VYUŽITÍ METODY PIV PŘI VÝVOJI SPALOVACÍCH MOTORŮ Petr Hatschbach1
Abstract Principles of Particle Image Velocimetry (PIV) – the optical non-invasive flow measurement technique. Comparison with more known Laser Doppler Anemometry (LDA). Examples of possible applications for research in internal aerodynamics. Presentation of PIV system in Josef Božek Research Centrum.
Abstrakt Principy Particle Image Velocimetry (PIV) – optické neinvazivní metody měření rychlostního pole v tekutinách. Porovnání se známější metodou laserové dopplerovské anemometrie (LDA). Příklady možných využití při výzkumu vnitřní aerodynamiky spalovacího motoru. Představení aparatury PIV ve Výzkumném centru Josefa Božka.
Úvod Již řadu let je jedním z předních úkolů při vývoji spalovacích motorů optimalizace proudového pole ve válci, v sacích, případně i výfukových kanálech pístového spalovacího motoru. Klasické experimentální metody poskytují většinou pouze souhrnné charakteristiky (průtokový součinitel, vírová čísla, ...) ale nedávají žádné detailní kvantitativní informace o sledovaném proudovém poli. Tyto podrobné informace jsou však velmi cenné především pro porovnání s výsledky numerických simulací proudění a dalších termodynamických dějů. Naměřené hodnoty slouží též jako počáteční nebo okrajové podmínky pro tyto výpočty, resp. během výpočtu umožňují zpřesňování vypočítaných dat opravou naměřenými hodnotami (např. průběh kinetické energie turbulence v [1]). Špičková měření prováděná na protáčeném motoru nebo dokonce na motoru se spalováním vyžadují extrémní nároky na experimentální i měřící zařízení. Měření rychlostních polí musí probíhat za vysokých a rychle se měnících teplot, přičemž do měřicího prostoru mohou zasahovat pohybující se části motoru (píst, ventily,...). Velké uplatnění zde proto nacházejí neinvazivní optické metody pro měření rychlostí využívající výhodných vlastností laserového paprs1
Ing. Petr Hatschbach, CSc., Czech Technical University in Prague, Josef Božek Research Center, Technická 4, CZ-166 07 Praha 6, Czech Republik; tel.: +420 2 2435 2492, fax: +420 2 2435 2500, e-mail:
[email protected]
ku. Přibližně od počátku 80. let to je laserová dopplerovská anemometrie (LDA) a od 90. let pak také Particle Image Velocimetry (PIV) – žádný český ekvivalent se neujal. Vzhledem k tomu, že se výsledky měření oběmi metodami vhodně doplňují, často jsou na špičkových pracovištích používány současně.
Základní principy LDA a PIV Pro měření rychlosti proudu tekutiny je pro obě metody třeba zajistit dostatečné sycení proudu tzv. značkovacími částicemi. Rychlost tekutiny se měří právě prostřednictvím těchto částic. Pro vzduch se pro sycení vzduchu částicemi používají atomizéry silikonového oleje nebo vodního roztoku glycerinu, kondenzační generátory mlhy nebo kouře, zařízení pro rozptylování pevných částic oxidu titaničitého, nitridu bóru, atd. – velikost částic je řádově 1µm. LDA Laserová dopplerovská anemometrie vychází z principu Dopplerova jevu, zjednodušeně lze však její princip vyložit pomocí tzv. interferenčních proužků, vznikajících v místě průniku dvou laserových paprsků (měřicí objem) – obr. 1:
V⊥
Beam1
∆x
α λ
∆x =
λ 2 ⋅ sin α 2
Beam2
V⊥ = ∆x ⋅ f D
obr. 1 Vzdálenost proužků ∆x je úměrná vlnové délce světla λ podle vztahu na obr.1. Částice prolétávající měřicím objemem odráží světlo ve frekvenci fD přímo úměrné složce rychlosti kolmé k ose obou laserových paprsků V⊥ . Aparatura LDA měří frekvenci fD pro každou částici, která projde měřicím objemem, a jednotlivé naměřené rychlosti V⊥ se statisticky vyhodnocují. V případě dosta-
tečného sycení proudu lze dosáhnout takového počtu měření (data rate), že je možné vyhodnotit turbulentní složky fluktuačních rychlostí. LDA tedy poskytuje kompletní informaci o rychlosti měřené v malém objemu (závisí na optice, typicky průměr cca 0,15mm; délka cca 1,5mm); často se proto zjednodušeně mluví o bodovém měření. Podle použitého zařízení lze provádět měření jedné, dvou nebo i tří složek vektoru rychlosti současně. Lze měřit i rychlosti blízké nebo i rovné nule. PIV Metoda Particle Image Velocimetry je relativně nová měřicí metoda. Během 80. let dozrával její vývoj tak, že v roce 1988 firma TSI přišla s prvním komerčním zařízením pro měření metodou PIV. V současnosti patří spolu s firmou Dantec Dynamics k hlavním světovým výrobcům tohoto měřicího zařízení. Základní princip je patrný z obr.2: Pomocí laseru a optiky s válcovou čočkou se z laserového paprsku vytvoří rovinná osvětlená plocha, tzv. laserový nůž. Kolmo k rovině laserového nože je umístěna kamera, kterou jsou ve dvou krátce po sobě následujících okamžicích t1 a t2 (obvykle dané záblesky pulzního laseru) zachyceny polohy značkovacích částic. Z vyobr. 2 hodnocené vzdálenosti d, jakou částice urazí mezi dvěma časovými okamžiky t1 a t2 , je možné rychlost V vypočítat podle známého vztahu: V =
d . t 2 − t1
Měřením metodou PIV lze tedy získat obraz okamžitého rychlostního pole (2 složky rychlosti) v určité rovinné oblasti dané laserovým nožem. Stereoskopické varianty uspořádání PIV umožňují vyhodnotit v této rovinné oblasti i třetí složku rychlosti kolmou k měřicí rovině. Frekvence měření jednotlivých polí rychlosti je omezena možnostmi kamery, laseru nebo kapacitou vstupního bufferu PIV procesoru a může být max. 4-30 Hz (podle způsobu měření).
