基于完全雾化法的缸内直喷汽油机喷雾雾化

通过定容弹自由喷雾试验分析了喷油压力、环境压力及环境温度对缸内直喷汽油机用6孔喷油器喷雾特性的影响.为获得适用于高压汽油喷雾破碎模拟的数值模型,基于喷孔出口处喷雾已完全雾化的假设,对喷雾初始粒径由2?-分布采样并结合喷雾贯穿距对喷雾液滴初始速度进行修正,二次破碎模拟采用Huh-Gosman模型对定容室内喷雾雾化过程进行了模拟.与喷雾试验结果相比,修正后的喷雾破碎模型无论是外观形态还是喷雾贯穿距以及索特平均直径(SMD)均与实际喷雾很好地贴合,为汽油喷雾破碎模拟探索出一条适用且便捷的途径.     

网格分辨率与射流分裂雾化模型对柴油喷雾影响的仿真研究

基于数值模拟方法,研究了网格分辨率、时间步长和不同的射流分裂雾化模型对柴油喷雾的影响。研究表明：网格的尺寸对柴油喷雾贯穿距离和SMD的影响较为显著;当径向网格为喷孔直径的3倍时,其贯穿距离的变化趋势与实验数值基本接近,能较好地预测试验结果,径向网格越密,油束的贯穿距离越大,SMD也越大;随着轴向网格尺寸的变大,贯穿距离增大,SMD减小;随着时间步长的变化,贯穿距离不呈规律性的变化趋势,仿真计算的贯穿距离不断逼近于实验值;对于不同的射流分裂雾化模型,KH—RT模型考虑了液滴的二次雾化,因此其雾化液滴最小,贯穿距离也相对较小,SMD的数值也较小。     

喷嘴安装角对横向气流中雾化液滴粒径影响的研究

建立了旋流喷嘴雾化的数值计算模型,将计算结果与静止大气环境下液滴粒径的试验数据进行了对比,证明该数值计算模型的准确性.利用数值计算方法,研究了旋流喷嘴在不同安装角下,喷雾进入横向气流场后液滴Sauter直径(SMD)的变化规律,给出了喷嘴出口下游矩形管道中不同截面上雾化液滴粒径的分布情况.结果表明:对于压力旋流喷嘴,安装角与液滴统计粒径呈多值关系;随着喷嘴安装角的增大,液滴粒径的分布变宽.     

横向流速度对旋流式喷嘴雾化影响的数值分析

为了研究横向流速度对旋流式喷嘴雾化的影响,通过对旋流式喷嘴在横向流场中的雾化场进行数值模拟;模拟结果给出了喷雾流场随横向流速度变化的规律,并得到了不同横向流速度下喷雾液滴的索特平均直径（SMD）,进一步分析了喷嘴出口下游截面雾化粒径的分布情况。     

旋流喷射液滴粒径与速度数量密度分布

建立了圆环旋转黏性液体射流破碎液滴粒径与速度联合概率密度函数;在此基础上,对压力旋流燃油喷射破碎液滴粒径和速度的数量密度分布特性以及碰撞和蒸发对破碎液滴粒径数量密度分布的影响进行了研究.结果表明:从液滴粒径数量密度分布角度看,存在一旋转强度,小于该旋转强度时,旋转不利于射流破碎雾化,只有超过该旋转强度后,旋转才会促进射流破碎雾化,轴向速度增大有利于射流破碎雾化;从液滴速度数量密度分布角度看,旋转总是有利于射流破碎与雾化,轴向速度增大对促进射流破碎雾化作用不明显;碰撞强度增加,破碎液滴粒径数量密度分布向粒径增大方向移动,粒径数量密度分布范围增大,粒径数量密度分布峰值变化不大;蒸发强度增大或蒸发持续时间增长,破碎液滴粒径数量密度分布向粒径减小方向移动,粒径数量密度分布范围增大,粒径数量密度分布峰值变化不大.     

