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直喷液体射流及闪急沸腾喷雾的特性及机理研究

曾纬  
【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(Liquid jet)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。


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