柴油机喷嘴内部空穴两相流动及其对喷雾影响的试验研究

摘要

柴油机的燃油喷雾混合作为的燃烧的边界条件之一，与燃烧过程的关系最为直接，对于柴油机的燃烧效率、动力性及排放性有决定性的影响。燃油喷雾的形成、雾化过程及雾化质量除了受喷雾与其周围空气摩擦的影响外，更受到喷嘴内部流动湍流和空穴的影响。其中，空穴现象成为把喷嘴内部流动和喷雾行为联系起来的一种关键因素。而喷嘴由于喷孔直径只有零点几毫米，喷射压力很高，通过喷孔的流速接近几百米/秒的数量级，喷油持续期又非常短，高的湍流强度以及气液两相流动的复杂性，使得对其内部空穴流动的影响机理不是很清楚。本文结合国内外研究现状，对不同几何结构、不同放大比例及不同燃油介质下喷嘴内部空穴流动及其对喷雾的影响进行了深入系统的试验研究，并基于此，建立起准确可靠的喷嘴内部空穴流动的三维数值计算模型。
　　 本文的主要内容和创新性研究成果如下:
　　 (1)搭建了喷嘴内部流动及喷雾的可视化试验台。首次深入系统地试验研究了不同针阀升程、不同长径比、不同倾角及不同压力室结构的喷嘴内部空穴流动特性，获得了最佳的几何结构喷嘴，试验中发现了迟滞现象。
　　 (2)首次通过试验对比分析了不同放大比例下喷嘴内部空穴流动特性。得出了不同放大比例喷嘴内部空穴形态、空穴初生以及水力柱塞流的差别。初步探究了柴油与生物柴油喷嘴内部空穴流动特性。
　　 (3)对比分析了单孔与多孔喷嘴内部空穴流动特性，考虑了多孔喷嘴内部流动外界大气压对喷孔内部流动的影响，得出了单孔喷嘴与多孔喷嘴内部空穴流动的相似点和不同点，为单孔喷嘴试验数据应用到多孔喷嘴上提供参考。
　　 (4)试验研究了喷嘴内部空穴流动对随后喷雾的影响，揭示了喷嘴内部空穴现象对喷雾雾化过程及喷雾锥角的影响机理。
　　 (5)基于试验，确定了最佳湍流模型，建立起喷嘴内部空穴流动的三维数值计算模型。数值模拟分析不同锥度喷嘴以及不同入口圆角半径喷嘴内部空穴流动，得出喷嘴设计中适当的喷孔锥度及入口圆角半径对获得良好喷雾特性的重要性。
　　 本研究为柴油机燃油喷射系统结构优化及喷雾性能改善提供了理论指导及丰富的第一手试验数据，为完善引入空穴湍流影响机理的喷雾初次雾化模型提供理论支撑，更为空穴这一特殊两相流问题的研究做出了贡献。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 研究背景及意义

1．2 喷嘴内部空穴现象

1．2．1 空穴现象的形成原理

1．2．2 空穴现象的比尺效应

1．2．3 影响空穴流动的主要因素

1．3 喷嘴内空穴流动试验研究

1．3．1 实际喷嘴内空穴流动的试验研究

1．3．2 比例放大喷嘴内空穴流动实验研究

1．4 喷嘴内空穴流动数值模拟研究

1．4．1 一维数值模拟的发展

1．4．2 多维数值模拟的发展

1．5 本文主要研究内容

第二章 喷嘴内流及喷雾可视化试验台的搭建

2．1 试验研究思路及目的

2．2 试验系统组成及原理

2．2．1 试验系统的工作原理

2．2．2 燃油供给系统

2．2．3 燃油喷射喷油器

2．2．4 数据及图像采集系统

2．3 试验台操作流程

2．4 试验台搭建过程中的关键问题

2．5 本章小结

第三章 喷嘴内部流动试验结果与分析

3．1 试验方案与相关参数描述

3．1．1 试验方案

3．1．2 喷嘴内空穴流动重要参数

3．2 不同几何结构喷嘴内部空穴流动试验研究

3．2．1 不同针阀升程下喷嘴内部流动分析

3．2．2 不同长径比下喷嘴内流动分析

3．2．3 不同压力室结构喷嘴内流动分析

3．2．4 不同倾角下喷嘴内流动分析

3．3 不同比例放大喷嘴内部空穴流动试验研究

3．4 不同介质喷嘴内空穴流动试验研究

3．5 不同喷孔数目喷嘴内部空穴流动分析

3．6 本章小结

第四章 喷嘴内部流动对喷雾的影响研究

4．1 不同针阀升程喷嘴内空穴流动对喷雾的影响

4．2 不同长径比喷嘴内部空穴流动对喷雾的影响

4．3 不同压力室形状喷嘴内部空穴流动对随后喷雾影响

4．4 不同倾角喷嘴内部空穴流动对喷雾的影响

4．5 不同放大倍数喷嘴内空穴流动对喷雾的影响

4．6 不同喷射介质喷嘴内部空穴流动对喷雾的影响

4．7 不同喷孔数目喷嘴内部空穴流动对喷雾的影响

4．8 本章小结

第五章 喷嘴内部流动数值模拟及试验验证

5．1 数学模型

5．1．1 单流体模型方程基本描述

5．1．2 湍流模型

5．2 比例放大喷嘴内空穴流动的三维数值模拟

5．2．1 计算网格和边界条件

5．2．2 方程的离散和求解过程

5．2．3 网格无关性分析

5．2．4 湍流模型的确定

5．2．5 模拟结果及试验验证

5．3 不同几何类型喷嘴内部流动数值模拟研究

5．3．1 不同类型喷孔内部流动数值模拟研究

5．3．2 不同喷孔入口圆角半径下喷嘴内流数值模拟

5．4 本章小结

第六章 全文总结与展望

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