喷孔内空穴流动的数值模拟与试验研究

摘要

当前，大多数燃用液态燃料的发动机（柴油机以及部分应用了GDI（缸内直喷）技术的汽油机），其混合气的形成都采用了喷雾混合方式。燃油的破碎雾化效果对发动机的工作性能和废气排放有着直接影响。因此，燃料雾化质量的好坏对发动机高效、低污染燃烧能否实现起着决定性的作用。影响燃油雾化的因素有很多，其中，喷嘴内部流动中存在的空穴和湍流流动被认为是最重要的因素之一。由于实际喷孔的长度及孔径小，喷孔内燃油高流速、高湍动等特性，许多空穴与雾化的机理未得到完全揭示。
　　本文在综合国内外研究的基础上，对喷嘴内部空穴流动进行了系统的理论和试验研究。论文首先搭建了一套延时时间精确可控的可视化试验台架，通过加工实际尺寸的透明喷嘴，对不同喷射压力、不同结构参数的喷孔以及不同喷射燃料条件下喷孔内的空穴流动与喷孔外的喷雾特性进行了系统的试验研究。其次，在试验基础上构建了较为准确的数学模型，基于此模型对锥型喷孔和胀缩型喷孔进行了数值模拟。主要结论如下：
　　（1）自行设计搭建了一套用于观察喷孔内燃油流动及孔外雾化的可视化试验台架。利用MATLAB软件编程，完成对喷雾图像的数字化处理工作。
　　（2）某些时刻孔外喷雾的会产生特殊的现象，经分析是上一喷油循环残留在喷孔内的“初始气泡”与涡环运动产生的滑流作用共同作用的结果；将喷孔由压力室球弧位置上移至圆柱壁面位置，空穴初生位置发生改变，在入口的下拐角出产生并沿下壁面发展。
　　（3）喷射压力、喷孔的长径比以及燃料的物性参数会对空穴流动与喷雾形态产生一定的影响，适当提高喷射压力、减小长径比以及高饱和蒸气压的燃料可有效促进喷孔内空穴的发展，进而更好地促进燃料喷雾的扩散与发展，使喷雾分布到更广的空间。
　　（4）在上述试验基础之上，论文利用PROE、ICEM软件建立喷嘴模型，在OpenFOAM中构建LES-VOF数学模型，经与试验结果对比，验证了模型的准确性，并基于此模型计算分析了锥型喷孔与胀缩型喷孔内外的燃油流动情况，结果表明：渐扩型喷孔的雾化效果最好，渐缩型喷孔的雾化效果最差。椭圆型喷孔与双曲线型喷孔各有利弊，根据不同的情况适当选取合适的形状才会改善燃油的雾化。
　　论文通过详细考察喷孔结构参数、喷射压力以及燃料理化特性等因素对空穴湍流流动及喷雾特性的影响，深入分析了喷孔内空穴流动的产生及发展机理，为空穴与初次雾化理论的完善提供了依据。

目录

声明

第1章 引言

1.1 选题背景及课题来源

1.2 喷油器喷孔内流动的研究概况

1.3 喷雾特性的研究概况

1.4 本文主要研究内容

第2章 可视化试验台架的搭建

2.1 试验研究思路与目的

2.2 试验台架组成

2.3 试验台架搭建过程中的关键问题

2.4 本章小结

第3章 试验方案与图像处理方法

3.1 试验方案、试验方法与参数定义

3.2 图像处理方法

3.3 本章小结

第4章 试验结果与分析

4.1 喷孔内燃油流动及孔外喷雾形态

4.2 喷射压力对空穴流动与喷雾特性的影响

4.3 喷孔结构参数对空穴流动与喷雾特性的影响

4.4 喷射燃料对空穴流动与喷雾特性的影响

4.5 本章小结

第5章 喷孔内外燃油流动数值模拟

5.1 数学模型

5.2 实际尺寸喷孔内空穴流动的数值模拟

5.3 锥型喷孔空穴现象的数值模拟

5.4 胀缩型喷孔空穴现象的数值模拟

5.5 本章小结

第6章 结论与展望

6.1 研究总结

6.2 研究展望

致谢

参考文献

攻读硕士学位期间获得与论文相关的科研成果