Pistonlu motorların silindirleri içerisindeki gaz akışlarının emme stoku boyunca sayısal olarak incelenmesi

Abstract

ÖZET Pistonlu Motorların Silindirleri İçerisindeki Gaz Akışlarının Emme Stroku Boyunca Sayısal Olarak İncelenmesi İçten yanmalı pistonlu motorların çalışması sırasında meydana gelen çeşitli olayların yapısı oldukça karmaşıktır. Motorların karmaşık geometrik yapılan içinde aynı anda bir çok fiziksel süreç meydana gelmekte ve bunlar birbirlerini etkilemektedir. Bu süreçlerden motor silindirleri içerisindeki akış olayı; türbülans üretimi, yakıt-hava karışımı ve yanma olayları üzerinde önemli bir rol oynar ve motor performansım Önemli düzeyde etkiler. Günümüzde motor tasarımcıları içten yanmalı motorların ısıl verimini artırmaya ve istenmeyen eksoz emisyonlarını azaltmaya çalışmaktadırlar. Çalışmalar, akışın çok-boyutlu olarak tahmin edilmesini gerektirmektedir. Ancak deneysel teknikler deneme-yanılma yöntemine dayanmakta; oldukça zaman alıcı ve pahalı olmakta ve edinilen bilgiler çok sınırlı düzeylerde kalmaktadır. Bu nedenle tasarımcılar, motor silindiri içerisindeki olayları tahmin etmede sayısal yöntemlere büyük umutlar bağlamışlardır. Son zamanlarda silindir içi akışkan hareketlarinin hesaplanmasında çok-boyutlu matematiksel modellerin kullanılmasına eğilim gittikçe artmaktadır. Bununla birlikte, şu ana kadar bu tür az sayıda çalışmanın deneysel verilerle kapsamlı olarak karşılaştırılması yapılmıştır. Sunulan çalışmanın konusu; pistonlu motorlarda emme stroku boyunca silindir içerisindeki akışın sayısal olarak incelenmesidir. Bu amaçla k-t türbülans modeli ve `duvar kanunları` sınır koşullarının kullanıldığı bir bilgisayar programı geUştirilmiştir. Akışı gösteren diferansiyel denklemlerin sayısal çözümünde `sonlu kontrol hacmi` yaklaşımı ve Patankar taralından geliştirilmiş olan SIMPLE algoritması kullanılmıştır. Elde edilen sonuçlar Gosman ve arkadaşları taralından yapılmış olan sayısal çalışmalarla ve ayrıca Morse taralından yapılmış olan ölçümlerle karşılaştırılmış ve ilerideki çalışmalar için ümit verici oldukları görülmüştür. Sonuçlarda ortaya çıkan bazı uyuşmazlıkların tam olarak bilinmeyen sınır koşullarından ve/veya kullanılan türbülans modelinin yetersizliklerinden kaynaklandığı düşünülmektedir. Anahtar kelimeler: Pistonlu motorlarda akış, k-e türbülans modeli, Sonlu kontrol hacmi yöntemi, Hybrid (Merkezi/upwind) aynklaştırma yaklaşımı. vı

SUMMARY Numerical Analysis of Gas Flows During Intake Stroke in the Cylinders of Reciprocating Engines The nature of the various events in reciprocating internal combustion engines are very complicated. Many physical processes occur and act on each other in their complex geometries. Among these processes, the flow in the cylinders play an important role on generation of turbulence, fuel-air mixing and combustion, thus exerts great influence on engine performance through these processes. At the present time, engine designers try to improve the thermal efficiency and to reduce the undesirable exhaust emissions using sophisticated devices for the flow control. These design efforts require the prediction of flow in multi dimensions, but experimental techniques based on trial and error methods are time consuming and expensive to perform, and moreover information obtained from them is very limited. Therefore, the designers have began to set greater hopes on numerical methods to predict what happens in the engine cylinder, especially at the early stage of design. So, recently there has been an increasing trend to apply multidimensional models for computing fluid motion in internal combustion engines. However, so far, few detailed comparisons of the predictions with the experiments have been done. The objective of this study is to perform a two-dimensional numerical analysis of the flow during intake stroke in the cylinders of a reciprocating engines. For this reason, a computer code developed which employs fc-e turbulence model and the `law of the wall` boundary conditions. Numerical solution method of the governing equations is based on the SIMPLE technique of Patankar with the `finite control volume` approach. Comparisons of the velocity and turbulent intensity field have been made with that prediction by Gosman et al. and measurements by Morse. The results of computations were generally encouraging. However, discrepancies were observed which are attributed to either or both unknown boundary conditions or shortcomings in the k-z model used. Key Words: Flow in the rciprocating engines, k~e turbulence model, Finite control volume method, Hybrid (central/upwind) discretisation scheme. vn