Улучшение характеристик впускного тракта

[ШВЕД]

Граждане любопытствующие,
Извольте отведать немного размышлений...

ВВЕДЕНИЕ / СПРАВКА

Что общего между улучшением наполнения цилиндров и игрой в гольф?
Правильно, нечто, лежащая в основе, например, вот этого:



а именно - АЭРОДИНАМИКА.

В гольф играют не в вакууме, а на воздухе, поэтому на летящий мячик действует в т.ч. сила лобового сопротивления набегающего воздушного потока. Чтобы мяч летел дальше нужно эту силу минимизировать. Как? Было определено, что идеально гладкий мяч, рассекая поток воздуха, создает перед собой приграничный ламинарный слой, который максимизирует лобовое сопротивление и оставляет позади мяча широкую аэродинамическую тень из рассеченных слоев воздуха. Если же ламинарный приграничный поток превратить в турбулентный, то это приведет смещению зоны лобового сопротивления назад, а также уменьшит тень:



Большое количество ямок на привычном мяче для гольфа как раз и решает задачу превращения ламинарного потока в турбулентный.

ПРИКЛАДНАЯ АВТО-ПРАКТИКА

Как это может пригодиться в авто?
Глядя на сюжет из Разрушителей Легенд на Discovery Channel, в котором они сделали кузов авто в форме поверхности мяча для гольфа в надежде снизить расход топлива:

http://www.autoblog.com/2009/10/22/m...-dimpling-mpg/

На днях же у меня в голове раздался вопрос: "А как изменятся характеристики воздушного потока, движущегося внутри трубы, поверхность которой вся испещрена ямками, как на мячике для гольфа?".

Посему я решил смоделировать 2 воздушных потока в трубе с ямками и без них. Для этого я смоделировал трубу внутр. ф75.0мм и длиной 300мм; одна труба остается без изменений, во вторую же я добавляю ямки.
Затем я продуваю обе трубы и сравниваю результаты.

Продувка:
Характеристики потока я взял те же, что использовал для продувки впускного коллектора:
За основу расчетов я взял турбомотор объемом 2.4л, с рабочим диапазоном оборотов от 1000 до 9000 rpm. Эмпирически я исходил из того, что турбина будет дуть с 3500-4000 rpm, выходя на буст 2 атм на 6000 rpm и держа его вплоть до 9000 rpm. Теоретически, здесь можно принять любые условия, потому что я сравниваю 2 трубы "при прочих равных условиях". Расход воздуха (с учетом работы цилиндров по схеме 1-2-2-1) получился следующий:



Для тестов я использовал 4 замера в целях экономии времени: на 1000, 4000, 6000 и 9000 rpm соответственно.

РЕЗУЛЬТАТЫ

Что же получилось?
Получилась, на самом деле, интересная картина: в зависимости от плотности и размера ямок можно получить разные характеристики потока по сравнению с гладкой трубой.
Я продул 7 разных вариантов поверхностей. Из них получил 2 геометрии, которые, в целом, продуваются лучше гладкой трубы; остальные - хуже.
Что есть "лучше" и "хуже"? В первую очередь, я обращал внимание на скорость потока: чем выше скорость потока - тем труба "лучше". Затем смотрел на давление. Известно, что чем выше скорость, тем ниже полное (динамическое + статическое) давление.

Так вот прирост скорости потока для меня был более значимым, нежели потеря давления. Расчеты показали, что давление падает несоразмеримо меньше, чем растет скорость, поэтому разницей давлений можно смело пренебречь.

На итоговой иллюстрации ниже показан "победитель" и сравнительная таблица (по мере убывания привлекательности) всех 7 геометрий. Также там показаны расчетные показатели 4х замеров "победителя".
(Под №3 скрывается "гладкая" труба без ямок)



Из иллюстрации видно, что на 9000 RPM труба с ямками показывает наилучший результат: скорость потока составляет 61.02 м/сек против 58.17 м/сек у гладкого конкурента.
В то же время в зоне турбоямы (1000 RPM) скорость гладкой трубы несколько лучше: 2.29 м/сек против 2.28 м/сек. Но это уже малозаметные "копейки". Видно, что уже со следующего замера (4000 RPM) "ямки" начинают работать эффективнее.

Безусловно, можно было бы провести не 4, а, скажем, 9 или 18 замеров с шагом в 500 RPM и повысить точность расчетов. Но на это не было времени. Основная задача данного поста - привлечь внимание к этой, на мой взгляд, интересной проблеме и, в идеале, провести дискуссию.

Также остается открытым вопрос: насколько нужно и обосновано увеличение скосрости потока в зоне буста.

В общем, предлагаю обсудить.

PS. я тестировал только ямки сферической геометрии. Можно использовать треугольники, шестиугольники итд...

[extrimer]

а как их делать конструктивно?

[ШВЕД]

элементарно в 3 шага:
(1) делается болванка внутреннего пространства (труба с горбиками) из любого легкоразрушаемого материала
(2) сверху обклеивается композитным материалом (стекло, уголь итд)
(3) удаляется болванка

[Parus]

ШВЕД, Сделать можно и из алюминия, прессом на листе выдавить ямки и потом свернув лист в трубку - сварить.
Форма ямок я думаю не обязательно круг, в случае с мячиком такая идея лучшая так как шарик может вращаться при полете в любом направлении и лететь любой стороной. У нас же поток идет в одну сторону...Уверен что существует форма более оптимальная, но это уже к аэродинамщикам, тут я ламер.


