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喷嘴内燃油流动及其喷射雾化特性研究

姜光军  
【摘要】:燃油射流的破碎和雾化过程是柴油机工作过程的重要环节之一,对于柴油机的燃烧过程和排放性能有着直接而重要的影响。作为燃油射流的破碎和雾化的上游边界,喷嘴内燃油流动特性对其具有重要的影响,喷嘴内的空穴效应已被证实是引起燃油射流破碎的基本因素之一。为深入探索高压真实喷油过程中喷嘴内的燃油流动特征及其对射流破碎和雾化的影响,本文借助于光学成像和诊断设备以及三维数值模拟方法对多种喷射条件下不同结构喷嘴内的燃油流动和射流雾化特性进行了全面的试验和模拟研究。本文首先设计和搭建了喷嘴内流动形态可视化试验装置,并加工了一系列接近于真实尺寸的透明试验喷嘴。通过对试验装置的调试和验证,发现试验透明喷嘴和闪光光源持续时间是影响试验结果的关键因素。本文采用纳秒级光源拍摄,得到了实际喷油条件下整个喷油过程的喷嘴内燃油瞬态流动的真实图像。同时,通过流动图像的后处理,创新性地定义了两个新参数,用于对喷孔内空穴生成强度进行定量分析。针对不同喷嘴、不同燃料及不同喷射条件的试验观察和理论分析表明,高喷射压力时,喷嘴内的空穴现象不可避免。空穴的生成和发展及其强度受到众多因素的影响。其中喷孔长径比、喷孔夹角、喷孔锥度等结构参数和燃料属性对于空穴现象的影响尤为突出。在模拟研究中,本文采用了通用的双流体模型和基于Rayleigh-Plesset方程的空穴模型来描述喷嘴内气液两相流动。模拟研究中主要针对喷孔内的空穴体积分数、液相湍动能及流速、流量系数等流动参数进行定量对比分析,以揭示喷射条件和喷嘴结构对燃油流动特性的影响。另外。本文在流动模拟中还加入了穴蚀模型,对大家关注较少的穴蚀现象进行了探索性的模拟研究,分析了空穴现象对穴蚀的影响,并探讨了喷射压力变化对穴蚀的影响规律。模拟研究的结果表明,随喷射压力的增大,喷孔内的空穴生成和溃灭速率均增大,湍动能增加,但喷孔内出口面处的平均空穴体积分数和流量系数变化较小:随着喷孔夹角的增大,喷孔内空穴生成和溃灭速率都出现增大,喷孔内湍流程度增强,喷孔出口面上的空穴体积分数减小,流量系数则有所增大。喷孔的表面微观结构对喷孔内的空穴现象也有一定的影响,粗糙的孔壁表面会导致空穴溃灭,使得喷孔内空穴体积分数减小,湍动能增大。喷孔壁面的穴蚀主要发生在喷孔中段,喷射压力的增大会使得喷孔内产生穴蚀的临界时间变短、穴蚀速率增大。本文利用已搭建的可视化试验装置,对近孔口区域的喷雾形态进行了试验观察,分析各种喷射条件下及多种燃料的射流破碎和雾化的宏观特性(喷雾形态和喷雾锥角)。另外,为研究喷雾的微观特性,本文还搭建了燃油稳态喷雾试验装置,利用激光粒度仪测量了不同喷孔直径和喷射压力时多种燃料的喷雾液滴粒度分布。研究结果表明,受喷孔内流动的影响,倾斜喷孔的喷雾形态呈现不对称的结构。两次喷射主喷初始阶段的喷雾形态发展极不稳定,不同喷油循环的同一喷油时刻时的喷雾形态差异较大。具有低表面张力和粘度的燃料,其喷雾锥角更大,喷雾场液滴粒径更小,分布更为均匀,其喷雾和雾化效果对喷射压力和喷孔尺寸的依赖性更小。


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