基于模态分析的非定常气膜冷却数值研究

为了研究非定常气膜冷却的强化冷却机理,利用大涡模拟对非定常圆孔气膜冷却进行数值模拟,研究了4种不同脉动频率下(St=0,0.2,0.3,0.5)的涡结构与气膜冷却效率,并利用动态模态分解对计算结果进行分析,研究流场与换热的耦合机理。结果表明：脉动频率对非定常射流气膜冷却效率的影响较大,当St=0.2时气膜冷却效率与稳态射流相似,当St=0.3时气膜冷却效率比稳态高,而当St=0.5时气膜冷却效率反而会降低;当St=0.3时非定常射流能抑制下游发卡涡的生成并加速其破碎,从而提高气膜冷却效率;射流脉动产生了很多次生涡结构,这些涡结构促进了在流向方向上射流与主流的掺混,但是抑制了展向上的射流与主流掺混。     

直喷汽油机中空锥形燃油喷雾的雾化和蒸发模型

高压旋流中空燃油喷雾日益广泛地应用于缸内直喷(GDI)汽油机中，为此发展了一种适合于模拟这种燃油喷雾雾化过程的薄膜喷雾模型．燃油薄膜的破碎过程采用表面波破碎理论来模拟．对Spalding蒸发模型和油滴阻力模型进行了改进，用来计算油滴的蒸发和阻力变形过程，同时引入初始喷雾液团的计算模块．在多维内燃机计算程序KIVA3的基础上建立了改进的数值计算模型，并对不同喷射条件下的定容压力容器中空旋流燃油喷雾过程进行了数值计算，对计算和实验所得的喷雾特性包括油束外形结构，油束喷雾贯穿度和油滴粒径进行了详细的比较，同时对单液滴的蒸发过程也进行了数值计算，油束模型的计算结果与实验结果吻合良好。     

喷雾特性CFD仿真的准确性与效率的探讨

利用CONVERGE软件对直喷汽油机喷嘴的喷雾特性进行三维数值模拟。以CONVERGE的自适应网格功能和常用的KH-RT模型为例,就模型标定方法、计算网格划分方法对喷雾贯穿距和液滴的索特尔平均直径(SMD)计算结果的准确性和快速性的影响进行了分析研究。研究结果表明:仅用喷雾贯穿距数据来标定喷雾模型会大大降低仿真的精度,这样标定的模型不能真实地预测喷雾的雾化特性;在同等计算精度的情况下,采用自适应网格(最小网格尺寸为1mm)时,计算时间约是固定网格的十分之一;当采用更小的自适应网格尺寸(0.5mm)时,计算时间约为固定网格(1mm)的六分之一。     

外开环直喷喷油器在不同燃油过热度下的喷雾特性研究

采用平面激光米氏散射和相位多普勒干涉(PDI)等激光测试技术,从宏观与微观两方面对不同燃油过热度下外开环直喷发动机喷嘴的喷雾特性进行了研究。测试燃料选用具有固定沸点和饱和蒸气压的正己烷。宏观特性通过喷雾贯穿距、喷雾角与喷雾宽度进行量化,微观特性主要关注索特平均直径(SMD)与粒径分布。采用环境压力与饱和蒸气压之比(pa/ps)作为衡量过热度的无量纲参数。研究表明:过热度由非闪沸区增大到完全闪沸区,喷雾结构由空锥的"伞"形变为实体的"钟"形。随着过热度的增大,喷雾贯穿距呈现先减小后增大的趋势,拐点发生在pa/ps为0.3附近。喷雾角在过热度较小(pa/ps0.3)时基本上保持不变;过热度超过一定值(pa/ps0.3)时喷雾角开始明显减小。SMD与粒径分布也表明:增大过热度,喷雾雾化变好,尤其在过热度由非闪沸过度到完全闪沸区(pa/ps由1.55降到0.11)时,SMD由16.03μm降到7.78μm,DV90由26.05μm降到12.89μm。     

喷嘴结构对喷雾特性的影响

为了解高压共轨喷嘴结构对喷雾的影响,试验采用三维相位多普勒粒子分析仪(PDPA),在高喷射压力条件下研究了不同的喷嘴结构的喷雾粒径空间分布情况.结果表明:高压燃油喷雾的粒径分布呈现轴线大、两边小的趋势,并在喷雾边缘稍微增加;同时随着喷射压力的增加,喷雾索特平均直径(SMD)的分布呈现粒径减小的趋势,小粒径区域逐渐向喷嘴顶端靠近,喷雾雾化效果随喷射压力增加而改善.随着喷孔直径的减小,喷雾总体SMD呈减小趋势;当喷孔直径减小到一定程度时,进一步减小喷孔直径对喷雾雾化效果的影响逐渐减弱.孔径为0.18,mm的喷嘴,喷雾SMD随着长径比(L/D为3.89~5.00)的增加而增大;孔径为0.13,mm的喷嘴,喷雾SMD随着长径比(L/D为5.38~7.69)的增加而降低.     

