论文题目: 液体射流分裂雾化机理及内燃机缸内工作过程的模拟
论文类型: 博士论文
论文专业: 轮机工程
作者: 严春吉
导师: 殷佩海
关键词: 射流,分裂与雾化,色散关系,未受扰长度,数值模拟
文献来源: 大连海事大学
发表年度: 2005
论文摘要: 燃油的分裂与雾化过程实际上是液体射流的一种失稳现象,在工程上常常利用射流的这种失稳过程来实现燃油的雾化,以增加燃油的表面积提高燃烧效率。因此对射流分裂与雾化机理的研究不仅具有重要的理论意义,而且还具有深远的工程应用背景。本文对粘性液体射流分裂与雾化过程的机理进行了理论和数值研究,并将结果应用于内燃机缸内工作过程的模拟中。具体完成了以下几方面的工作。 一、概括总结了前人关于射流稳定性及其分裂雾化机理的研究成果,同时还对内燃机工作过程中,燃油在缸内的雾化模型进行了介绍。 二、将圆柱形粘性液体射流模型进一步推广,即考虑到气体的粘性在射流分裂与雾化过程中的作用,使射流分裂雾化模型更加完善;采用线性稳定性分析的方法对射流模型进行了求解,得到了具有普遍三维扰动形式下的射流自由表面扰动发展的色散关系;本文手算推导的色散关系得到了代数及符号软件MATHEMATICA的验证。 三、对上述的色散关系作了比较详尽的数值分析并针对若干实际工况进行了大量数值计算;通过数值模拟本文首次确定了临界气体韦伯数We2c=1,可以作为区分粘性液体射流分裂与雾化模态的判据。当We2<1时,射流处于分裂模态,而当We2>1时,射流过程为雾化模态。将理论分析及数值计算结果与射流分裂雾化特性相结合得到了一套计算射流的未受扰液核长度、喷雾的平均滴径的方法。 四、将空心圆柱形粘性液体射流模型也作了推广,即建立了旋转气流中的空心圆柱射流分裂与雾化三维模型;通过手算得到了空心圆柱形粘性液体射流的具有普遍三维扰动形式下的自由表面扰动发展的色散关系,该关系也得到了代数及符号软件MATHEMATICA的验证。 五、对空心圆柱形粘性液体射流自由表面扰动发展的色散关系进行比较全面的数值分析,比较了各参数在低速射流与高速射流中的作用及异同。 六、将圆柱形粘性液体射流分裂雾化机理研究的结果应用于一小型高速4缸柴油机缸内工作过程的模拟中,同时还对该型柴油机的工作特性进行了实验研究。
论文目录:
摘要
ABSTRACT
第1章 绪论
1.1 引言
1.2 液体射流分裂与雾化机理研究的历史与现状
1.3 内燃机缸内工作过程的模拟
1.3.1 内燃机燃烧模型的发展
1.3.2 内燃机燃油喷雾模型
1.4 本文的工作
第2章 圆柱形粘性液体射流分裂与雾化机理的理论研究与数值分析
2.1 圆柱形粘性液体射流分裂与雾化机理的理论研究
2.1.1 无量纲线化射流控制方程及其精确解
2.1.2 射流控制方程的无量纲线化边界条件
2.1.3 射流色散关系
2.2 色散关系的数值求解
2.3 结果与讨论
2.3.1 We_2数的影响
2.3.2 We_2＜1时的射流稳定性分析
2.3.3 We_2＞1时的射流稳定性分析
2.4 应用
2.4.1 不同液体射流过程比较
2.4.2 喷嘴半径的影响
2.4.3 射流初速的影响
2.4.4 喷口处未受扰液核长度的计算
2.4.5 射流速度对最大扰动波波长的影响
2.4.6 雾化滴径的确定
2.5 结论
第3章 空心柱形液体射流在旋转气体中的分裂与雾化机理研究
3.1 射流控制方程及其解
3.2 射流边界条件
3.2.1 内部边界条件
3.2.2 外部边界条件
3.3 色散关系
3.4 结果分析与讨论
3.4.1 射流参数对低速射流分裂过程的影响分析
3.4.2 结论
3.5 射流各参数对高速液体射流雾化过程的影响分析
3.5.1 液体Reynolds数Re的影响
3.5.2 液体Weber数We的影响
3.5.3 空心柱内部气液密度比Q_a的影响
3.5.4 空心柱外部气液密度比Q_b的影响
3.5.5 空心柱内外气液密度比对射流雾化过程的影响比较
3.5.6 空心柱内部气流旋转强度E_a的影响
3.5.7 空心柱外部气流旋转强度E_b的影响
3.5.8 空心柱内半径与液膜厚度比Ah的影响
3.5.9 结论
第4章 内燃机缸内工作过程控制方程
4.1 气相控制方程
4.1.1 质量守恒方程
4.1.2 动量守恒方程
4.1.3 能量守恒方程
4.1.4 k-ε双方程湍流模型
4.1.5 理想气体混合物的有关方程
4.1.6 湍流输运系数
4.1.7 初始条件
4.1.8 边界条件
4.2 喷雾控制方程
4.2.1 油滴碰撞产生的源项
4.2.2 油滴分裂破碎产生的源项
4.2.3 油滴分裂破碎的TAB模型
4.2.4 F，R，T_d的确定
4.3 化学反应模型
4.4 小结
第5章 控制方程的离散方法及其数值求解过程
5.1 概述
5.2 计算域中的单元
5.3 气相控制方程的离散方法及数值求解过程
5.3.1 时间上的差分
5.3.2 空间上的差分
5.3.3 第一阶段气相控制方程的离散
5.3.4 第二阶段—压力的隐式迭代
5.3.5 第三阶段—网格移动及对流计算
5.4 喷雾控制方程的离散化及其求解过程
5.4.1 油滴样本的初始滴径和油滴数目的
5.4.2 油滴的碰撞
5.4.3 油滴的分裂破碎
5.4.4 油滴的温度和半径
5.4.5 油滴的位置
5.4.6 油滴的速度
5.5 小结
第6章 柴油机缸内工作过程的模拟及实验研究
6.1 小型高速4缸柴油机缸内王作过程的模拟
6.1.1 小型高速4缸柴油机主要结构及性能参数
6.1.2 固定边界条件的设定
6.1.3 计算结果
6.2 小型高速柴油机的试验研究
6.2.1 试验设备
6.2.2 试验条件
6.2.3 试验结果
6.3 小结
第7章 结论与展望
7.1 全文总结
7.1.1 粘性气体中圆柱形粘性液体射流分裂与雾化机理结论
7.1.2 旋转气流中空心圆柱形粘性液体射流分裂与雾化机理结论
7.1.3 柴油机缸内工作过程的模拟及实验研究结论
7.2 展望
7.2.1 液体射流分裂与雾化机理研究的前景
7.2.2 内燃机缸内工作过程研究展望
创新点摘要
攻读学位期间公开发表的论文
致谢
参考文献
附录1
附录2
附录3
附录4
发布时间: 2005-10-13
参考文献
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