柴油机喷嘴针阀关闭过程的瞬态流场数值模拟

摘要

大量实验和模拟研究结果表明，燃油在柴油机喷孔内的流动情况对其雾化质量有很大的影响，进而影响发动机的燃油经济性以及排放特性。目前有关喷孔内流动的研究大多集中于喷油结束前的湍流流动及空穴现象，而对于喷油结束后喷孔内的流动特性的报道还很少见。近来有实验发现，喷油结束后，在某些结构的喷孔内发现有气泡形成。在下次喷油中，随着针阀的开启，这些气泡会发生破裂，由此产生的冲击能量必然会加剧此时流场的紊乱程度，从而影响雾化质量。随着喷油间隔期的缩短以及多次喷射技术的普遍应用，这一影响更应得到关注，因此很有必要深入研究这一过程喷孔内的流场。由于实际条件的限制，通过实验的方法很难获取喷孔内的流场，因此本文采用数值模拟的手段对针阀关闭过程柴油机喷孔内的瞬态流场进行研究。
　　首先，基于开源软件OpenFOAM，本文提出通过设计三套连续的网格，将针阀关闭过程定义成两种连续的网格运动使针阀完全关闭，同时采用VOF方法，并引入接触角模型，建立三维两相流动模型，分三步模拟针阀关闭过程柴油机喷孔内的瞬态流场。计算结果与S.Jollet实验对比，验证了所建立计算模型的准确性。随后对比针阀关闭后两种喷孔内气液分布的变化过程，分析了气泡形成的原因。
　　在此基础上，进一步分析了喷孔直径、长度以及锥度（K>0）等三种结构参数对针阀关闭过程喷孔内瞬态流场的影响。结果表明，针阀关闭过程中喷嘴压力室及喷孔区域内的平均压力都具有先减小后趋于环境压力的变化趋势；针阀落座时，喷孔出口截面上，外部倒流空气的速度随着孔径增大、长度缩短及锥度减小而增大；针阀关闭后，在喷孔内形成气泡的大小同样随着孔径增大、长度缩短及锥度减小而增大。
　　最后，分析了喷油压力、背压以及针阀落座速度等三种喷射条件对孔内瞬态流场的影响。结果表明，针阀关闭过程中喷孔压力室及喷孔区域内的平均压力也是先减小后趋于环境压力；针阀关闭时，喷孔出口截面上，外部倒流空气的速度随着喷油压力增大、背压减小及针阀落座速度增大而增大；针阀关闭后，在喷孔内形成气泡的大小也随着喷油压力增大、背压减小及针阀落座速度增大而增大。

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第1章 绪论

1.1 选题背景及课题来源

1.2 柴油机喷嘴孔内流动的研究概况

1.3 本文研究内容

第2章 针阀关闭过程运动网格的处理

2.1 三套连续网格的生成

2.2 运动网格的处理

第3章 针阀关闭过程柴油机喷嘴内两相流动模型

3.1 VOF模型

3.2接触角模型

3.3 foam-extend中数值计算条件的设定

3.4 计算模型的验证及分析

第4章 喷孔结构对针阀关闭过程孔内瞬态流场的影响研究

4.1 喷孔直径对针阀关闭过程孔内瞬态流场的影响

4.2 喷孔长度对针阀关闭过程孔内瞬态流场的影响

4.3 K系数对针阀关闭过程孔内瞬态流场的影响

4.4 本章小结

第5章 喷射条件对针阀关闭过程孔内瞬态流场的影响研究

5.1 喷油压力对针阀关闭过程孔内瞬态流场的影响

5.2 喷油背压对针阀关闭过程孔内瞬态流场的影响

5.3 针阀落座速度对针阀关闭过程孔内瞬态流场的影响

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

致谢

参考文献

攻读学位期间的研究成果