基于LES的柴油机喷嘴内部空化及射流雾化的数值模拟研究

摘要

为满足柴油机更为高效清洁的燃烧要求，燃油系统呈现出向高喷射压力和微孔喷射的发展趋势。高压、微细喷孔条件下，喷孔内部空化流动及射流雾化机理将更为复杂多变。大涡模拟方法（Large Eddy Simulation，LES）的应用可以对非定常尺度涡的瞬变特性做出更准确预测。因此采用LES方法研究喷孔内部空化效应及其对射流雾化过程的影响机理，探索强化雾化及混合的方法，将对柴油喷射系统的发展和混合过程的控制方法产生重要的影响。
　　首先，针对高压、微孔喷射条件下喷孔内部湍流的不规则性更加凸显的特点，建立基于壁面自适应局部涡粘模型(Wall-Adapting Local Eddy-Viscosity Model，WALE)的LES湍流模拟方法。采用变尺度网格对喷嘴模型进行网格划分，以取得数值求解精度与LES所需计算能力的折衷。在对数学模型进行标定的基础上，对单孔喷嘴内部的三维流场进行全面的数值求解。结果表明，高压、微细喷孔条件下，喷孔内的空化及湍流脉动的瞬变效应加剧，尤其是空化气泡在极短的时间尺度内经历了初生、成长、溃灭和中止。当喷射压力由120MPa增加到180MPa时，喷孔出口质量流量提高了24.92％。在Δp=180MPa时，当空化数CN由1.05降低到1时，喷孔流量系数降低了14.28％。Pinj=180MPa，Pout=5MPa的喷射条件下，在喷孔出口近壁面处靠近空化气泡消失的区域，出现了局部回流现象。高压、微尺度喷射条件下(Pij=180MPa、D=0.12mm)，当喷孔K系数由0增大至2时，即喷孔形状由圆柱形逐渐转变为锥形时，喷孔流量系数提高了12.65％。
　　选取喷孔出口流动特性参数作为喷雾初次雾化的边界条件，实现喷嘴上游空化与下游雾化的有效耦合。建立兼顾液滴破碎、碰撞聚合以及曳力扰动等行为的二次雾化模型。基于网格无关性检验结果，详细研究了高压、微孔喷射条件下的喷嘴射流雾化机理。研究发现，高压微孔喷射条件下（Pij=180MPa、 D=0.12mm）油滴的破碎速率明显加快，较喷射压力为120MPa，喷孔出口直径为0.16mm的喷射条件，其索特平均直径降低了25.53％。喷雾初期各计算方案下贯穿距离与时间成正比例函数，在到达一定值后贯穿距离的增长趋势变缓，与时间类似成幂函数的关系。
　　基于EFS8400喷雾试验台架，搭建了射流雾化可视化测试平台。利用试验结果对喷雾模型的有效性进行了验证，将数值模拟和试验相结合，进一步系统地分析了高压、微细喷孔喷射条件下的燃油雾化机理。结果表明，提高喷射压力和减小孔径均能使液滴破碎情况得到改善。背压对喷雾场的宏观特性参数影响显著，当背压由1MPa提高到5MPa时，喷雾贯穿距离减小了41.67％，喷雾锥角则由原来的14°增加到24°。采用收敛形喷嘴的喷雾贯穿距离更远而雾化效果不佳，因此需要进一步协同优化高压微孔喷射参数，从而促进燃油雾化。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 引言

1．2 柴油机喷孔内部空化现象及研究现状

1．2．1 喷孔内部空化现象的形成机理

1．2．2 柴油机喷孔内部空化现象的研究概况

1．3 喷嘴射流雾化研究现状

1．4 湍流的数值模拟方法研究现状

1．4．1 湍流的数值模拟方法简介

1．4．2 大涡模拟方法可行性及挑战

1．5 本文的主要研究内容

第二章 喷孔内部空化流动的数值模拟研究

2．1 空化数学模型的建立

2．1．1 多相流模型

2．1．2 Schnerr-Sauer空化模型

2．1．3 WALE亚格子尺度模型

2．1．4 流场计算方法

2．2 空化模型的验证

2．2．1 几何模型及网格划分

2．2．2 结果分析

2．3 喷孔内部空化流动CFD模拟

2．3．1 几何模型及数值解法

2．3．2 无量纲参数定义

2．3．3 数值模拟结果分析

2．4 本章小结

第三章 喷嘴射流雾化的数值模拟研究

3．1 喷嘴射流雾化建模

3．1．1 离散相模型

3．1．2 初次雾化模型

3．1．3 二次雾化模型

3．1．4 几何模型及网格划分

3．1．5 数值解法

3．2 喷嘴射流雾化的数值模拟

3．2．1 喷射压力对喷雾的影响分析

3．2．2 背压对喷雾的影响分析

3．2．3 喷孔出口直径对喷雾的影响分析

3．2．4 喷孔k系数对喷雾的影响分析

3．3 本章小结

第四章 喷嘴射流雾化过程的试验研究及模型验证

4．1 喷雾可视化测试平台

4．2 参数定义

4．3 试验结果与分析

4．4 本章小结

第五章 总结与展望

5．1 总结

5．2 展望

参考文献

致谢

攻读硕士期间发表的论文