100 0,15 0,1 50 0 0 0,05 20 40 Rýchlosť [m/s] 0 (d) x/d = 10, y/d = 0,5 1, t = 19 ms Obrázok 6.27.: Vybrané funkcie viazanej hustoty pravdepodobnosti distribúcia veľkosti kvapôčok a distribúcia rýchlosti kvapiek pri pinj = 60 bar a pk = 20 bar.