直喷式柴油机近喷孔区域燃油喷射雾化机理的基础研究

论文摘要

由于具有较高的热效率和更低的二氧化碳排放,直喷式柴油机被认为是很有发展前景的轻型货车和载重汽车的动力源。对直喷式柴油机而言,液体燃油的喷射、雾化及其与空气的混合被认为是最重要的过程。雾化对直喷式柴油机性能具有决定性的影响。虽然人们对雾化机理进行了长期的研究,但由于问题的复杂性,人们对雾化机理的认识至今仍未全面理解,尤其是近喷孔区域的初次雾化机理。开展直喷式柴油机近喷孔区域的燃油喷射雾化机理有助于加深对燃油雾化机理的认识,丰富和发展燃油喷雾相关基础理论,因此具有重要的理论意义和工程实用价值。本文首先利用大涡模拟（LES）方法对近喷孔区域的射流雾化机理进行研究,分析了喷油器结构对喷孔内流和初始表面波的影响。结果显示,在考虑了具体的喷油器结构参数（针阀、油囊和喷孔）情况下,采用气液两相流大涡模拟能够获得与实验非常接近的喷束结构。近喷孔区域的射流雾化极大地依赖于喷孔内流及喷孔出口处的初始流动条件。射流离开喷孔时的边界条件突变和湍流是初始表面波产生的根源之一。喷孔内流为层流时,射流初始表面波的波长和振幅由边界条件突变决定；喷孔内流为湍流时,初始表面波结构主要由湍流决定。湍流的存在使射流在喷孔出口附近便形成具有较大波长和振幅的表面波。喷油器结构是否具有轴对称性对初始表面波和喷束形态的对称性具有重要影响。初始振幅越大,在空气动力作用下表面波会更迅速的发生增长,液核也将具有更快的破碎速率。另外,本文还采用大涡模拟方法研究了表面波结构对射流雾化的影响。结果显示,不同频率的表面波之间会发生相互叠加并对射流雾化产生影响。初始表面波的振幅越大则射流直径减小越快,射流雾化越强烈。在对现有各种燃油雾化机理假说进行分析,并结合近几年国内外实验研究成果和本文进行的大涡模拟研究结论的基础上,作者提出了新的射流初次雾化机理,并对Huh-Gosman模型和WAVE模型进行了修正。认为边界条件突变、湍流和空化是射流初始表面波产生的三种主要因素。射流的初次雾化是以上三种因素产生的初始表面波在空气动力作用下发生失稳增长的过程,结果使得表面波顶部的液体发生分裂形成液丝和液滴,导致液核直径的不断减小并在周围形成众多按一定喷雾锥角范围内分布的液滴群。初次雾化形成的液丝或液滴在空气动力作用下将发生二次雾化。本文引用Lichtarowicz模型来模拟喷油器结构、喷油压力和气体背压对喷孔内流的影响,为初次雾化模型提供包括喷孔有效流通面积、射流有效流通速度、流通系数及空泡等效半径等初始条件。原Huh-Gosman模型采用无限长平面射流的Kelvin-Helmholtz不稳定理论无法考虑射流直径对射流稳定性的影响,本文采用无限长无粘圆柱射流的Kelvin-Helmholtz不稳定理论来求解射流表面波增长的时间尺度,从而能够考虑射流直径对射流稳定性的影响。液核破碎速率和破碎液滴粒径的求解是基于能量守恒原理,能够综合考虑边界条件突变、湍流及空化的共同作用。根据未扰液核形状相对比球体更接近圆柱体,本文建立了离散液柱液核模型。基于初次雾化过程是液体分裂液核的过程,本文提出了基于DDM模拟初次雾化过程的新方法。与实验结果的对比显示,该方法能够较为准确地获得近喷孔区域（＜1.0mm）的喷雾形态。二次雾化过程采用KH-RT模型进行模拟。因此,本文建立的混合分裂雾化模型能够考虑喷油器结构对射流雾化的影响。本文利用定容喷雾实验装置,对不同气体背压和不同喷油压力条件下的喷雾过程进行了高速摄影拍摄。通过测量实验得到的喷雾图像得到了包括喷雾贯穿距离、喷雾近锥角和喷雾远锥角等结果。本文建立的分裂雾化模型加入到KIVA3V程序后,针对喷雾实验进行了射流雾化过程的多维数值模拟计算。模拟计算结果与实验结果对比取得了较好的一致性,说明本文进行的相关理论研究、所得的相关结论及建立的分裂雾化模型是合理的。

