柴油机喷嘴内空化效应的机理及射流破碎特征的研究

论文摘要

燃油喷雾对发动机的工作过程至关重要,直接影响到发动机的燃烧及排放性能,对于节能和净化具有十分重要的意义。作为与燃油喷射直接相关的燃油喷嘴具有极其重要的作用,深入研究喷孔内部燃油的流动状态,揭示燃油射流的破碎特征,是本文研究的关键所在。高压下的喷孔内部流动属典型的多相流运动。本文借助于CFD手段,基于欧拉-欧拉法的两相流模型,对喷孔内部的空化流动特性进行了全面的数值模拟。结果表明,提高喷射压力,降低出口处压力,均有利于孔内空化现象的发展;喷孔长度在一定程度上约束了空化的形成;增大喷孔入口圆角半径,易使得燃油流动变得更加通畅,不利于空化效应的产生。在保持空化数和雷诺数均不变时,较大的压差使得孔内的流动更加剧烈和不稳定,空化效应较强。雷诺数越大,孔内湍流状态越强,空化效应越明显,孔内的高湍流强度加速空化气泡的溃灭,碎裂的气泡一定程度上使湍流变得更强,进一步促使空化效应的发生。考虑到喷孔的工作环境和实际结构,很难直接观察到真实喷嘴内的空化现象。本文根据相似理论,在满足结构相似、动力相似和边界相似等的前提下,设计放大20倍于真实喷嘴的大尺度喷嘴试验系统,利用高速摄像机,采用纹影法拍摄喷孔内部的空化现象。结果表明,较高的喷射压力容易促使空化的发生,并可能产生超空化状态,环境背压在一定程度上对空化起到抑制的作用;在各种结构因素里,入口处圆角半径和喷孔倾斜角对喷孔内部空化效应的影响较其它更为明显;对比雷诺数和空化数对空化的影响,可发现后者的影响更为明显。空气动力、湍流扰动、孔内空化,被公认为是燃油射流破碎的三大原因,空化对油束的分裂雾化有着本质的影响。本文正是基于这一思想,运用喷孔内部流动特性计算的结果,尤其考虑了空化效应,通过将出口状态赋予喷孔外部模拟的边界,在欧拉-拉格朗日法的框架内,对喷孔外部的射流破碎进行了数值模拟。结果表明,空化气泡在喷孔出口处溃灭致使液体射流表面产生强烈的扰动,对初始雾化具有较大影响,进而影响二次雾化,加速液体射流的破碎。较高的喷射压力,使得液滴的SMD变得更小,有利于射流的雾化。过大或过小的入口处过渡圆角半径和喷孔倾斜角并不一定能产生最好的雾化效果,选取时需慎重考虑。本文还将数值计算的结果与真实喷嘴的试验值作了对比,增强了模拟计算的可信度和本文研究的可靠性,对进一步揭示射流破碎的机理具有重要的意义。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 课题的研究背景
• 1.2 燃油射流喷雾的研究
• 1.2.1 射流分裂雾化的形态
• 1.2.2 燃油喷雾的结构
• 1.2.3 燃油射流喷雾特性的研究
• 1.3 液体射流的破碎机理
• 1.3.1 关于低速液体射流雾化的一般性描述
• 1.3.2 液体射流的雾化机理
• 1.4 喷油器喷孔内部流动特性的研究
• 1.4.1 喷油器喷孔内部的燃油流动状态
• 1.4.2 喷孔内部流动对喷雾特性的影响
• 1.4.3 喷孔内部流动特性的研究方法
• 1.5 研究液体射流喷雾的方法
• 1.5.1 喷雾场现代光学测试技术
• 1.5.2 液体射流喷雾过程的数值模拟
• 1.6 课题的意义及主要内容
• 1.6.1 课题的重要意义
• 1.6.2 课题研究的主要内容
• 第二章 柴油机喷嘴内部空化效应机理的研究
• 2.1 喷嘴内部空化流动特性的模拟方法
• 2.1.1 模拟空化效应的详细模型
• 2.1.2 模拟空化效应的现象模型
• 2.2 喷嘴内部空化效应的数值模拟
• 2.2.1 数值模拟基于的数学模型
