Virtaus ruiskutusventtiilin reiästä

Samankaltaiset tiedostot
4. Kontrollitilavuusajattelu ja massan säilyminen. KJR-C2003 Virtausmekaniikan perusteet

Kuva 1. Virtauksen nopeus muuttuu poikkileikkauksen muuttuessa

(c) Kuinka suuri suhteellinen virhe painehäviön laskennassa tehdään, jos virtaus oletetaan laminaariksi?

Luvun 12 laskuesimerkit

KJR-C2003 Virtausmekaniikan perusteet, K2017 Tentti, pe :00-17:00 Lue tehtävät huolellisesti. Selitä tehtävissä eri vaiheet.

9. Kitkaton virtaus ja potentiaaliteoria. KJR-C2003 Virtausmekaniikan perusteet

PHYS-A3121 Termodynamiikka (ENG1) (5 op)

Luento 16: Fluidien mekaniikka

Hydrauliikka: kooste teoriasta ja käsitteistä

(a) Potentiaali ja virtafunktiot saadaan suoraan summaamalla lähteen ja pyörteen funktiot. Potentiaalifunktioksi

Luku 13. Kertausta Hydrostaattinen paine Noste

PHYS-A3121 Termodynamiikka (ENG1) (5 op)

Mekaniikan jatkokurssi Fys102

KJR-C2003 Virtausmekaniikan perusteet, K2017 Tentti, perjantai klo 12:00-16:00 Lue tehtävät huolellisesti. Selitä tehtävissä eri vaiheet.

Kertaus 3 Putkisto ja häviöt, pyörivät koneet. KJR-C2003 Virtausmekaniikan perusteet

y 2 h 2), (a) Näytä, että virtauksessa olevan fluidialkion tilavuus ei muutu.

Luku 13. Kertausta Hydrostaattinen paine Noste

KJR-C2003 Virtausmekaniikan perusteet, K2017 Tentti, perjantai :00-12:00 Lue tehtävät huolellisesti. Selitä tehtävissä eri vaiheet.

Tarkastellaan tilannetta, jossa kappale B on levossa ennen törmäystä: v B1x = 0:


15. Rajakerros ja virtaus kappaleiden ympäri. KJR-C2003 Virtausmekaniikan perusteet


Viikon aiheena putkivirtaukset

Rak Tulipalon dynamiikka

Luvun 8 laskuesimerkit

Ravinteisuuden vaikutus kasvupotentiaaliin muuttuvassa ilmastossa Annikki Mäkelä Mikko Peltoniemi, Tuomo Kalliokoski

MUISTIO No CFD/MECHA pvm 22. kesäkuuta 2011

Diplomityö, joka on jätetty tarkastettavaksi diplomi-insinöörin tutkintoa varten Vaasassa

Esim: Mikä on tarvittava sylinterin halkaisija, jolla voidaan kannattaa 10 KN kuorma (F), kun käytettävissä on 100 bar paine (p).

Demo 5, maanantaina RATKAISUT

Ruiskuvalumuotin jäähdytys, simulointiesimerkki

Molaariset ominaislämpökapasiteetit

Luento 16: Fluidien mekaniikka

7. Differentiaalimuotoinen jatkuvuusyhtälö. KJR-C2003 Virtausmekaniikan perusteet

Putkistovirtausmittauksia

VISKOSITEETTI JA PINTAJÄNNITYS

Fluidi virtaa vaakasuoran pinnan yli. Pinnan lähelle muodostuvan rajakerroksen nopeusjakaumaa voidaan approksimoida funktiolla


Luku 5 KONTROLLI- TILAVUUKSIEN MASSA- JA ENERGIA-ANALYYSI

Muita lämpökoneita. matalammasta lämpötilasta korkeampaan. Jäähdytyksen tehokerroin: Lämmityksen lämpökerroin:

Nesteen ominaisuudet ja nestetilavuuden mallinnus

Lämmityksen lämpökerroin: Jäähdytin ja lämmitin ovat itse asiassa sama laite, mutta niiden hyötytuote on eri, jäähdytyksessä QL ja lämmityksessä QH

(b) Tunnista a-kohdassa saadusta riippuvuudesta virtausmekaniikassa yleisesti käytössä olevat dimensiottomat parametrit.