Uspořádání experimentu Při měření úloh vnitřní aerodynamiky metodou PIV je třeba zajistit poměrně rozsáhlý optický přístup k místu měření: úzkou štěrbinu (alespoň 5 mm) pro vstup laserového nože a obdélníkový průhled pro kameru. Pro získání kvalitních výsledků je třeba používat optická skla a u ostatních okolních povrchů provést úpravy snižující jejich odrazivost. Měření přímo na motoru vyžaduje použití speciálně upravených tzv. „optických“ motorů – obr. 3. Válec a píst jsou prodlouženy, aby bylo možné přes zrcadlo a průhled ve dnu pístu přivádět do spalovacího prostoru světlo laserového nože nebo naopak snímat CCD kamerou v případě laserového nože vedeného kolmo k ose válce. Při měření je třeba přistoupit na některé kompromisní úpravy (snížení kompresního poměru, úpravy tvaru spalovacího prostoru s ohledem na skleněné průhledy atd.).
obr. 3
Vývoj PIV a její aplikace ve výzkumu spalovacích motorů Přestože je princip PIV velmi prostý, konkrétní uspořádání měření, skladby aparatury a způsoby vyhodnocování byly různé a obvykle velmi náročné a komplikované. V 80. letech byla často používána metoda Particle Tracking Velocimetry (PTV), při které se používá menší koncentrace obvykle větších značkovacích částic takže lze bezpečně určit dvojice obrazů částic na jednom záznamu. Např. autoři práce [2] prováděli na protáčeném motoru (D/Z = 83/90 mm) ověřování tří variant 4ventilové hlavy. Byla pouobr. 4
žita netypická aparatura podle obr. 4 s kontinuálním argonovým laserem, u kterého byla pomocí akustooptického modulátoru vytvořena série 4 pulzů (třetí byl delší pro možnost detekce orientace směru proudění). Jako značkovací částice vzduchu byly použity speciální polystyrénové duté mikrobalóny o typickém průměru 40µm. Proměřovány byly roviny procházející osou válce, ve kterých byl patrný tumble - vírový útvar charakteristický pro 4-ventilové hlavy. Dalším historickým uspořádáním experimentu bylo zařízení PTV, ve kterém byl vzduch nahrazen vodou při podmínce Re=konst. – [3]. Výhodná je možnost měření nižších rychlostí na vodě pro kterou lze použít výrazně opticky „výkonnějších“ značkovacích částic. Nevýhodou je nemožnost měření v kompresní a expanzní části zdvihu. Válec i píst byly vyrobeny z plexiskla, jako značkovací částice byly použity polystyrénové kuličky o průměru 0,5 mm. Úkolem měření bylo z naměřených rychlostních polí stanovit vírová čísla pro swirl i tumble a pro různé varianty hlav motorů ověřit závislost těchto vírových čísel na parametrech hoření skutečného motoru. Z aplikací klasického PIV (tj. s takovou hustotou částic, že často dochází k překrytí obrazů částic, a k vyhodnocení je třeba užít korelační metody) je možné uvést např. práci [4] z roku 1990, ve které je popsáno jedno z prvních úspěšných měření provedených na motoru se spalováním při 600 ot/min. Kvůli omezení znečišťování optických průhledů bylo spalování zapnutou pouze v každém dvacátém cyklu. Obraz částic byl snímán ještě pomocí fotoaparátu. Jako značkovací částice byl použit nitrid boru o rozměrech 0,3 - 0,7 mm. Vyhodnocení bylo prováděno s ohledem na kvantifikování vírových struktur o měřítku daném roztečí sítě vyhodnocovaných vektorů rychlosti (1,4 mm). V současné době se využívání metody PIV pro měření rychlostních polí stále zvyšuje. Hlavním důvodem pro zpřístupnění metody PIV pro běžné použití se stal mohutný pokrok v těchto oblastech: -
počítačová technika - umožňující zpracování obrovského množství dat a komfortní nastavování a ovládání celého experimentu,
-
pulzní lasery – speciální lasery pro PIV, zvyšování výkonu, snižování rozměrů a ceny,
-
CCD kamery - speciální kamery pro PIV s maticí světlocitlivých buněk kombinovanou s maticí paměťových buněk, do které lze přesunout první snímek a druhý snímek tak udělat v krátkém časovém odstupu (cca 1µs). Tyto kamery zaznamenají obě polohy částic na samostatné záznamy a proto umožňují správné měření zpětného proudění a nulových rychlostí. Při použití klasických CCD kamer nebo fotoaparátu jsou obě polohy částic zazna-
menány na jeden snímek a bez použití speciálních postupů (viz. např. [2]) nelze orientaci směru rychlosti určit.
