柴油机喷嘴结构对喷雾特性的影响研究

摘要

柴油机作为热效率最高的动力机械，其在未来很长一段时间内将继续保持交通运输领域主要动力的地位，但其发展受到了不断强化的燃油经济性和有害排放限值法规的挑战。柴油机的燃油喷射及雾化混合对于燃烧乃至柴油机的性能具有决定性的影响。因此，长期以来，对燃油喷雾机理的探索一直为国内外研究者所重视，并针对这一主题进行了大量研究。但燃油喷射雾化由于问题本身的复杂性，至今许多机理尚未被全面揭示，如喷嘴结构对喷雾特性的影响。本文针对这个问题，系统地分析和总结了柴油机喷嘴内部空穴流动及喷雾流场相关的试验和数值模拟理论，并采用比例放大透明喷嘴内空穴湍流高速摄影、基于同步辐射X射线的喷嘴结构精确测试、喷雾流场的PDPA和PIV测试等可视化试验和三维CFD数值模拟研究相结合的方法，开展了喷嘴结构对其内部空穴流动特性及喷雾特性影响的研究。主要结论如下: (1)喷嘴内部空穴现象的发生与雷诺数没有直接的联系，而只与空穴数有关;随着喷孔直径的减小，空穴初生临界压力增加，小口径乃至原型喷嘴，其喷嘴内部较难出现空穴现象;柴油机喷嘴喷孔长径比和倾角以及针阀升程、压力室形状等几何结构因素都会影响其内部空穴流动特性;喷射燃料的物理特性对柴油机喷嘴空穴流动有重要影响，生物柴油比柴油更难出现空穴现象，生物柴油为获得良好雾化质量的喷射压力要高于柴油。 (2)基于多相流和气泡动力学理论，建立了喷嘴内空穴流动的三维数值计算模型，并结合比例放大透明喷嘴空穴流动可视化试验数据验证了该模型可以较为准确地模拟柴油机喷油嘴内空穴流动现象。对不同结构参数的喷嘴内部空穴流动特性进行了全面深入的数值模拟分析，分析了燃油喷射压力、喷射背压、喷孔直径、喷孔长度、喷孔入口圆角半径、喷孔倾斜角等几何特征参数、喷嘴不同压力室结构及针阀偏心等因素对喷嘴内部空穴流动的影响，发现喷孔入口保持锐边的喷嘴的喷雾特性要优于圆角喷孔入口的喷嘴，喷油压力的提高能很大程度上改善喷雾特性以及改进型喷嘴流动的综合特性好于VCO型和STD型喷嘴的结论。 (3)采用同步辐射X射线技术可以非破坏性地获取柴油机喷油器喷孔内部准确的三维几何结构，对某油嘴的实验发现，其各喷孔圆周方向分布基本均匀，进出口界面面积基本相等，喷孔界面未出现收缩和膨胀，存在的加工误差较小，但各个喷孔的长度并不相等，上下圆角半径也存在着较大区别;基于PDPA技术的喷雾高速摄影研究发现，豆油甲酯/0#柴油混合燃油的喷雾锥角存在“驼峰”变化现象，轴向速度是影响喷雾特性的关键因素，直接对液相贯穿距变化产生显著影响，也是影响径向速度的决定因素，二者变化趋势大致相同，轴向速度越大，相应的径向速度越大，表现出的喷雾锥角就越大;基于PIV技术的喷雾特性实验发现，燃油的喷射压力的提升有助于油滴与周围环境进行动量交换，在一定范围内燃油压力越高，油束动量越大，喷雾场内动量交换越广泛。 (4)建立了基于ELSA法的喷雾耦合模拟方法，在喷孔出口近场燃油稠密区采用Euler法计算，而远场喷雾则采用Lagrangian法计算，并耦合喷嘴内空穴流动的影响，得到更加准确的模拟结果。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 绪论

1．2 柴油机喷嘴内部流动研究进展

1．3 柴油机喷雾特性的研究进展

1．3．1 喷雾宏观特性

1．3．2 喷雾微观特性

1．4 喷嘴内部流动对喷雾特性影响的研究

1．5 本文主要研究内容

第二章 柴油机喷嘴内流及喷雾理论与模型

2．1 柴油机喷嘴内流基本理论

2．1．1 液体中气核运动的基本理论

2．1．2 柴油机喷嘴内部空穴相似准则分析

2．1．3 影响柴油机喷嘴空穴的主要因素

2．1．4 柴油机喷嘴空穴流动分析的基本参数

2．2 柴油机喷雾基本理论

2．2．1 液体燃料射流分裂的四种形态

2．2．2 柴油燃料喷射的雾化机理

2．3 柴油机喷雾的激光测试技术

2．4 柴油机喷雾的数值计算方法

2．4．1 柴油机喷雾模型的发展

2．4．2 喷雾过程的数学模型

2．5 本章小结

第三章 柴油机喷嘴内部流动的可视化试验与计算分析

3．1 放大比例的喷嘴内部流动可视化实验与分析

3．1．1 实验设备

3．1．2 实验方案

3．1．3 实验结果和讨论

3．2 喷嘴内部瞬态两相流动数学模型与验证

3．2．1 喷嘴内部瞬态两相流模型

3．2．2 比例放大喷嘴内部流动的三维数值模拟与验证

3．3 喷嘴结构及喷射参数对喷嘴内流特性的影响分析

3．3．1 不同喷嘴压力室形状喷嘴内部空穴流动的模拟分析

3．3．2 喷孔几何尺寸对空穴流动影响分析

3．3．3 针阀偏心时喷孔内部空穴流动分析

3．3．4 不同喷油压差下的空穴流动分析

3．4 本章小结

第四章 柴油机喷雾特性的实验研究

4．1 基于X射线技术的喷嘴几何参数精确结构的测试

4．1．1 测量装置

4．1．2 实验测试结果分析

4．2 某型喷嘴的喷雾特性高速摄影测试分析

4．2．1 测量装置

4．2．2 试验方案

4．2．3 实验结果与分析

4．3 某型喷嘴的喷雾速度场PIV测试研究

4．3．1 试验装置

4．3．2 试验方案

4．3．3 实验结果分析

4．4 本章小结

第五章 耦合喷嘴内流的喷雾数学模型与数值模拟

5．1 不同破碎模型对初次雾化的影响

5．1．1 初次雾化模型概述

5．1．2 喷雾计算的网格依赖性研究

5．1．3 不同模型下的喷雾模拟结果验证及分析

5．2 耦合喷嘴内流的喷雾模型

5．2．1 耦合方法

5．2．2 耦合喷嘴内空穴流动的喷雾模型

5．2．3 计算网格和设置

5．2．4 喷雾耦合模型的验证

5．2．5 耦合喷嘴内流的喷雾特性模拟

5．3 基于ELSA方法的喷雾耦合模拟

5．3．1 ACCI数据传输方法

5．3．3 ELSA法喷雾模拟结果及分析

5．3．2 喷雾模拟计算域及条件设置

5．3．4 ELSA喷雾模拟与传统喷雾模拟结果比较

5．3．5 耦合喷嘴内空穴流动的ELSA法喷雾模拟

5．4 本章小结

第六章 全文总结和展望

6．1 全文总结

6．2 工作展望

参考文献

致谢

在学期间发表的学术论文及其他科研成果