柴油喷雾撞壁附壁油膜及近壁区域流场特性研究

摘要

作为发动机的先进技术，高压共轨多次喷射系统为实现HCCI、PCCI等先进燃烧方式提供了基础，早喷是实现先进燃烧方式的基本策略。但柴油早喷会带来“湿壁”问题，“湿壁”过程在缸套上形成的油膜和流场分布会影响燃烧和排放。但目前柴油撞击壁面包括润滑油膜在壁面形成的油膜和流场分布研究还不是很多。 本文使用自主搭建的柴油喷雾撞壁光学平台研究了不同壁面条件下（润滑油膜厚度、壁面粗糙度、壁面温度）撞壁后附壁油膜的静态特性以及不同条件下（撞壁距离、撞壁角度、喷油压力）柴油喷雾撞壁过程的铺展、卷吸特性。研究表明：初始润滑油膜厚度增加，柴油液滴携带着动量与润滑油相互扩散、融合的作用增强，导致喷雾撞壁后壁面油膜的分布变得不均匀；壁面粗糙度的增大增加了柴油喷雾液滴沿着壁面铺展受到的阻力，同时对燃油液滴的束缚力增大，导致随着壁面粗糙度的增大，壁面油膜中心峰值厚度逐渐增大；壁面温度的提高主要加速了壁面油膜的蒸发，随着温度的升高，壁面油膜分布峰值、平均油膜厚度和附壁燃油率均逐渐减小。 基于实验结果，为了研究柴油喷雾撞壁过程壁面的速度特性，使用CONVERGE软件模拟研究了不同条件下柴油喷雾撞壁过程壁面速度场、湍动能分布及缸内湍动能及Z轴方向角速度的变化情况，研究表明：随着撞壁距离的增大，速度云图分布范围小、均匀程度降低；撞壁倾角的减小使速度场中较大值朝喷雾撞壁的下游方向移动；环境温度主要影响喷雾撞壁过程中燃油雾滴的理化特性如燃油粘度、表面张力和密度，高温情况下的速度云图的分布范围扩大；随着环境压力的增大，壁面处较大速度的分布范围有明显减小的趋势。随着撞壁距离的增大，柴油喷雾撞壁过程缸内平均TKE值越来越大，主要是因为撞壁距离的增大延长了柴油喷雾自由发展时间；随着撞壁角度的减小，缸内平均TKE值逐渐增大；随着环境温度的升高，柴油喷雾液滴吸收能量增多，撞壁过程缸内平均TKE值也逐渐升高；环境背压的增大也能够提高缸内平均TKE值，主要是因为随着环境被压的提高，周围环境空气对柴油喷雾的阻力增大，使缸内平均 TKE值逐渐增大。撞壁倾角的减小增加了Z轴方向角速度的波动，环境温度的提高和环境背压的增大均有利于增加柴油喷雾撞壁过程缸内的平均Z轴角速度，从而增强喷雾与空气的混合。

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