直喷液体射流及闪急沸腾喷雾的特性及机理研究

摘要

针对国内外燃油多样化及小型化的直喷汽油机发展趋势，深入、系统地研究各种直喷汽油机喷雾的雾化及汽化特性，揭示其物理机理。为各种直喷汽油机燃烧系统的设计及开发提供理论及实验基础。直喷汽油机喷雾按照液体燃油是否涉及过热(Superheat)过程可分为两种雾化机理，即过冷液体射流(Liquidjet)破碎和过热喷雾的闪急沸腾(Flash-boiling)雾化。液体射流的破碎主要取决于射流表面各种力的相互作用。闪沸喷雾的机理则涉及到喷雾内部的气泡生成及膨胀作用，仅在环境压力小于燃料饱和蒸汽压时发生。因此，对直喷喷雾特性及机理进行系统研究，需要从液体射流及闪沸喷雾两方面入手。
　　 喷雾研究需要研究先进的激光诊断技术以获取各项特性。喷雾瞬态粒径分布测试是激光诊断的重点与难点。平面激光测径技术(LIF/MIE)对于瞬态粒径分布测试具有不可替代的优势，且已被成功地用来获取一些汽化速率较低的喷雾的瞬态粒径分布，但随着汽化量的增大，测试精度急剧的降低。潜在原因是蒸汽的存在干扰了液滴的荧光信号。针对此问题，本文创新性地开发双相激光诱导荧光/米氏闪射(LIEF/MIE)同步测试技术代替传统的LIF/MIE技术，其核心在于将双相激光诱导荧光(LIEF)技术引入到平面激光测径中实现气、液两相分离，以消除汽化过程对测试结果的影响。为此，针对LIEF技术的现有技术障碍，提出解决方案，提升其测试精度。同时，基于几何光学近似等理论矫正方法降低LIEF/MIE测试的各种误差，并实现定量标定，使得LIEF/MIE技术对于具有较快汽化速率的实际直喷喷雾同样具有极高的测试精度，并证明汽化过程对平面激光测径的影响不可忽略。另外，LIEF/MIE方法也是米氏散射(MIE)技术及双相激光诱导荧光(LIEF)技术的结合，这两种技术分别为本文的研究提供喷雾的宏观特性及汽化特性信息。
　　 在分析方法方面，受射流机理研究的启发，应用无量纲准则数反映喷雾特性的变化规律以揭示喷雾形成的物理机理。过冷液体射流特性通过雷诺数、韦伯数及气液密度比这三个无量纲数来反映，创新性的引入表征液体过热度的环境压力与饱和蒸汽压之比来对闪沸喷雾特性进行无量纲分析。使用包括汽油、甲醇、乙醇、正己烷在内的多种燃料并通过改变燃油温度和环境压力使得各无量纲数均获得极大的范围，确保无量纲分析的结果具有广泛通用性，并通过实测各种燃料的属性获得精确的无量纲数数值。应用相似法则证明喷雾无量纲数选择的准确性及完整性，以敏感度分析确定过冷液体射流特性及闪沸喷雾特性对各个无量纲数的依存性，并为后文的喷雾无量纲分析提供方向性的指导。基于无量纲数的范围确定液体射流及闪沸喷雾的测试工况，应用LIEF/MIE技术获得这些工况下喷雾的粒径、结构及汽化特性。
　　 对于液体射流，已有研究基于光学诊断实验，得到了描述贯穿距、喷雾角等参数的经验公式。然而这些研究，多是基于特定的柴油喷雾实验，结合各种经验的或理论的假设，直接建立喷射参数与喷雾特性之间的关系式，无法反映物理机理，只适用于特定的燃料系统和喷油系统，因而不具有通用性。本文在实验数据的基础上，基于无量纲分析法研究射流特性的变化规律，量化了由韦伯数、雷诺数及气液密度比表征的控制喷雾破碎的四个主要作用力（惯性力、粘性力、表面张力及气动力）对射流特性的影响，建立无量纲数与喷雾特性之间的定量关系，导出贯穿距、喷雾角及索特平均直径的无量纲公式。无量纲公式可将喷雾控制因素及燃油种类的作用都归纳到反映机理的三个无量纲参数中，显性地表达射流雾化过程中的形成机理，精度高且适用于较大范围工况及各种燃料，有通用性。
　　 闪沸喷雾与液体射流在机理上存在本质区别，因此液体射流的公式对于闪沸喷雾将不适用。由于包括燃油温度、环境压力、喷射压力、燃油种类在内的各种喷雾控制因素对闪沸喷雾完整特性的影响缺乏系统的研究。因此，始终无法探知闪沸喷雾的关键控制因素。本文在闪沸喷雾的无量纲分析之前，基于LIEF/MIE技术系统地研究其特性，包括宏观结构、粒径分布及汽化特性，找出闪沸喷雾的变化特征。然后通过无量纲分析，建立无量纲数与闪沸喷雾特性之间的关联性，发现闪沸喷雾的关键控制因素为过热度，而韦伯数、气液密度比等为次要因素。基于此，研究闪沸喷雾各种特性随无量纲过热度（环境压力与饱和蒸汽压之比）之间的定量关系，发现闪沸喷雾的宏观结构、粒径分布、汽化特性随过热度的变化存在着极大的内部相关性，进而揭示了闪沸喷雾的变化规律，建立了闪沸喷雾结构参数与索特平均直径的无量纲公式，最终透析了闪沸喷雾的形成机理，为闪沸喷雾数值模型的建立提供基础。并发现其具备解决新一代小型化、燃料多样化直喷汽油机所面临的主要技术问题的潜力。为实现基于闪沸喷雾的新概念直喷燃烧系统开发作准备。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 直喷汽油机发展趋势

