doi: 10.52899/24141437_2026_01_123
УДК: 62-144.3

Влияние моделей турбулентности на точность расчёта термо- и газодинамических параметров воздушного потока в судовом двигателе

Галиев И. Р., Тхет Х. М.
Язык статьи:
Ссылка для цитирования: Галиев И.Р., Тхет Х.М. Влияние моделей турбулентности на точность расчёта термо- и газодинамических параметров воздушного потока в судовом двигателе // Труды Санкт-Петербургского государственного морского технического университета. 2026. Т. 5, № 1. С. 123–132. DOI: 10.52899/24141437_2026_01_123 EDN: JTRFXR

Аннотация

Актуальность. В настоящее время методы вычислительной гидродинамики активно используются при проектировании и оптимизации конструкции судовых двигателей. Представленный в статье анализ отечественных и зарубежных публикаций показал, что модели турбулентности могут существенно влиять на результаты расчёта термодинамических (давления и температуры) и газодинамических параметров (средней и пульсационной скорости) воздушного потока в цилиндре судового поршневого двигателя внутреннего сгорания. Поэтому выбор оптимальной модели турбулентности является важным этапом при численном моделировании. Цель. Численное исследование влияния моделей турбулентности на термодинамические и газодинамические характеристики воздушного потока в цилиндре судового поршневого двигателя внутреннего сгорания. Методы. Исследование выполнялось с применением методов вычислительной гидродинамики, реализованных в программном коде. Изучалось влияние наиболее распространённых в инженерной практике моделей турбулентности (k-ω SST, k-ε Standard, k-ε RNG и k-ε Realizable) на результаты численного моделирования. Результаты. Получены и проанализированы векторные поля средней и пульсационной скорости, значения давления, температуры и коэффициента наполнения цилиндра в зависимости от угла поворота коленчатого вала двигателя и модели турбулентности. Заключение. Установлено, что модель турбулентности k-ω SST обеспечивает наиболее точное определение газодинамических характеристик воздушного потока (средней и пульсационной скорости) в цилиндре судового двигателя. Подчёркивается, что все исследуемые в статье модели турбулентности позволяют выполнить расчёт термодинамических параметров потока в двигателе с высокой точностью. Сравнительный анализ расчётных и экспериментальных значений показал различие результатов менее чем на 3% для давления и менее чем на 6% для средней температуры в камере сгорания двигателя. Анализ коэффициента наполнения цилиндра двигателя выявил, что k-ω SST модель турбулентности обеспечивает наибольшую точность результатов расчёта – погрешность вычислений составила менее 4%. Для k-ε Standard, k-ε RNG и k-ε Realizable моделей турбулентности погрешность определения коэффициента наполнения равнялась 13%.  Ключевые слова: судовые поршневые двигатели; вычислительная гидродинамика; модели турбулентности; коэффициент наполнения; вихревое число; k-ω SST; k-ε Standard; k-ε RNG; k-ε Realizable.

Список литературы

1. Pan J., Ma J., Li J. Influence of Intake Port Structure on the Performance of a Spark-Ignited Natural Gas Engine. Energies. 2022. Vol. 15. № 22. 8545 p. URL:https://doi.org/10.3390/en15228545. doi: 10.3390/en15228545 EDN: SAJIAM
2. Abdulmouti H. Particle imaging velocimetry (PIV) technique: Principles and applications, review. Yanbu Journal of Engineering and Science. 2021. Vol. 6. № 1. Р. 35-65.
3. Mahboub B. Computational Fluid Dynamics — Analysis, Simulations, and Applications. 2024. 244 p. doi:10.5772/intechopen.1003390.
4. Галиев И.Р., Калинин Ф.П. Влияние формы впускного канала на характеристики процесса впуска воздуха в цилиндр судового двигателя. Труды СПбГМТУ. 2024. Вып. 4. С. 45–52. EDN: VZVHVX
5. Posch S., Gobnitzer C., Lang M., et al. Turbulent combustion modeling for internal combustion engine CFD: A review // Progress in Energy and Combustion Science. 2025. Vol. 106. Article 101200. URL: https:// doi.org/10.1016/j.pecs.2024.101200. doi: 10.1016/j.pecs.2024.101200 EDN: TRAYWL
6. Davidson L. An Introduction to Turbulence Models. Chalmers university of technology. 2022. 50 p. URL: https://cfd-sweden.se/lada/postscript_files/ kompendium_turb.pdf
7. Menter F.R., Kuntz M., Langtry R. Ten years of industrial experience with the SST turbulence model // Heat and Mass Transfer. 2003. № 4. Р. 8.
8. Johansson B., Olsson K. Combustion Chambers for Natural Gas SI Engines. Part I. Fluid Flow and Combustion. SAE Technical papers. 1995. № 950469. Pp. 1–12. doi: https://doi.org/10.4271/950469.
9. Галиев И.Р. Основы CFD-моделирования теплообмена при конструировании двигателей внутреннего сгорания. Санкт-Петербург: СПбГМТУ, 2024. 99 с. EDN: DQYXLF
10. Kaplan M. Numerical Investigation of the Effects of Intake Port Geometry on In-Cylinder Motion and Combustion in Diesel Engine // The International Journal of Engineering and Science (IJES). 2018. № 6. P. 16–26. doi: 10.9790/1813-0706021626
11. Галиев И.Р., Максимов Д.С. Влияние формы впускного клапана на характеристики воздушного вихря в цилиндре судового двигателя // Научно-технический сборник Российского морского регистра судоходства. 2024. № 76. С. 96-105.
12. Theodorakakos A. Numerical Simulation and Comparison of Different SteadyState Tumble Measuring Configurations for Internal Combustion Engines // Computation. 2024. № 12. P. 14. URL: https://doi.org/10.3390/computation12070138 (In Engl.) doi: 10.3390/computation12070138 EDN: BDKZUQ