亚临界/超临界燃油喷雾特性及空化的数值研究

摘要

在直喷式内燃机中，燃油的雾化对于内燃机的效率和排放物有着重要影响。本文以内燃机为工程背景，对亚临界/跨临界下喷雾和喷嘴内部的流动及空化现象做了数值模拟，研究亚/超临界环境下喷雾的机理及高喷射压力下空化现象对于雾化的影响。
　　基于有限体积方法的开源软件 OpenFOAM被用于计算和求解守恒方程。商业软件ICEM生成结构化网格，提高数值模拟的效率。大涡模型用于喷雾和空化现象湍流模拟，使用VOF方法捕捉燃油和气体之间的运动界面。在超临界环境中，液相使用P-R状态方程，气相应用理想气体状态方程，通过多项式拟合物性参数。通过后处理软件paraView得到十二烷体积分数、温度、速度、湍动能、燃油等值面、等值线分布图。
　　通过本文研究得出以下结论：（1）在亚临界环境下，在射流的初始阶段，射流形状为圆柱体；在分裂阶段，射流表面在扰动波、表面张力和湍流的作用下，燃油从表面剥离，形成纤丝，最后分裂为更小液滴。大涡湍流模型可以准确的模拟喷雾的非对称结构；（2）在超临界环境下，燃油以较高速度喷射到燃烧室内，射流表面温度逐渐升高，燃油体积分数逐渐减小。在高温环境下，燃油射流半径增大，在径向方向存在较大的温度梯度和密度梯度。径向方向的密度梯度和温度梯度说明气液两相混合层的存在；射流结构是由液核、气液两相混合层、高温气体组成。射流表面呈现出褶皱状，与周围流体分隔开，亚临界喷雾的表面呈现螺旋结构。在超临界环境下，高背压下喷雾的贯穿距小于低背压情况。（3）在开源软件 OpenFOAM中，基于不可压缩两相流相变求解器和可压缩两相流求解器的基础上，开发了可压缩两相流空化求解器；通过分析数值模拟结果中喷嘴内部体积分数、速度和压力的分布以及质量流率并且与低喷射压力下喷嘴内部空化实验做了对比，验证了空化模型。

目录

声明

1 绪论

1.1研究背景与意义

1.2 超临界喷雾

1.3空化

1.4国内外研究现状

1.5 本文工作的主要内容

2 湍流流动及喷雾的数学模型

2.1欧拉-欧拉法

2.2湍流数学模型

2.3 真实气体状态方程

2.4空化模型

2.5有限体积离散

2.6本章小结

3 数学模型在OpenFOAM中的实现

3.1 OpenFOAM简介

3.2自定义求解器

3.3 求解器求解过程

3.4算例文件结构

3.5 本章小结

4 数值结果与分析

4.1 亚临界喷雾数值模拟

4.2 超临界喷雾数值模拟

4.3 喷嘴内部流动及空化现象数值模拟

4.4 本章小结

5 结论

5.1本文工作总结

5.2展望

参考文献

攻读硕士学位期间发表学术论文情况

致谢