撞击式喷雾特性的拉格朗日数值模拟

采用数值模拟的方法对自由喷雾和撞击式喷雾特性展开研究.在开源CFD程序KIVA-3V的基础上,嵌入改良的环境压力表征的液滴碰撞模型,对1 MPa和6 MPa下自由喷雾与撞击式喷雾喷射过程中的液滴碰撞频率、索特平均直径(SMD)等微观特性进行研究.结果表明:低压环境(1 MPa)下撞击式喷雾的液滴碰撞后融合频率较高,其SMD较自由喷雾偏大;随着压力升高,液滴碰撞后表现出以"弹开"为主的结果,高压环境(6 MPa)下撞击式喷雾相比自由喷雾会有更小的SMD,更有利于随后的雾化与燃烧过程.在此基础上继续研究喷油量对撞击式喷雾雾化特性的影响,进一步发现了高压环境下空气阻力和环境压力诱导的液滴弹开行为主导了撞击式喷雾的微观特性,为今后直喷式内燃机供油系统的改进提供了参考.     

启喷阶段高压柴油射流雾化机理的大涡模拟

采用气液两相流大涡模拟(LES)方法,结合VOF模型对高压柴油射流在启喷阶段的雾化过程进行数值求解.LES与实验结果(喷雾结构和贯穿距离)具有较好的一致性.然后结合LES模拟的流场信息(速度场、压力场和亚网格黏度场)对雾化过程进行分析.同时通过对比LES结果、实验结果和线性不稳定理论结果对启喷阶段的雾化机理进行了探讨,并提出了新的喷束结构(比Hiroshi Hattori提出的喷束结构更准确地描述了喷束迎风面结构).最后,研究了环境背压对喷雾结构的影响.研究表明,对于无空泡射流,启喷阶段射流头部迎风面存在的RT不稳定机制分裂的液滴是液滴的主要来源.     

缸内直喷(GDI)汽油机燃油喷雾和分层燃烧的数值研究

应用修正的多维流体力学计算程序KIVA-3V对缸内直喷(GDI)汽油机燃油喷雾和混合气分层燃烧过程进行了数值模拟。修正的子模型包括改进的燃油薄膜雾化模型、油滴破碎模型、油滴分布模型、初始缸内气体滚流模型、油滴蒸发模型以及燃烧模型。针对一种典型的三菱缸内直喷汽油机燃烧室结构在部分负荷工况下的燃油喷雾和分层燃烧进行了数值模拟。分析了不同的喷油器位置,缸内逆向滚流强度以及喷油时刻对火花塞附近混合气浓度的影响。计算结果表明,这些参数对燃油分层模式,点火过程以及燃烧特性都有显著影响,不适合的参数将导致火花塞间隙附近燃油空气混合气过稀或过浓从而使燃烧恶化。对缸内直喷汽油机部分负荷工况而言,燃烧室构形、缸内气体流动组织以及喷油时刻的优化设计对实现成功的分层燃烧起着重要作用。     

超声速气流中液体横向脉冲射流一次破碎的大涡模拟

为改善超燃冲压发动机液体燃料的雾化和混合效果,提出一种液体横向脉冲喷入超声速气流的喷注方式,并进行数值计算以探究射流脉动对一次破碎的影响.使用两相流大涡模拟(LES)算法计算超声速气流中液体的雾化,使用CLSVOF方法追踪气液界面,可压缩流动求解器求解气相,不可压缩求解器求解液相.结果表明:脉冲射流的表面破碎和液柱破碎都得到了增强,射流破碎长度显著缩短,在所研究的脉冲频率方案下,脉冲引起的不稳定性会替代Rayleigh-Taylor不稳定性,主导射流一次破碎;由于射流速度的脉动,脉冲射流的穿透深度相比于稳态射流可以提高20%,尾迹区宽度可以扩大25%,展现了更好的雾化和混合效果.     

残余气泡对柴油射流初期破碎的影响

柴油机喷油嘴内的残余气泡在一定程度上影响燃油的初期雾化效果,从而影响柴油机排放特性.采用高速可控闪光摄影技术拍摄了喷油器透明喷嘴孔内流动及近场喷雾,结果表明:在针阀开启之前,喷油嘴内部存在残余气泡;在喷射初期阶段,柴油喷雾结构呈现两种形态:传统的"蘑菇"形态和前端带有细长液丝的"蘑菇"形态,第一种形态出现概率远大于第二种.基于可压缩流体体积函数(VOF)多相流模型,采用大涡模拟方法,研究残余气泡对初期喷射阶段射流破碎的影响,结果表明:残余气泡的初始位置对初期射流雾化形态有显著影响;当残余气泡处于喷孔前端时射流前端会形成初始尖端,尖端周围涡环运动使其拉伸形成细长液丝,从而形成第二种射流形态.     

