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.     

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。     

纵向受迫扰动下直喷雾化特性数值模拟

基于Gerris网格自适应技术和高精度流体体积(VOF)函数方法,建立了受迫扰动的直喷雾化数值模型,分析了不同扰动频率和扰动幅度下高速柴油直喷雾化破碎过程及其喷雾场结构特征,获得了全场液滴的空间粒径分布.在理论和试验数据验证数值计算模型的基础上对受迫扰动直喷雾化特性和喷雾场结构进行了数值分析.结果表明:射流的频率响应影响可分为3个状态,当St0.3或St0.6时,射流的频率响应较弱,但雾化索特平均直径(SMD)及其分布集中程度比0.3St0.6时更好.此外,射流来流扰动幅度也会显著影响雾化效果.随着扰动幅度的增加,液柱破碎长度会急剧减小并最终趋于恒定,同时,雾化SMD及其分布集中程度也会得到明显改善.     

生物柴油喷雾特性的数值模拟

根据可视化试验的结果,利用计算流体力学的方法对生物柴油和柴油的喷雾进行模拟,建立了三维仿真模型,并验证了模型的正确性.利用该模型研究了生物柴油和柴油的喷雾特性,计算了不同喷孔直径对喷雾贯穿距离、索特平均直径等的影响.研究结果表明:生物柴油的雾化特性与柴油不同,柴油的雾化特性更好;减小喷孔直径缩短了生物柴油的喷雾贯穿距离,而且有助于液滴的破碎和雾化.     

柴油/PODE_(3-4)混合燃料喷雾特性的试验

基于高压可视化定容燃烧弹试验台,利用高速摄影技术和激光粒度仪对柴油/PODE_(3-4)混合燃料喷雾特性进行研究,分析了燃料物性、喷射压力和喷孔直径对混合燃料宏观与微观特性的影响.结果表明:混合燃料的喷雾贯穿距离大于纯柴油,并呈现先增大后趋于稳定的趋势;在高喷射压力下,相比纯柴油,混合燃料的喷雾贯穿距离增幅较为明显,但平均喷雾锥角增长幅度较小;增大喷孔直径,混合燃料与纯柴油的喷雾锥角和喷雾贯穿距离都增大;喷射压力升高,混合燃料的索特平均直径(SMD)都下降,柴油下降幅度最小,D_v90降幅较为明显,说明在喷射压力影响下,大液滴更容易破碎成小液滴;随着喷孔直径增大,混合燃料的SMD、D_v10、D_v50和D_v90都呈上升趋势,说明较大的喷孔直径不利于混合燃料喷雾特性的改善.     

Comparative Study of Diesel and Biodiesers Atomization Characteristics

为了研究生物柴油与柴油在雾化质量方面的差异,在燃油雾化质量评价理论的基础上,采用高速摄像机和马尔文激光粒度分析仪对柴油、生物柴油的喷雾特性进行了对比研究;计算分析了喷雾发展的不同时刻的喷雾锥角、贯穿距离,以及喷雾液滴的尺寸体积分布、累计体积分布、特征直径、平均直径和发散边界。结果表明：由于生物柴油的运动粘度、密度和表面张力都大于柴油,所以生物柴油的贯穿距、平均直径、特征直径、发散边界都比柴油的大,喷雾液滴的尺寸体积分布曲线和累计体积分布曲线都偏向大颗粒方向,喷雾锥角和相对尺寸范围比柴油的小,这说明生物柴油的雾化质量差。     

柴油和生物柴油喷雾特性的对比研究

为了研究生物柴油与柴油在雾化质量方面的差异,在燃油雾化质量评价理论的基础上,采用高速摄像机和马尔文激光粒度分析仪对柴油、生物柴油的喷雾特性进行了对比研究;计算分析了喷雾发展的不同时刻的喷雾锥角、贯穿距离,以及喷雾液滴的尺寸体积分布、累计体积分布、特征直径、平均直径和发散边界。结果表明:由于生物柴油的运动粘度、密度和表面张力都大于柴油,所以生物柴油的贯穿距、平均直径、特征直径、发散边界都比柴油的大,喷雾液滴的尺寸体积分布曲线和累计体积分布曲线都偏向大颗粒方向,喷雾锥角和相对尺寸范围比柴油的小,这说明生物柴油的雾化质量差。     

定容弹中船机相似工况下燃油雾化特性的数值研究

确定了柴油喷雾参数,确保该参数下模拟贯穿距与试验数据吻合较好;然后基于验证的喷雾模型,研究了不同喷油角度时涡流对喷雾形态、贯穿距、燃油蒸发质量和液滴平均粒径(SMD)的影响,以及不同燃油温度和环境温度在涡流作用下对柴油喷雾贯穿距、蒸发质量和液滴平均粒径(SMD)的影响;最终得出优化喷雾特性的策略。结果表明:涡流方向与喷雾方向相反或垂直时,涡流作用可以抑制喷雾轴向贯穿距发展;涡流与喷雾相切时,涡流可以促进喷雾轴向贯穿。涡流能够增强液滴与环境气体的相互作用,增加燃油蒸发质量,降低液滴平均直径。在涡流作用下不同燃油温度和环境温度对燃油贯穿距影响不大,提高两者可以使蒸发质量增加,两者对液滴平均直径的作用不同:燃油温度提高,喷油过程中SMD的峰值增加,最终SMD变化不大;环境温度提高,SMD的峰值和最终值都下降。当400K燃油以涡流切向喷射到温度为900K的环境气体中时,能够实现最优的雾化特性。     