1．2 直喷汽油机中的喷雾

1．2．1 直喷喷雾分类

1．2．2 液体射流研究现状

1．2．3 闪急沸腾喷雾研究现状

1．3 喷雾激光诊断方法

1．3．1 直喷汽油机研究中喷雾激光诊断的重要性

1．3．2 喷雾研究中的激光诊断技术现状

1．3．3 喷雾研究中的激光诊断技术难点——瞬态粒径分布测试

1．4 本课题的提出及主要研究内容

1．4．1 直喷喷雾研究现存主要问题及本课题的提出

1．4．2 主要内容

第2章 双相激光诱导荧光/米氏闪射(LIEF/MIE)平面激光测径技术研究

2．1 引言

2．2 平面激光测径原理及LIEF/MIE同步测试技术研究思路

2．3 基于LIEF技术消除汽化对平面激光测径精度的影响

2．3．1 双相激光诱导荧光法(LIEF)原理及主要技术问题

2．3．2 双相激光诱导荧光技术(LIEF)的改进方案

2．3．3 LIEF/MIE测径方法消除汽化影响的技术方案及其实验设备

2．4 液滴的荧光与散射光对于粒径三次方(d3)和二次方(d3)的依存性分析

2．4．1 基于几何光学近似的液滴散射光及荧光理论计算方法

2．4．2 液滴散射光与荧光光强的数值计算参数

2．4．3 液滴的散射光与荧光光强与液滴直径的关系

2．5 实际喷雾中标定参数K的确认

2．5．1 实际喷雾中标定参数K的理论计算方法

2．5．2 理论计算获得的标定参数K

2．5．3 基于PDI实验的标定参数K

2．6 汽化喷雾的测试精度评价

2．7 喷雾宏观结构及喷雾的汽化特性

2．8 本章小结

第3章 喷雾的无量纲分析方法

3．1 引言

3．2 直喷汽油机喷雾的雾化机理及其无量准则数

3．2．1 过冷液体射流破碎

3．2．2 闪急沸腾雾化

3．2．3 表征过冷射流及闪沸喷雾的无量纲数汇总

3．3 直喷喷雾的无量纲数范围

3．3．1 燃料及其物性

3．3．2 无量纲数的计算

3．3．3 改变温度、燃油种类、环境压力以扩大无量纲数数值范围的示意

3．4 喷雾的相似性

3．5 喷雾结构对无量纲数的依存性

3．5．1 过冷液体射流结构对无量纲数的依存性

3．5．2 闪沸喷雾结构对无量纲数的依存性

3．6 过冷液体射流及过热闪沸喷雾的实验工况

3．7 本章小结

第4章 基于无量纲分析的过冷液体射流特性研究

4．1 引言

4．2 液体射流及闪沸喷雾特性的系统分析

4．3 液体射流宏观结构的无量纲分析

4．3．1 喷雾贯穿距、喷雾角随雷诺数的变化

4．3．2 喷雾贯穿距、喷雾角随韦伯数及气液密度比的变化

4．3．3 喷雾贯穿距及喷雾角的无量纲方程

4．4 喷雾粒径分布特性的无量纲分析

4．4．1 韦伯数(We)及雷诺数(Re)对喷雾粒径分布的影响

4．4．2 气液密度比对喷雾粒径分布的影响

4．4．3 索特平均直径的无量纲方程

4．5 液体射流无量纲公式汇总及其反映射流破碎机理

4．6 本章小结

第5章 基于无量纲分析的闪沸喷雾雾化及汽化的系统研究

5．1 引言

5．2 闪沸喷雾的宏观结构特性及其无量纲分析

5．2．1 闪沸喷雾结构的系统分析

5．2．2 闪沸喷雾的关键无量纲准则数

5．2．3 闪沸喷雾的结构变化规律及其无量纲公式

5．3 闪沸喷雾的粒径分布特性及其无量纲公式

5．3．1 闪沸喷雾的粒径分布特性

5．3．2 闪沸喷雾粒径的无量纲分析

5．4 闪沸喷雾的汽化特性

5．4．1 闪沸喷雾气液两相的结构变化规律

5．4．2 不同过热度下闪沸喷雾的汽化量

5．5 闪沸喷雾的形成机理分析——气液两相的相互作用

5．6 基于温度与压力双变量控制的直喷闪沸喷雾发动机潜在优势

5．7 本章小结

第6章 总结及展望

6．1 总结

6．2 展望

参考文献

附录1 -贯穿距及喷雾角经验公式

附录2 -喷雾测试中的激光诊断方法及其技术特点

致谢

在学期间发表的学术论文与研究成果