天然气柴油双燃料发动机内部燃料混合模拟研究

基于AVL FIRE软件,模拟了缸内直喷引燃天然气和柴油喷射混合过程,对湍流模型进行了校核和验证,分析了不同喷孔高度、喷孔倾斜角及喷孔交角下柴油和天然气射流的混合情况。研究表明:k-ε湍流模型更适用于天然气/柴油双燃料的模拟;喷孔高度、倾斜角及交角越大,索特平均值经(SMD)越小,其中喷孔交角大的获得的雾化效果最好;喷孔之间的相对位置决定了油气射流之间能量传递,从而影响了油气贯穿距及雾化效果。     

螺旋形实心锥喷嘴雾化特性试验研究

为了对氨法脱硫用螺旋形实心锥喷嘴的雾化特性进行准确预测,基于高速阴影技术和图像处理方法,对两种不同螺旋升角的螺旋形实心锥喷嘴的流量特性、喷雾场结构特征、雾化角变化规律、破碎长度、液滴空间分布及平均粒径进行分析。结合脱硫常用的空心锥离心式喷嘴,开展了两种喷嘴的稳定性对比分析。结果表明:螺旋形实心锥喷嘴的流量特性与螺旋升角无关,其喷雾场呈螺旋状同心锥面分布,雾化后液滴也呈螺旋形多层次分布,即实心锥分布;螺旋形实心锥喷嘴雾化角在喷注压降大于0.05 MPa时与螺旋形升角有关,与流量和喷注压降无关;考虑螺旋面升角对液滴平均粒径的影响,得到了新的索太尔平均直径(SMD)经验关系式,预测结果与试验结果趋势一致,且螺旋升角越大,液滴平均粒径越小;螺旋形实心锥喷嘴在喷注压降小于0.05 MPa时也能保证稳定雾化,而空心锥离心式喷嘴会出现约为9 Hz的自激振荡现象,喷雾场呈"宝塔形",且具有明显的Klystron效应。     

亚网格湍动能及湍流弥散效应对燃油喷雾特性的影响

采用大涡模拟方法和不同的雾化模型对定容弹中燃油喷射和雾化过程进行数值分析.着重探讨亚网格尺度湍动能,特别是燃油喷雾所诱导的亚网格湍能源项对液滴运动和喷雾特性的影响,并进一步探讨了亚网格气相湍动能对液滴弥散速度乃至喷雾场的影响.通过对不同的工况条件的模拟计算对喷雾的影响因素进行了讨论并与相关的实验进行了比较.计算结果表明,KH-RT破碎模型要优于MTAB模型,湍流弥散效应和亚网格湍动能喷雾源项对燃油喷雾有着重要的影响,其作用均是减少喷雾贯穿距,使模拟结果更接近于实验.其中,湍流弥散效应的影响更为显著.     

喷孔夹角对直喷汽油机混合气形成与燃烧特性的影响

基于试验验证了喷雾模型和燃烧模型,采用CFD技术研究了喷孔夹角对直喷汽油机喷雾发展、混合气形成以及缸内燃烧特性的影响.研究结果表明,增加喷孔夹角,减小喷雾之间相互作用,有利于燃油雾化,改善了缸内混合气及缸内燃烧,提高了缸内压力和放热率.喷孔夹角大小的选择直接影响直喷汽油机缸内混合气质量与燃烧优劣.     

基于欧拉-拉格朗日方法的高压喷雾过程数值模型

为评估不同湍流模型和液滴破碎模型在高压喷雾雾化过程模拟的准确性,基于欧拉-拉格朗日方法,参照Sandia国家实验室ECN研究组的Spray A正十二烷喷雾试验,开展高压喷雾过程的数值模拟研究。不同湍流模型和液滴破碎模型的仿真结果表明：对高压喷雾雾化过程进行数值仿真时,湍流模型中标准k-ε模型和Realizable k-ε模型的数值模拟结果与试验结果更加接近,其中标准k-ε模型能更准确地预测液相贯穿距,Realizable k-ε模型能更准确地预测气相贯穿距;液滴破碎模型中KH-RT模型与Wave模型的模拟结果与试验结果都比较接近,且KH-RT模型的模拟结果准确性更高。