柴油机初次雾化及ELSA喷雾模型的研究

摘要

柴油机喷雾雾化特性是影响缸内燃烧品质的重要因素。一般燃油的喷射雾化过程分为三个阶段，液体在喷嘴内部流动阶段，液体喷出后由液柱分裂为雾滴的阶段以及雾滴在气体中进一步破碎阶段。柴油机的喷雾雾化则包括近喷嘴区域的初次雾化过程和随后的二次雾化过程。长期以来，很多学者对燃油喷雾场进行了大量的试验和数值模拟研究，但由于喷雾雾化问题本身的复杂性，人们对雾化机理的认识至今仍缺乏全面的理解，特别是近喷嘴区域，由于喷雾稠密对光线的反射作用，难以获得准确的实验数据和信息，使得喷雾近场特性未得到很好了解，这极大阻碍了对雾化产生及雾化初期发展的研究，进而制约了对柴油机喷雾特性的准确描述。
　　 本文在回顾柴油机喷雾雾化研究概况基础上，重点针对雾化模型，耦合喷嘴内部流动的初次雾化过程和欧拉-拉格朗日喷雾模拟方法开展了研究。首先，对不同的喷雾初次破碎模型进行了分析和对比研究;并将初次雾化问题的研究范围拓展到喷雾上游区域——喷嘴内部流动，建立了较为准确的喷嘴内部流动CFD模型，将其耦合进喷雾模拟中，为喷雾模拟提供比较准确详实的边界条件和初始条件;提出一种ELSA(EulerLagrangianSprayandAtomization)欧拉-拉格朗日实时耦合的喷雾模拟方法，通过ACCI(AVLCodeCouplingInterface)方法实现了近喷孔区喷雾近场欧拉喷雾模型与喷雾远场拉格朗日DDM离散液滴喷雾模型的耦合。并最后将喷嘴内部流动耦合进ELSA喷雾模型中，建立起ELSA+noz新的喷雾模型。基于美国Sandia国家实验室的定容弹模型实验数据，对本文所建的ELSA+noz喷雾模型完成了准确性和可靠性的试验验证。本文也初步探索了该ELSA喷雾模拟方法在真实发动机喷雾燃烧模拟中的应用。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 引言

1．2 喷雾的试验研究

1．3 喷雾的数值模拟研究现状

1．3．1 燃油雾化机理

1．3．2 燃油喷雾模型研究

1．3．3 耦合喷嘴内部流动的初次雾化研究

1．3．4 ELSA欧拉-拉格朗日耦合喷雾模拟研究

1．4 本文研究的主要内容

第二章 喷雾雾化的物理-数学模型

2．1 气相方程

2．1．1 气相质量方程

2．1．2 气相动量方程

2．1．3 气相能量方程

2．1．4 气体状态方程

2．1．5 湍流模型

2．2 液相方程

2．3 初次雾化模型(Primary Atomization)

2．4 二次雾化模型(Secondary Breakup)

2．4．1 TAB模型

2．4．2 WAVE模型

2．4．3 KH-RT模型

2．4．4 Huh-Gosman模型

第三章 喷雾雾化模型对初次雾化的影响

3．1 喷雾雾化模型

3．2 喷雾计算的网格依赖性研究

3．2．1 物理问题及网格模型生成

3．2．2 初始和边界条件

3．2．3 计算结果及分析

3．3 不同模型下的喷雾模拟结果验证及分析

3．4 本章小结

第四章 耦合喷嘴内流的喷雾模拟及试验验证

4．1 耦合喷嘴内部流动的喷雾模拟方法

4．2 物理模型

4．3 喷嘴内部空穴两相流动的三维数值模拟

4．3．1 喷嘴内部流动的CFD模型

4．3．2 喷嘴内部流动三维数值模拟结果分析

4．4 耦合喷嘴内空穴流动的喷雾三维数值模拟

4．4．1 定容弹网格模型的建立

4．4．2 耦合喷嘴内空穴流动的喷雾模拟结果及分析

4．5 本章小结

第五章 ELSA喷雾模型的研究

5．1 ACCI数据传输

5．2 ELSA方法喷雾数值模拟

5．2．1 喷雾模拟计算域及边界初始条件

5．2．2 欧拉-拉格朗日方法(ELSA)模拟结果及分析

5．3 ELSA喷雾模拟与传统喷雾模拟结果比较

5．4 耦合喷嘴内流的ELSA喷雾模拟研究

5．5 燃烧室中模型的验证

5．5．1 发动机物理模型

5．5．2 网格的生成及数学模型

5．6 本章小结

第六章 全文总结与工作展望

6．1 全文总结

6．2 工作展望

参考文献

致谢

附录 攻读硕士学位期间发表的论文