背压对停油过程喷油嘴内部流动的影响研究

摘要

喷油嘴内部流场会对喷油特性产生影响。在近年来，有研究发现喷油器进行喷雾后，喷油嘴内部会有气泡残留。这些气泡来源于孔外气体，对于喷油器的实际工作过程而言这些残留的气泡来源于气缸内的高温燃气，这些高温燃气可能会造成孔内的结焦。为深入了解喷油嘴内部流场，本文利用可视化试验装置和数值模拟方法着重研究了停油过程中不同背压对喷油嘴内部空化及气体倒流现象的影响以及相关机制。
　　本文首先进行了定容室的设计和制造，并搭建了能够提供稳定环境压力的可视化拍摄试验平台。在进行拍摄试验前，对定容室进行了承压能力与密封性测试以保证试验过程的安全。试验拍摄使用的接近实际尺寸的透明喷嘴安装在实际喷油器上进行喷射试验使喷射环境更接近于实际喷嘴。可视化试验平台使用的纳秒级光源能够有效冻结喷嘴内的高速流场，并利用阴影法与数码相机进行拍摄。由不同背压条件下的试验结果发现，在稳定喷射过程没有空化现象，针阀关闭过程中喷油嘴内迅速产生了空化现象，空化溃灭过程伴随着气体倒流现象。背压越高，针阀关闭时形成的空化量越少，产生的倒流气体越少。
　　基于 VOF模型和动态重叠网格技术对针阀关闭过程的喷油嘴内流场进行了瞬态模拟。模拟中主要对喷嘴内的空化体积、倒流气体体积、针阀密封面和喷孔的流速等参数进行定量分析。研究结果表面，喷孔出口附近的残留的初始气泡会使初始喷雾形态呈现双蘑菇形态。针阀关闭造成的节流断流过程使压力室入口流速的迅速下降，这是引起喷油嘴内部出现空化的影响因素；针阀关闭过程中，喷油嘴内的空化初生时间与针阀密封座面流量迅速降低的时间吻合，而且空化初生时间基本不受背压和喷射压力的影响。空化溃灭过程是孔外压力向孔内传递，这使得空化溃灭发生过程是从孔口向压力室推移；当喷孔内的空化完全溃灭时，压力室内的空化达到最大值。空化溃灭所空出的体积被倒流气体填充；空化体积基本等于倒流气体体积。在不同背压条件下，随着背压的升高，空化和倒流气体体积减小，规律与试验结果吻合。空化持续时间随着背压的升高而减小，且随着背压的升高，空化持续时间减小的幅度会降低。不同喷射压力条件下，随着喷射压力的升高，空化量和倒流气体体积随之增大，空化持续时间变长。
　　对模型进行简化后，推导了表征停油过程喷油嘴内部空化程度的无量纲空化数CN。空化数随着背压的升高、喷油压力和燃油体积模量的减小而增大。空化数越大，停油时喷油嘴内越容易发生空化、倒流气体量越多。对比试验和模拟结果，空化数CN在一定程度上能够反映停油过程喷油嘴内部空化的难易程度。

目录

声明

第1章 绪论

1.1 研究背景与意义

1.2 喷嘴内部流场研究现状

1.3 本文主要研究内容

第2章 可视化试验平台的搭建

2.1定容室的设计和制作

2.2 透明喷嘴的设计制作

2.3 可视化试验台搭建

2.4 本章小结

第3章 基于VOF模型的数值模拟方法

3.1 相关模型及控制方程

3.2 几何模型及运算条件设定

3.3 网格独立性分析

3.4 本章小结

第4章 试验结果与数值模拟结果分析

4.1 喷嘴内部流场的可视化试验分析

4.2 停油过程喷油嘴内部流场数值模拟

4.3本章小结

第5章 停油过程中空化及倒流机理分析

5.1 空化数的提出

5.2 机理分析

5.3 本章小结

第6章 结论与展望

6.1 结论

6.2 进一步工作方向

致谢

参考文献

攻读学位期间的研究成果