燃油喷射系统内部瞬态流动三维数值模拟及喷雾特性研究

摘要

柴油机的高压共轨电控喷射系统已成为在不降低各种工作性能的情况下能够使排放达标的最有效的技术之一。为适应日益苛刻的排放法规，满足节能降耗和车辆运行舒适性等多方面的要求，燃油喷射系统需不断进行改进和创新。柴油机燃油喷射系统的数值模拟是设计和改进燃油喷射系统的重要手段之一，也是最常用的方法。对共轨喷射系统的数值模拟研究主要集中于电磁阀的响应特性、ECU控制单元等方面，近些年来，研究重心才转移到具体的喷油嘴内部流动的模拟及与此过程有关的燃油雾化和喷雾特性的研究上来。 喷油系统喷嘴内部流动与之后的雾化是一个有机的统一体，所以有必要将它们结合起来加以研究。这一方面为喷雾模型提供更为真实的初始条件，另一方面也便于分析整个喷油系统对燃油喷雾过程和雾化的影响。 本文在回顾燃油喷射系统国内外发展现状，总结高压共轨式燃油喷射系统的优点，全面系统地阐述燃油喷射系统数值模拟的发展概况和未来发展趋势的基础上，对高压共轨燃油喷射系统内部流动进行了三维瞬态数值模拟，并以模拟结果作为初始条件，尝试性地研究了喷雾特性。主要工作包括： (1)对燃油喷射系统内部流动的计算模型及喷雾模型进行系统的研究和分析。 (2)运用STAR-CD动网格技术实现喷油器内部流动过程的三维运动网格。 (3)建立燃油喷射系统内部流动过程数学模型及喷雾模型，并进行三维数值动态模拟，获得了喷嘴内部的流动特性和燃油喷雾特性，同时进行了喷嘴内部流动特性和喷雾特性的变参数研究。 (4)运用柴油机喷雾燃烧过程多功能动态可视化实验装置，进行燃油喷射过程的动态拍摄，分析和处理相关的喷雾发展过程图，验证了喷嘴内部流动及喷雾特性数值模拟结果的可靠性。

目录

文摘

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第一章绪论

1.1引言

1.2柴油机燃油喷射系统的发展

1.2.1柴油机燃油喷射系统的主要发展阶段

1.2.2柴油机电控喷油系统的发展

1.3高压共轨电控喷射系统的发展潜力

1.4柴油机燃油喷射系统模拟计算的发展

1.5柴油机喷雾可视化的进展

1.6本论文研究的主要内容

第二章燃油喷射系统内部流动和喷雾的物理-数学模型

2.1基本物理-数学模型和分析

2.1.1高压共轨燃油喷射系统内部流动的基本物理-数学模型

2.1.2喷嘴喷孔内部多维流动数学模型

2.1.3燃油喷射系统喷雾的基本物理-数学模型

2.2数值计算方法

2.3燃油喷射系统数值模拟进一步的发展方向

第三章STAR-CD动态网格技术及喷油器内部区域计算网格的实现

3.1STAR-CD功能简介

3.2STAR-CD的基本组成部分

3.3STAR-CD动态网格的特征和形成

3.2.1STAR-CD动态网格的特征

3.2.2STAR-CD动态网格的形成

3.4STAR-CD在本课题运用的可行性研究

3.4.1国内外STAR-CD在柴油机方面的应用

3.4.2STAR-CD在本课题运用的可行性

3.5STAR-CD动态网格的实现和喷油器动态网格的生成

第四章燃油喷射器内部瞬态流动特性与喷雾过程的数值模拟

4.1求解区域模型的建立

4.1.1STD标准型喷嘴几何参数

4.1.2求解区域

4.1.3边界条件

4.1.4数学模型

4.1.5方程的求解方法及过程

4.2燃油喷油器内部瞬态流动特性数值模拟结果分析

4.2.1压力场的瞬态变化特性分析

4.2.2速度场的瞬态变化特性分析

4.3喷油器内部瞬态流动特性的变参数研究

4.3.1不同喷孔直径下的瞬态流动分析

4.3.2不同喷油压力下的瞬态流动分析

4.4瞬态喷雾特性的模拟研究

4.4.1喷雾过程的瞬态模拟结果分析

4.4.2不同共轨压力下喷雾贯穿距离的模拟分析

第五章柴油机喷雾发展过程的可视化试验验证

5.1柴油机喷雾燃烧过程多功能动态可视化实验装置的研制

5.1.1光学发动机的改装

5.1.2光学系统

5.1.3数据采集及控制系统

5.1.4试验装置的特点

5.2试验结果与对比分析

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

攻读学位期间发表的论文

附录