Но! Если к примеру взять не прямую трубу а поворот, то тут ситуация интереснее! Ямки работают как создатели вакуума и изменяют направление потока и на повороте находясь на внутреннем радиусе трубы они будут очень хорошо помогать повернуть поток без трения о поверхность трубы, в то время как те что будут по внешнему радиусу будут поток тормозить. итог только повнутренней части поворота нужны ямки. Вот вам и патент))))

[neo]

ШВЕД, измерь 90градусный гиб с ямками , я думаю расстроишься

[ШВЕД]

Parus, neo:
спасибо за советы. попробую построить такие модели и если получится то результаты выложу.
для начала же хочу попробовать не сферы а другие тела попробовать на прямой трубе. постараюсь быстро это сделать

[-Coach]

Думаю . И вот , что мне кажется , что данное усовершенствование приемлемо более для движущихся в газе тел в ,образно, бесконечность . Наш же поток , представим , что он действительно идёт по прямой , а не в гибах нашего пайпинга/ радиатора , имеет конечную станцию , а.и. депо/коллектор где он и складируется/распределяется по горшкам , и где его постоянно достаточно , учитывая правильный рессивер . Увеличим мы поток и куда он в итоге денется ? Да и вот , что измерения проводились на 3х метровой трубе , в действительности , что мы имеем , несколько коротких отрезков , думаю ,по законам , разницей можно пренебречь . ИМХО

[ШВЕД]

(1) Шестигранники после турбоямы показывают несколько лучший результат нежели сферы:



(2) Coach:
Со многим согласен. Но чтобы начать считать поток учитывая весь маршрут с прямыми, поворотами, силиконами итд нужно для начала убедиться на элементарных вещах в том что данный принцип применим. иначе есть риск потратить кучу времени на вычисления впустую.

что касается конструктива по твоему посту:
тут исходя из цифр можно говорит о 2 фазах: (а) турбояма и (б) буст.
с [б] все понятно - дроссель полностью открыт и все что есть от улитки до дросселя идет во впуск.
с [а] можно рассуждать так:
это либо состояние неполного открытия дросселя (=грубо говоря тошним в пробке)... в этом случае нам плевать на наполнение цилиндров.
и второе состояние - это дроссель открыт полностью но мы стартуем с холостых. в этом случае эффективность наполнения играет важную роль.

таким образом для меня остается только один вопрос: стоит ли жертвовать (пусть и жертвы копеечные) скоростью потока в турбояме ради разгона потока в стадии буста....

в то же время стоит иметь в виду что после дросселя поток будет разгоняться дудками (при условии что они имеются и они правильные).

[-Coach]

Ну ладно , заверну по другому . Если мы отталкивались от формы мяча , то для него действительно лучшей поверхностью является описанная . А если взять эталон - каплю , а у неё поверхность идеально ровная . Ещё раз думаю , что тебе надо идти не от поверхности , а от формы . Тогда надо делать прямый в ямку , а гибы гладкими . И в идеале свести пайпинг к нулю прикрутив интеркуллер над в/ коллектором , устроив его теплоизоляцию и забор воздуха на него , а это уже не ново . А тут и ямки не нужны . Пишу и думаю , что уже не о том , но не писать тоже никак , уж больно интересная темка

[ШВЕД]

ну у капли ровная поверхность из-за действия нескольких сил:
(1) гравитации (2) лобового сопротивления газовой среды и (3) поверхностного натяжения жидкости капли
если мы говорим о воде то тут главная сила наверное - поверхностное натяжение.
и вообще это отдельный тип задач гидродинамики - "внешняя задача".

у нас же "внутренняя задача" - газ идет внутри трубы. тут будут взаимодействовать граничные слои "газ/стенка" и слои внутри потока "газ/газ".

Сообщение от -Coach

И в идеале свести пайпинг к нулю прикрутив интеркуллер над в/ коллектором , устроив его теплоизоляцию и забор воздуха на него , а это уже не ново . А тут и ямки не нужны

а вот с этим сразу я не готов согласиться. почему ты уверен что это идеал?
сведение длины труб конечно пойдет на пользу тк не будет потерь на трение.
но с другой стороны если ямки создадут завихрения которые будут способствовать более быстрому течению "внутренних" (ближе к центру потока) слоев - мы сможем увеличить скорость потока в целом. а в этом случае отказ от такой трубы уже не будет идеальным...
интересно кто-либо озадачивался такой конструкцией....

[uhoplan]

а можно смоделировать трубу с заданной шероховатостью поверхности?
просто поверхность пайпинга внутри далека от идеальной
поэтому о ламинарных потоках там можно не думать
какие параметры входящего потока в проге?

[ШВЕД]

можно и шероховатость и температуру и теплопроводность и еще есть настройки.
только с шероховатостью никада не работал и не знаю что за параметры там (в чем и как измеряется). не вникал еще просто.
PS. софт: Flow Simulation 2010 для Солида.

[-Coach]

а вот с этим сразу я не готов согласиться. почему ты уверен что это идеал?
сведение длины труб конечно пойдет на пользу тк не будет потерь на трение.

Ну от чего же , ты не согласен ? Ты всей своей идей хочешь свести к нулю турбояму , а что она есть по сути , задержка во времени пока турбина закачает избыток во весь объём пайпинга, коллектора, интеркуллера....
И трение тут дело десятое А главное уменьшений того обЪёма .
Ничего не имею против твоего ноу хау , считаю , что для прокачки газа Уренгой-Помары-Ужгород это высший пилотаж , но у нас под капотом , я уже повторяюсь.....

[Parus]

ШВЕД, Подумал вот еще над чем... Должна быть разница для потока от глубины этих ямок. Чем глубже тем больше эффект, но до определенного размера. Но тут снова все же возвращаеся к поворотам, так как именно в них мы имеем самые большие потери.

[-Coach]

ШВЕД, Да по форме ты меня не понял , капля это только пример , я же о том , что для разной формы нужна своя поверхность .