Metra ERW 700. Energialaskuri

3. Bernoullin yhtälön käyttö. KJR-C2003 Virtausmekaniikan perusteet

Chapter 1. Preliminary concepts

LÄPPÄVENTTIILI WAFER tyyppi haponkestävää terästä 411 (410) sarjat PN , sarjat höyrylle (fire safe rakenne)

Kuljetusilmiöt. Diffuusio Lämmönjohtuminen Viskoosin nesteen virtaus Produktio ja absorptio

Puun termiset aineominaisuudet pyrolyysissa

Termodynamiikka. Fysiikka III Ilkka Tittonen & Jukka Tulkki

Monte Carlo -menetelmä optioiden hinnoittelussa (valmiin työn esittely)

y 1 x l 1 1 Kuva 1: Momentti

Lämpöopin pääsäännöt

Nestepisaran höyrystymistutkimus I vaihe

Työ 0. Esimerkki selostuspohjasta. Työvuoro 82 pari 3. Omanimi Omasukunimi oppilasnumero Parinnimi Parinsukunimi oppilasnumero

KAASUJEN YLEISET TILANYHTÄLÖT ELI IDEAALIKAASUJEN TILANYHTÄLÖT (Kaasulait) [pätevät ns. ideaalikaasuille]

PIEN-CHP POLTTOAINEENTUOTANTOLAITOKSEN YHTEYDESSÄ Polttomoottori- ja turbotekniikan seminaari Teknologiateollisuus Otaniemi,Espoo

Todista suoraan integraalin määritelmään perustuen tasointegraalin ominaisuus. λ f = λ f,

Gaussin lause eli divergenssilause 1

Liite F: laskuesimerkkejä

Kon HYDRAULIIKKA JA PNEUMATIIKKA

Luku 4 SULJETTUJEN SYSTEEMIEN ENERGIA- ANALYYSI

Diplomi-insinöörien ja arkkitehtien yhteisvalinta - dia-valinta 2013 Insinöörivalinnan fysiikan koe , malliratkaisut

Valomylly. (tunnetaan myös Crookesin radiometrinä) Pieni välipala nykyisin lähinnä leluksi jääneen laitteen historiasta.

Käyttämällä annettua kokoonpuristuvuuden määritelmää V V. = κv P P = P 0 = P. (b) Lämpölaajenemisesta johtuva säiliön tilavuuden muutos on

Mamk / Tekniikka ja liikenne / Sähkövoimatekniikka / Sarvelainen 2015 T8415SJ ENERGIATEKNIIKKA Laskuharjoitus

MIKKELIN AMMATTIKORKEAKOULU Tekniikka ja liikenne / Sähkövoimatekniikka T8415SJ Energiatekniikka. Hannu Sarvelainen HÖYRYKATTILAN SUUNNITTELU

PHYS-C0220 Termodynamiikka ja statistinen fysiikka Kevät 2017

Laskun vaiheet ja matemaattiset mallit

DEE Kryogeniikka

Nopeus, kiihtyvyys ja liikemäärä Vektorit

LTP++ Virtausopin perusteet. Pauli Jaakkola

NESTEIDEN ja ja KAASUJEN MEKANIIKKA

Luento 6: Liikemäärä ja impulssi

TAMPEREEN TEKNILLINEN YLIOPISTO

Luku 8 EXERGIA: TYÖPOTENTIAALIN MITTA

= 6, Nm 2 /kg kg 71kg (1, m) N. = 6, Nm 2 /kg 2 7, kg 71kg (3, m) N

TAVOITTEET Määrittää taivutuksen normaalijännitykset Miten määritetään leikkaus- ja taivutusmomenttijakaumat

Jos olet käynyt kurssin aikaisemmin, merkitse vuosi jolloin kävit kurssin nimen alle.

0. Johdatus virtausmekaniikkaan ( , 1.11, 23 s.)

KJR-C2002 Kontinuumimekaniikan perusteet, viikko 46/2017

CHEM-A1410 Materiaalitieteen perusteet

KJR-C2002 Kontinuumimekaniikan perusteet, viikko 48/2017

SwemaMan 8 Käyttöohje

LÄPPÄVENTTIILI WAFER tyyppi hiiliterästä 311 ( ) sarjat PN40

4) Törmäysten lisäksi rakenneosasilla ei ole mitään muuta keskinäistä tai ympäristöön suuntautuvaa vuorovoikutusta.