• 2.2.2 喷嘴的计算模型与边界条件
• 2.3 喷嘴内部流动的数值模拟结果与分析
• 2.3.1 进口压力对喷孔内部空化流动特性的影响
• 2.3.2 出口压力对喷孔内部空化流动特性的影响
• 2.3.3 喷孔长度对喷孔内部空化流动特性的影响
• 2.3.4 喷孔出口直径对喷孔内部空化流动特性的影响
• 2.3.5 喷孔入口处过渡圆角半径对孔内空化流动特性的影响
• 2.3.6 喷孔倾斜角对孔内空化流动特性的影响
• 2.3.7 雷诺数对孔内空化流动特性的影响
• 2.3.8 进出口两端压差对孔内空化流动特性的影响
• 2.4 本章小结
• 第三章 试验系统的组成及其工作原理
• 3.1 模型试验系统的理论基础
• 3.1.1 流动相似原理
• 3.1.2 相似准则
• 3.1.3 试验满足的相似条件
• 3.2 模型试验
• 3.2.1 模型律的选择
• 3.2.2 试验模型的尺度效应
• 3.3 试验系统的组成及工作原理
• 3.3.1 高压燃油供给系统
• 3.3.2 图像数据采集系统
• 3.3.3 真空背压系统
• 3.3.4 燃油喷射系统
• 3.3.5 真实喷嘴喷雾与粒径测试系统
• 3.4 试验用典型喷嘴及工况介绍
• 3.4.1 大尺度VCO喷嘴
• 3.4.2 竖直单孔喷嘴
• 3.5 本章小结
• 第四章 喷孔内部空化效应的试验结果与分析
• 4.1 流量系数
• 4.2 不同类型喷嘴空化效应的可视化研究
• 4.2.1 竖直单孔喷嘴内部空化效应的发展过程
• 4.2.2 VCO型喷嘴内部空化效应的发展过程
• 4.3 射流参数对喷孔内部空化效应的影响
• 4.3.1 入口压力对空化效应的影响
• 4.3.2 环境背压对空化效应的影响
• 4.4 结构参数对喷孔内部空化效应的影响
• 4.4.1 喷孔出口直径对空化效应的影响
• 4.4.2 喷孔长径比对喷孔内部空化效应的影响
• 4.4.3 喷孔入口过渡圆角半径对空化效应的影响
• 4.4.4 喷孔倾斜角对喷孔内部空化效应的影响
• 4.4.5 喷油器针阀升程对空化效应的影响
• 4.4.6 半球孔尖角过渡对空化效应的影响
• 4.5 孔内湍流参数对空化效应的影响
• 4.5.1 孔内流动的雷诺数对空化效应的影响
• 4.5.2 雷诺数恒定时，空化数对空化效应的影响
• 4.6 本章小结
• 第五章 燃油液体射流喷雾过程的研究
• 5.1 研究射流雾化理论的新思想
• 5.1.1 射流雾化机理的新进展
• 5.1.2 多种因素共同影响喷雾
• 5.2 喷雾模拟的数学方法
• 5.2.1 连续液滴模型（CDM）
• 5.2.2 离散液滴模型（DDM）
• 5.3 喷孔外部射流喷雾过程的数值模拟
• 5.3.1 模拟喷雾的思路
• 5.3.2 喷雾模拟的雾化模型——WAVE模型
• 5.3.3 考虑初始雾化行为的破碎模型——Blob（团块）模型
• 5.3.4 蒸发模型
• 5.3.5 湍流扩散模型
• 5.4 模拟结果与试验验证
• 5.4.1 喷雾形态与液滴粒径的测试方法
• 5.4.2 模拟结果与试验验证
• 5.5 喷雾过程的数值模拟结果与分析
• 5.5.1 喷射压力对雾化过程的影响
• 5.5.2 喷孔入口处圆角半径对雾化过程的影响
• 5.5.3 喷孔倾斜角对雾化过程的影响
• 5.5.4 喷孔出口直径对雾化过程的影响
• 5.5.5 喷孔长度对雾化过程的影响
• 5.6 本章小结
• 第六章 全文总结与展望
• 6.1 全文总结
• 6.2 展望
• 参考文献
• 发表论文和参加科研情况说明
• 致谢