液态LPG在闪急沸腾下的喷雾试验和数值模拟研究

摘要

液化石油气(LPG)与传统的石油燃料相比，具有成本低和低排放的优点，被认为是汽车重要的替代燃料之一。但目前普遍使用的LPG发动机大都采用气念燃料供给系统，与传统的汽油发动机梢比，存在动力性不足的缺点，而采用缸内直喷(DI)液态LPG喷射可有效地解决这个问题。燃油喷雾过程一直被认为是影响发动机燃烧与排放性能的主要因素，因此为了能精确控制燃油喷射、优化燃烧系统、改善排放性能和提高燃料利用率，非常有必要深入研究LPG的喷雾特性。为此，本文以纹影实验和数值模拟为主要的研究手段研究了液态LPG的喷雾特性。
　　 通过广泛阅读国内外相关文献，本文详细阐述了闪急沸腾喷雾的特点和研究现状，深入的分析了闪急沸腾喷雾蒸发与雾化混合机理。由于液态LPG的物化性质使其在喷出后会发生闪急沸腾现象，对燃料的雾化、蒸发有重要影响，但是现有的CFD软件中没有专门描述闪急沸腾现象的多相流模型，因此需要对软件中的蒸发和碰撞模型进行修改和添加。
　　 本文制作了液态LPG喷雾可视化的测试装置，设计了根据一定的喷射顺序触发喷嘴和CCD相机获得在某一瞬间的喷雾图像的电控单元。使用高速CCD相机和光学纹影法分别拍摄了不同喷油压力下、直喷发动机用的相同喷孔径的旋流喷嘴和非旋流喷嘴的液态LPG自由喷雾过程。研究表明：随着喷油压力的逐渐升高，LPG喷雾贯穿距离逐渐增大，喷雾锥角逐渐变小。在相同喷射压力下，由于闪急沸腾的影响，LPG的喷雾贯穿距离小于汽油的贯穿距离，而喷雾锥角则相反。在相同的喷射压力下，旋流喷嘴的喷雾贯穿距离小于非旋流喷嘴贯穿距离，喷雾锥角则相反，旋流喷嘴加速了喷雾的蒸发，燃油雾化效果更好，更有利于混合气形成。
　　 本文的另外一部分工作利用计算流体力学(CFD)通用软件FIRE对液态LPG喷雾过程进行数值模拟研究，通过去液态LPG喷雾过程的数值模拟和试验结果进行对比，验证了数值模拟的可行性。结果表明：闪急沸腾现象加速了燃油的雾化蒸发；随着液态LPG喷射压力的逐渐增加，喷雾的贯穿距离增大，索特平均直径逐渐减小；随着环境压力的升高，贯穿距离减小，液滴的索特平均直径显著变小；不同的喷雾锥角对燃油的空间分布有较大的影响；较小的索特平均直径对喷雾形态的影响较大，与环境气体的相互作用更明显。