柴油机喷孔双层交错布置喷嘴内部流动特性研究

摘要

全世界范围内能源需求告急以及日趋严厉的排放法规都对柴油机的发展提出了严峻考验。喷油嘴是柴油机喷油系统中的重要部件，喷雾雾化受喷嘴内流过程中出现的空穴现象和湍流效应的重要影响，而燃油的喷雾特性及其雾化效果直接影响了燃料的燃烧特性，进而对柴油机的动力特性、经济特性及排放特性产生影响。目前对柴油机喷嘴内流特性的研究越来越多，但对于喷孔采用上下两层交错布置方式的喷油嘴的研究相对较少。但这种结构的喷嘴可以通过改进其几何结构来达到改善喷孔内流特性及改善喷雾雾化的目的。为此本文深入研究探讨了喷孔上下两层交错布置的喷油嘴内流体的流动特性，为后续喷嘴结构的优化提供理论参考和相关数据，主要的研究内容和创新点有：
　　(1)采用同步辐射X射线技术对所研究喷孔进行了三维CT扫描，获得了喷嘴的高精度三维图像，在此基础上测得喷嘴的喷孔直径等相关结构参数;利用三维制图软件UG建立该喷嘴的几何模型;对模型进行网格划分，同时进行网格无关性验证，并确立合适的计算网格数，最终选取24万左右的网格总数进行计算研究。
　　(2)分析喷嘴内无空穴流动状态下存在的几种局部阻力损失、流体流通面积特性以及流体的流动特性。在AVL FIRE软件下建模，运用三维多相流模型模拟分析了新型喷油嘴—上下层交错布置的八喷孔喷油嘴内的气液两相流动;分析了计算模型选择的依据，建立了计算模型中的各种计算方程和控制方程，并将数值计算结果与可视化试验结果对比，验证了计算模型的准确性。
　　(3)运用动网格模拟技术，获得了喷孔双层交错喷嘴内部流体流动的详细的瞬态信息。深入研究了燃油喷射参数和喷嘴几何参数对喷孔内流的影响，其中喷射参数包括喷油压力、环境背压以及燃油性质，几何参数包括上下层喷孔的位置、喷孔的锥度系数、喷孔的入口圆角半径比、喷孔的倾角以及喷孔的长径比。
　　(4)研究结果表明：燃油喷雾的喷射参数及喷嘴的几何参数对喷孔内流都存在着较大影响，这种影响可以改善喷孔内流特性并促进喷雾雾化，为合理的选择喷射参数和合理的设计喷嘴几何参数提供理论依据。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 课题研究背景

1．2 空穴现象的形成机理分析

1．3 喷嘴内空穴流动相似性分析

1．4 柴油机喷嘴内部流动特性研究进展

1．4．1 喷嘴内部流体流动数值模拟研究的发展现状

1．4．2 喷嘴内流的试验研究发展现状

1．5 喷孔结构对内部流动影响的研究现状

1．6 本文主要研究的内容

第二章 喷孔双层交错布置喷嘴的几何模型

2．1 基于X射线相衬成像技术对喷嘴内部结构的测试

2．1．1 同步辐射X射线测试设备

2．1．2 X射线的相衬成像原理

2．1．3 测试结果

2．2 模拟喷嘴的几何模型、网格划分和网格无关性验证

2．2．1 喷孔双层交错布置喷嘴的几何模型

2．2．2 网格划分及网格无关性验证

2．3 本章小结

第三章 喷孔双层交错布置喷嘴内部流动数学模型

3．1 喷嘴内部无空穴流动分析

3．2 喷嘴内部气液两相流动模型的分析

3．2．1 一维模型

3．2．2 多维模型

3．2．3 模型的选择

3．3 喷嘴内部两相流动数学模型建立

3．3．1 双流体模型基本方程

3．3．2 湍流模型

3．3．3 相间质量传输模型

3．3．4 相间动量传输模型

3．4 数学模型的验证

3．5 本章小结

第四章 喷射参数对喷嘴内部流动状态的影响

4．1 动态喷射过程中双层多喷孔喷嘴内部流动特性分析

4．2 喷射参数对空穴两相流动影响的模拟结果与分析

4．2．1 喷油压力的影响

4．2．2 喷射背压的影响

4．2．3 燃油性质的影响

4．3 本章小结

第五章 喷嘴几何参数对喷嘴内部流动状态的影响

5．1 计算工况

5．2 几何参数对空穴两相流动影响的模拟结果与分析

5．2．1 上下层喷孔位置的影响

5．2．2 喷孔锥度系数的影响

5．2．3 喷孔的入口圆角半径比影响

5．2．4 喷孔倾角的影响

5．2．5 喷孔长径比的影响

5．3 本章小结

第六章 总结与展望

6．1 总结

6．2 展望

参考文献

致谢

攻读硕士学位期间发表的论文