PIV ve Výzkumném centru Josefa Božka V lednu 2001 byla na strojní fakultu ČVUT v Praze dodána aparatura PIV od firmy Dantec Dynamics, zakoupená s výrazným podílem prostředků Výzkumného centra spalovacích motorů a automobilů Josefa Božka. Aparatura PIV svými parametry umožňuje měření dvourozměrného rychlostního pole v proudících kapalinách i plynech. Skládá se z těchto komponent: -
pulzní Nd-YAG laser New Wave Gemini 15 Hz PIV, 120mJ
-
CCD kamera Dantec HiSense PIV-PLIF 1280x1024 pixel
-
PIV procesor Dantec FlowMap 1500, 1 GB vstupní buffer, software FlowManager 3.50
-
generátor dýmu Safex
V současné době jsou prováděny ověřovací experimenty s cílem seznámení se s obsluhou aparatury a zároveň jsou připravovány první experimenty podle plánu prací Výzkumného centra Josefa Božka. V oblasti vnější aerodynamiky to je obtékání modelu nákladního automobilu a pro vnitřní aerodynamiku je připravováno proměřování rychlostního pole ve válci spalovacího motoru při profukovací zkoušce hlavy motoru.
Závěr Metoda PIV spolu s LDA a drátkovou anemometrií (HWA) patří k základním experimentálním metodám, které umožňují získat detailní informace o rychlostním poli důležité pro srovnání s podobně detailními výsledky numerických simulací. Pro názornost je důležité, že výsledkem měření je narozdíl od LDA nebo HWA celé pole okamžitých rychlostí, které navíc současné PIV aparatury sledovat prakticky on-line. Ověřování a zpřesňování výsledků numerických simulací proudění je jednou z hlavních oblastí využití PIV při vývoji nových variant konstrukcí spalovacích motorů. PIV umožňující získat kvantitativní údaje o rychlosti představuje renesanci názorných vizualizačních metod, které však poskytovaly pouze kvalitativní pohled na proudové pole.
Literatura: [1] Hascher, H.G. – Jaffri, K. –Novak, M. – Lee, K. – Schock, H. – Bonne, M. – Keller, P. : An Evaluation of Turbulent Kinetic Energy for the In-Cylinder Flow of Four-Valve 3.5L SI Engine Using 3-D LDV Measurements, SAE 970793,1997 [2] Rönnbäck, M. – Le, W.X. – Linna, J.R.: Study of Induction Tumble by Particle Tracking Velocimetry in a 4-Valve Engine, SAE 912376 [3] Kent, J.C. – Mikulec, A. – Rimal, L. – Adamczyk, A.A. – Mueller, S.R. – Stein, R.A. – Warren, C.C.: Observations on the Effects of Intake Generated Swirl and Tumble on Combustion Duration, SAE 892096, 1989 [4] Reuss, D.L. – Bardsley, M. – Felton, P.G. – Landreth, C.C. – Adrian, R.J. : Velocity, Vorticity, and Strain-Rate Ahead of a Flame Measured in an Engine Using Particle Image Velocimetry, SAE 900053, 1990 ®
th
[5] Flowmap Particle Image Velocimetry Instrumentation, Installation & User’s Guide, 5 Edition, Dantec MT, 2000 [6] různé materiály firem Dantec Dynamics a TSI
Poděkování Tento příspěvek byl podpořen Výzkumným centrem spalovacích motorů a automobilů Josefa Božka LN00B073.