Mamk / Tekniikka ja liikenne / Sähkövoimatekniikka / Sarvelainen 2015 T8415SJ ENERGIATEKNIIKKA Laskuharjoitus

KJR-C2002 Kontinuumimekaniikan perusteet, tentti (esimerkki)

0. Johdatus virtausmekaniikkaan. KJR-C2003 Virtausmekaniikan perusteet

= 1 kg J kg 1 1 kg 8, J mol 1 K 1 373,15 K kg mol 1 1 kg Pa

Differentiaali- ja integraalilaskenta 3 Mallit 2 (alkuviikko) / Syksy 2016

= P 0 (V 2 V 1 ) + nrt 0. nrt 0 ln V ]

ENY-C2001 Termodynamiikka ja lämmönsiirto TERVETULOA!

Miten osoitetaan joukot samoiksi?

Numeerinen integrointi

Mallien perusteet. Tavoittena on valottaa (kontinuumi)mallien yleistä rakennetta säilymislakien ja systeemiajattelun pohjalta.

12. Mallikokeet. KJR-C2003 Virtausmekaniikan perusteet

Täyttää painelaitedirektiivin 97/23/EC vaatimukset. Kaasu, ryhmä 1.

Lämpöoppi. Termodynaaminen systeemi. Tilanmuuttujat (suureet) Eristetty systeemi. Suljettu systeemi. Avoin systeemi.

Differentiaali- ja integraalilaskenta 3 Mallit laskuharjoitukseen 3 /

Transkriptio:

Jukka Kiijärvi Virtaus ruiskutusventtiilin reiästä Kaasu- ja polttomoottorin uudet tekniset mahdollisuudet Polttomoottori- ja turbotekniikan seminaari 2014-05-15 Otaniemi Teknillinen tiedekunta, sähkö- ja energiatekniikka

Sisältö Johdanto Nurickin malli Schmidtin malli Tulokset Johtopäätökset 2

Johdanto Dieselmoottorissa palamista ohjataan polttoaineen ruiskutuksella. Tarvitaan tietoa polttoaineen virtauksesta ruiskutusventtiilin reiästä. Virtauslaskennassa annetaan reunaehtona polttoaineen nopeus reiän ulostulossa ajan funktiona. Lisäksi olisi syytä tuntea virtauspinta-ala reiän ulostulossa ajan funktiona. Virtaus kavitoi reiässä lähes koko ruiskutuksen ajan. Tavoitteena määrittää virtausnopeus ja virtauspinta-ala dieselmoottorin ruiskutusventtiilin reiän ulostulossa yksiulotteisella mallilla. Virtauksen oletetaan kavitoivan paljon reiässä. 3

Nurickin malli Virtauskerroin reiän kavitoivassa virtauksessa. 4

Kaavio Höyry 1 6 c 6 2 6 y u 1 = 0 p 1 u c, p c = p v u 2 p 2 x Virtaus Nurickin mallissa. 5

Perusyhtälöt Massavirta ṁ = ρ V = ρv A (1) Bernoullin yhtälö p + 1 2 ρv 2 + ρgz = vakio (2) 6

Oletukset 1. Virtaus kavitoi ruiskutusventtiilin reiässä. 2. Neste ei puristu kokoon, joten nesteen tiheys säilyy vakiona. 3. Virtaus on yksiulotteinen. 4. Virtaus on jatkuva. 5. Höyry kertyy akselin suunnasta katsottuna rengasmaisesti reiän seinälle. 6. Virtauksen pienimmän poikkipinta-alan kohdalla c paine on sama kuin nesteen höyrynpaine. 7

Ratkaisu Sisäinen aukkosuhde C c = A c A g (3) Massavirta ṁ = C c A g 2ρ(p 1 p v ) (4) Virtauskerroin C d = ṁ ṁ th (5) 8

Nurickin kavitaatioluku K = p 1 p v p 1 p 2 (6) Virtauskerroin Nurickin kavitaatioluvun funktiona C d = C c K (7) 9

