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用层流流量计测量S1100A型柴油机进气流量的试验

用层流流量计测量S1100A型柴油机进气流量的试验,从物质导数的基本概念出发,导出了准定常流法的适用条件受相似准则StrouhalSr的限制。在用层流流量计测量S1100A型柴油机进气流量的试验中,Sr的数量级仅为10-3。通过瞬时流量积分求得的平均流量与用层流流量计实测的平均流量相比,得到了相一致的结果,这说明用层流流量计藉准定常流法测定瞬时流量是有效的。

   涡轮流量计,气体涡轮流量计,罗茨流量计

内燃机进气流量及其充气系数是评价发动机工作指标的重要参数,其测量精度直接影响到空燃比、点火提前角的控制精度,最终影响到发动机经济性、动力性和排放指标。发动机工况变化时,会导致进气为非定常流动,即使在稳定工况下,也是周期性的非定常流,即脉动流。测量发动机的瞬时进气流量是非常重要的。然而瞬时流量的测量原理以及如何设计适用于测量瞬时流量的流量计等问题,到目前为止,仍然未能得到很好的解决。

测量非定常流量有二种方法,即准定常流法和非定常流法。本文仅限于准定常流法的研究及其应用,以层流流量计[1,2]作为准定常流法测试的流量计,进行有关研究与试验。

1 准定常流法的适用条件

非定常流法需要依据非定常流的基本方程及其结论推导出确定非定常流流量的基本方程,此时,因时间为独立变量,难度甚大。准定常流法假设定常流的基本方程及其结论对非定常流瞬时成立,这是至今测量非定常流流量最常用的方法,其优点是简单易行。

通过对流体力学微分方程无量纲化,可以推导出准定常流法的适用条件。不可压缩粘性流体的连续方程和动量微分方程(仅考虑x轴方向)

选取流量计流道平均流速um、气流脉动周期T (T=1/f,f为发动机脉动频率)、流量计流道的当量直径d和流量计平均压差Δpm作为无量纲分析的基本特性参量,并令u/um=ur,v/um=vr,w/um= wr,t/T=tr,x/d=xr,y/d=yr,z/d=zr,p/Δpm= pr,(1)(2)可化为[3,4]

由式(4)可知,Sr甚小时,可忽略式(4)第以,(4)即变为定常流的方程。因此,Strouhal数甚小就是准定常流适用的条件。在以上推导中,涉及整个微分方程(或方程组)。实际上, / t来源于物质导数,仅需对其进行分析,就可简便地得出以上的结论。

对任意量φ,其物质导数为

式中 φ——在连续方程中,为密度ρ;动量方程中,为速度u

——那勃勒算子

将式(5)右边无量纲化,得到

(6)右边第以项为局部导数,第二项为迁移导数。如果局部导数远小于迁移导数,物质导数中的 / t即可忽略不计,也即可以使用准定常流法,而此二项前面的系数之比为

由此可以看出,Sr甚小时,即可忽略局部导数项,采用准定常流法;Srf成正比,发动机转速越低,Sr越小;Srd成正比,d越小,Sr越小。

因为节流式流量计的当量直径要远大于层流流量计流道的当量直径(d约为0.3 mm[2,5]),在用准定常流法测量瞬时流量时,层流流量计远比节流式流量计要好。由于层流流量计的Sr可以非常小,故应首选它按准定常流法来测量瞬时流量。

2 脉动流平均流量的测定

测定S1100A型柴油机各工况脉动气流平均流量的试验台布置如图1所示。U形管1测量流量计的来流压差,补偿式微压计2测量层流流量计压差,液压测功机7显示发动机转速和测量扭矩,流量计来流的温度温度计测量,另有大气压力计和干湿球温度计测量环境的压力和相对湿度。

流量计为LCL 70层流流量计,是由上海理工大学内燃机基础研究所研制的。它由数以万计的直径很小的通道所构成,可保证流过的气流为层流。在流量计测压接头内装有阻尼元件(羊毛毡),以保证所测定的Δpm为Δp对时间的平均值。测试时柴油机为空载,转速为8002 000 r/min。测出的平均流量一方面可与从瞬时流量的积分得到的平均流量相对比,以判断准定常流法测定瞬时流量的可靠性;另一方面可换算出um,

qmm=ρcfπ4D2um(7)

式中 qmm——平均质量流量

D——层流流量计内径

ρ——来流的密度

cf——有效流通面积系数

所确定StrouhalSr,其值如图2所示。

由图2看出,Sr在各工况下的数量级为10-³,其数值是很小的。因此,忽略非定常项的影响,对测量瞬时流量的精度不会造成大的影响。

3 准定常流法测定内燃机脉动流的瞬时流量

在图2的基础上,增加瞬时压差的测量与记录装置,即可确定S1100A型柴油机各工况下的脉动瞬时进气流量。测量系统见图3

所用差压变送器为1151DR电容式变送器,A/D板将模拟电压信号变成数字信号,然后送入计算机处理。

准定常流法计算瞬时流量时,需要测定层流流量计的瞬时压差。此时测压管内不应装有阻尼元件。图4、图5分别是未滤波和经过FFT(傅立叶分析)滤波后的层流流量计瞬时压差的波形。按定常流的公式,qm的计算公式为[6]

式中 qm——瞬时流量,g/s

C0C1——标定层流流量计时所确定的系数

Re——雷诺数,提交

将式(8)qm代入雷诺数中,可得到

测出Δp,由式(9)求出Re,代入式(8),即可测定瞬时流量。通过对其在一个脉动周期上积分的平均值,就可以得到按准定常流法测定的进气平均流量提交

准定常流法和层流流量计实测的平均流量的对比如图6所示。两种平均流量的蕞大相对误差为3.5%;而在文献[7],二者相对误差在10%以上。

4 结论

(1)准定常流的适用条件是相似准则Strouhal数甚小。本文从物质导数出发,以最简单的方法导出了这一适用于准定常流的适用条件。

(2)本文通过层流流量计实测的平均流量(S1100A型柴油机)与基于准定常流测定的流量的蕞大相对误差小于3.5%,这一误差低于有关文献报道的值。

(3)层流流量计其气流流通直径甚小,导致Sr甚小,这有利于用其按准定常流法测量瞬时流量。

点击次数:  更新时间:2018-04-11 17:42:56  【打印此页】  【关闭