论文目录

• 致谢
• 中文摘要
• ABSTRACT
• 1 绪论
• 1.1 研究背景和意义
• 1.2 柴油机燃油喷射雾化的国内外研究现状
• 1.2.1 射流分裂雾化机制的划分
• 1.2.2 燃油射流雾化机理的研究方法
• 1.2.3 燃油喷雾特性的研究
• 1.2.4 喷孔内流的研究
• 1.2.5 近喷孔区域燃油喷雾结构的研究
• 1.3 本文的主要研究内容
• 2 气液两相流大涡模拟的控制方程和数值方法
• 2.1 Navier-Stokes方程
• 2.1.1 VOF方法
• 2.1.2 表面曲率和表面张力
• 2.2 Navier-Stokes方程的数值解法
• 2.3 Navier-Stokes方程的滤波
• 2.4 亚网格应力模型
• 2.5 物理空间与计算空间的转换
• 2.6 数值计算方法
• 2.6.1 控制方程的空间离散
• 2.6.2 空间差分格式
• 2.6.3 时间差分
• 2.6.4 时间离散
• 2.7 PISO算法
• 2.8 表面张力的数值算法
• 2.9 边界条件
• 3 基于大涡模拟方法研究近喷孔区域的燃油射流雾化机理
• 3.1 喷油系统参数
• 3.2 计算网格与初始边界条件
• 3.2.1 计算网格
• 3.2.2 初始边界条件
• 3.3 喷油器结构对近喷孔区域燃油喷雾特性的影响分析
• 3.3.1 单喷孔minisac喷油器的燃油喷雾特性
• 3.3.2 单喷孔VCO喷油器的燃油喷雾特性
• 3.3.3 多喷孔VCO喷油器的燃油喷雾特性
• 3.4 喷油器结构对燃油射流表面波的影响分析
• 3.5 喷油器结构对喷孔内流的影响分析
• 3.6 喷孔内流对近喷孔区域燃油射流雾化的影响分析
• 3.6.1 射流边界层对射流初始表面波的影响分析
• 3.6.2 近喷孔区域的射流雾化模式
• 3.7 初始表面波结构对燃油射流雾化的影响分析
• 3.7.1 初始表面波叠加对射流雾化的影响
• 3.7.2 射流初始表面波振幅对射流雾化的影响
• 3.8 小结
• 4 燃油射流初次雾化机理的分析及初次雾化模型的修正
• 4.1 燃油射流分裂雾化模型分析
• 4.1.1 TAB模型
• 4.1.2 DDB模型
• 4.1.3 Huh-Gosman模型
• 4.1.4 考虑空化作用的Huh-Gosman模型
• 4.1.5 WAVE模型
• 4.1.6 KH-RT模型
• 4.1.7 混合分裂雾化模型
• 4.2 燃油射流初次雾化机理的分析
• 4.2.1 湍流脉动对射流稳定性的影响
• 4.2.2 射流的初始表面波结构及其对射流初次雾化的影响
• 4.3 燃油射流初始表面波结构的模拟
• 4.3.1 边界条件突变导致的初始表面波
• 4.3.2 湍流脉动导致的初始表面波
• 4.3.3 空化作用导致的初始表面波
• 4.4 喷孔内流的模拟
• 4.5 射流表面波增长率的模拟
• 4.6 初次雾化模型的修正
• 4.6.1 Huh-Gosman模型的修正
• 4.6.2 WAVE模型的修正
• 4.7 连续液核模型的修正
• 4.8 模型应用及分析
• 4.8.1 喷油系统参数对喷孔内流的影响
• 4.8.2 分裂雾化模型对射流雾化预测结果的影响
• 4.9 小结
• 5 燃油喷雾实验及分裂雾化模型的验证
• 5.1 燃油喷雾宏观特性
• 5.1.1 喷雾贯穿距离
• 5.1.2 喷雾锥角
• 5.2 实验内容及装置
• 5.3 实验参数
• 5.4 燃油喷雾轮廓的识别
• 5.5 燃油喷雾实验与计算结果的对比分析
• 5.5.1 计算网格与初始边界条件
• 5.5.2 网格独立性分析
• 5.5.3 时间步长独立性分析
• 5.5.4 喷雾形态与贯穿距离的对比
• 5.5.5 喷雾锥角的对比
• 5.6 小结
• 6 全文结论
• 6.1 论文的主要工作及结论
• 6.2 本文的主要创新点
• 6.3 展望
• 参考文献
• 附录A
• 附录B
• 附录C
• 作者简历
• 学位论文数据集