Schmidtin malli Tehollinen virtausnopeus ja -pinta-ala reiän ulostulossa. Höyry c 2 A g u g Neste-elementtivirtauksen malli. 10

Höyry A 2 u 2 c 2 Virtaus Schmidtin mallissa. 11

Kaavio u 1 = 0 p 1 1 D D c p c A g y Höyry c x Kontrollitilavuus u c A g = (πd 2 )/4 A c = (πd 2 c )/4 A 2 = (πd 2 2 )/4 D 2 2 u 2 p 2 A g Schmidtin mallin kontrollitilavuus. 12

Perusyhtälöt Massan säilyminen t CV ρ dv + CS ρ V d A = 0 (8) Liikemäärä x-suunnassa F x = F Sx + F Bx = t CV uρ dv + CS uρ V d A (9) 13

Oletukset 1. Virtaus on jatkuva. 2. Virtaus kavitoi runsaasti ruiskutusventtiilin reiässä. 3. Höyry kertyy reiän akselin suunnasta katsottuna rengasmaisesti reiän seinille. 4. Seinästä päävirtaukseen ei vaikuta leikkausvoimaa ts. virtaus on kitkaton. 5. Nopeusjakauma on pienimmän virtauksen poikkipinta-alan sekä reiän ulostulossa tasainen kitkattoman virtauksen takia. 6. Virtaus on yksiulotteinen. 7. Polttoaineen tiheys säilyy vakiona. 8. Reiän pienimmän poikkipinta-alan kohdassa c höyryn läpi ei siirry liikemäärää kontrollitilavuuteen. Tämä oletus seuraa siitä, että höyryn tiheys on pieni verrattuna polttoaineen tiheyteen. 9. Virtauksen pienimmän poikkipinta-alan kohdassa c paine on yhtä suuri kuin höyrynpaine. 14

Ratkaisu Reynoldsin kuljetusteoreema. Tehollinen virtausnopeus reiän ulostulossa u 2 = 2C cp 1 p 2 + (1 2C c )p v C c 2ρ(p 1 p v ) (10) Tehollinen virtauspinta-ala reiän ulostulossa A 2 = 2C 2 c (p 1 p v ) 2C c p 1 p 2 + (1 2C c )p v A g (11) 15

Höyrynpaine alhainen verrattuna muihin paineisiin. Siksi oletetaan, että p v = 0. Tehollisen ja geometrisen pinta-alan suhde A 2 A g = 2C 2 c 2C c (K 1)/K (12) Massavirrat samoja sekä neste-elementtivirtauksessa että Schmidtin mallin virtauksessa. Tällöin kyetään osoittamaan, että u g u 2 = A 2 A g (13) 16

Tulokset Nykyaikaisen ruiskutusventtiilin reikä, sisäänvirtausaukossa pyöristys. C c = 0,796 Kun C d 0,890, muuttuu virtaus kavitoivasta turbulentista kavitoimattomaksi turbulentiksi. 17

Virtauskerroin 0.89 0.88 0.87 0.86 0.85 0.84 0.83 0.82 0.81 0.80 0.79 1.00 1.05 1.10 1.15 1.20 1.25 18

Pinta-alojen ja nopeuksien suhde 0.90 0.85 0.80 1.00 1.05 1.10 1.15 1.20 1.25 19

Johtopäätökset Tilanne, jossa virtaus kavitoi reiässä paljon. Tällöin ero Schmidtin ja neste-elementtivirtauksen mallin pinta-alojen sekä nopeuksien suhteessa suuruusluokaltaan 15 %. Suositeltavaa käyttää Schmidtin mallin ulosvirtausnopeutta ja -pintaalaa reiän runsaasti kavitoivassa virtauksessa. Jatkotutkimuksia Kokeet. Schmidtin mallin voimassaolon reunaehto tai -ehdot. Reiän virtauksen laskenta kolmeulotteisena. 20

Viitteet Nurick, W., Orifice Cavitation and Its Effects on Spray Mixing. Journal of Fluids Engineering, vol. 98, 1976. Schmidt, D., Cavitation in Diesel Fuel Injector Nozzles. Dissertation, University of Wisconsin-Madison, 1997, 182 s. 21