船用柴油机喷嘴内空化流动及燃油雾化机理研究

摘要

船用柴油机由于其功率大被广泛地应用于大型船舶上。喷雾特性是影响船用柴油机缸内燃烧的重要因素，而在喷雾上游，喷油器内空化现象又直接影响其喷雾特性，因此为了改善喷油器雾化质量以提高船用柴油机的动力性、经济性和排放特性，就必须对空化流动及燃油雾化机理有非常清楚的认识。
　　目前，针对空化及雾化机理的研究大都集中于普通的柴油机，而对于大功率船用柴油机的研究较少。由于船用柴油机喷油器相对于普通柴油机有着较大的喷孔直径、较高的缸内环境压力以及较长的喷射时间，而这些因素对喷雾特性影响较大，因此针对船用喷油器研究具有重要意义。
　　本文以理论分析为基础，采用数值模拟的方法，对喷油器喷嘴内部空化流动及燃油雾化机理进行分析，并与试验结果对比来验证数值模拟结果的正确性，具体工作与成果如下：
　　首先对船用喷油器进行三维建模，并对其进行网格划分。建立柴油液体-柴油蒸汽两相空化模型，并结合单气泡动力学对船用柴油机喷油器内空化流动进行数值模拟。基于快速傅立叶变化对数值模拟结果进行分析。结果表面：随着喷射压力增大，喷嘴内压力波动越剧烈，且沿轴线方向从喷嘴入口到出口波动逐渐变大，波峰均出现在300-500 Hz之间。随着喷射压力增大，空化现象越明显，流量系数变小，但质量流率增大。
　　其次，本文首次提出喷雾初始参数公式，基于空化结果，将初始参数计算公式应用于雾喷雾数值模拟中。通过建立基于 Samagorinsky-Lilly大涡模型、O'Rourke液滴碰撞模型以及WAVE液滴破碎模型，研究喷射压力对雾化特性的影响。结果表明：喷雾初期贯穿距与时间成正比，而喷雾中后期，贯穿距增大的速度逐渐减缓；船用柴油机由于较大的喷孔直径和喷油压力，使其雾化具有较大的喷雾锥角和贯穿距；喷雾体积随喷射压力的提高而变大，船用柴油机射流边缘出现的块状结构会回到喷雾主体内，而喷雾头部块状则保持本来的形状不变；索特平均直径随着喷射压力的提高而变小，每提升20MPa喷射压力，索特平均直径减小约9％。
　　最后将数值模拟结果与试验对比，发现模拟的油束图像及贯穿距均能较好地吻合试验结果，证明喷雾初始参数公式及所建立的数值模型对空化及喷雾的模拟均具有较大的精确度。

目录

声明

第1章 绪论

1.1选题背景及研究意义

1.2国内外研究现状

1.3本文主要内容

第2章 空化流动及燃油雾化数值模型和方法

2.1控制方程的数学模型

2.2数值求解过程

2.3本章小结

第3章 物理模型建立与技术参数计算

3.1物理模型的建立

3.2喷雾初始参数的计算

3.3本章小结

第4章 船用柴油机喷嘴内空化流动数值模拟研究

4.1计算设置

4.2压力信号分析方法

4.2结果与讨论

4.3本章小结

第5章 船用柴油机缸内燃油雾化数值模拟研究

5.1计算设置

5.2结果与讨论

5.3试验验证

5.4本章小结

第6章 全文总结与展望

6.1全文总结

6.2研究展望

参考文献

攻读硕士期间主要的研究成果及参与的科研项目

致谢