柴油机喷油器喷孔空泡雾化的研究

作者对柴油机喷孔空泡雾化的特性进行了研究，分析了喷孔内空泡产生的机理，并建立了计算模型。该模型考虑了喷射压力、喷孔几何结构、燃烧室条件、孔内流动损失与空穴因素，为喷雾的多维模拟提供了准确的初始条件。三维数值模拟计算结果表明，空泡雾化促进了喷孔出口液核的分裂，加剧了喷束的二次雾化，以考虑空雾化模型为计算初始条件，其在喷射速度、液滴尺寸（SMD）和贯穿距的计算结果更符合实际喷雾测量。     

生物柴油缸内喷雾特性的大涡模拟研究

采用数值计算,结合动网格和大涡模拟的方法,对柴油和生物柴油的缸内喷雾特性进行了研究。喷雾模型经过验证,与相关的实验研究结果较为符合,且大涡模拟能很好地捕捉喷雾场中随机的复杂三维涡团结构和空气卷吸现象。研究在不同喷油压力和喷孔直径下对比了柴油和生物柴油喷雾的贯穿距离和索特平均直径。结果表明,生物柴油喷雾具有更长的贯穿距离和更大的索特平均直径,显示了生物柴油相对较差的雾化和蒸发特性,而采用高压小孔喷油可以显著改善生物柴油雾化特性。     

柴油丙烷混合燃料的喷雾特性的试验研究

利用高速摄像和纹影成像系统研究了柴油溶解丙烷混合燃料喷雾特性。研究了不同比例柴油/丙烷混合燃料的喷雾发展过程,归纳出柴油溶解不同比例丙烷在不同环境背压下喷雾的喷射距离、破碎长度、喷雾锥角随时间的发展规律。研究结果表明:柴油溶解不同比例丙烷混合燃料与纯柴油的喷雾特性在形态上存在较明显的差别,但是在喷射距离、破碎长度和喷雾锥角与时间及背压的关系上规律相同,即喷射距离与时间呈指数关系,破碎长度与时间呈负指数关系。喷雾锥角随背压及柴油中溶解的丙烷含量的增加而增大。     

GDI发动机喷雾特性的数值模拟和试验

汽油直喷发动机高压燃油喷射系统与燃油经济性和废气排放等密切相关,通过试验和数值模拟对高压喷油系统和旋流喷油器的喷雾特性进行了研究.在不同喷射压力、背压压力条件下,利用高速摄像机对喷入定体积容器的喷雾进行了喷雾贯穿距离和喷雾锥角参数的测量.结果表明:在低背压压力下,喷雾呈现出空锥、较大范围的分布形态,有利于实现燃油与空气的均质混合;在高背压条件下,喷雾呈现出紧凑密集的分布形态,有利于实现燃油与空气的分层混合.获得的贯穿距离经验公式与试验测量值在一定范围内是一致的.基于AVL HYDSIM环境建立了一维高压喷油系统模型,模拟得到的针阀升程与试验获得的图像在时间上具有一致性.     

生物柴油缸内喷雾特性的数值模拟

采用数值模拟的方法研究了4102Q柴油机燃用生物柴油的喷雾特性,探讨了喷孔结构参数、针阀开启压力、生物柴油的掺混比、发动机转速、负荷和燃油温度对喷雾的贯穿距离和索特平均直径的影响规律,并与柴油进行比较,对计算精度进行了分析.研究结果表明:2种燃料的喷雾特性随上述因素的变化规律基本一致;生物柴油-柴油混合燃料的贯穿距离和索特平均直径均随生物柴油掺混比的增大而增大;相同因素条件下,生物柴油的贯穿距离和索特平均直径均大于柴油;2种燃料喷雾特性的差别是由其不同的理化特性引起的,密度和黏度是主要因素;数值模拟的精度是足够的.     

基于数字图像处理的LPG喷雾特性试验研究

使用高速纹影摄影和数字图像处理方法研究了具有相同喷孔直径的两个分别带有和不带双孔分流套的单喷孔喷嘴在MPI喷射条件下液态LPG燃料的自由喷雾过程,测量了喷雾贯穿距离、投影喷雾面积、喷雾体积和喷雾锥角等喷雾特性。通过与手工测量结果对比证明了数字图像处理方法测量结果的有效性。试验结果表明:喷射压力越高,喷雾贯穿距离、投影喷雾面积和喷雾体积越大,而喷雾锥角越小;带有双孔分流套的喷嘴雾化效果好,更有利于形成均匀混合气;在喷雾中期和后期,不带双孔分流套的喷嘴的喷雾贯穿距离长,但在喷雾初期的一段时间内,却比带有双孔分流套的喷嘴的喷雾贯穿距离短。     

非食用源生物柴油喷雾特性的试验研究

采用高速摄影在基于高背压、大可视化场的定容弹(CVB)中研究了不同掺混比生物柴油的喷雾特性,并与柴油进行了对比。试验发现,随掺混燃料中生物柴油比例的增加,喷雾贯穿距增大,喷雾锥角减小,喷雾前端面速度增大。在0.05~0.475S时段的喷雾锥角对喷雾变化起重要作用,其中0.475S一般对应最终稳定的喷雾锥角。不同掺混比的生物柴油,在喷射后0.8 ms时,喷雾贯穿距开始出现较为明显的区分。     

关于喷雾流动蒸发燃烧的数值模拟研究

采用欧拉气相方程和拉格朗日液滴方程,同时耦合化学反应,对喷雾流动、蒸发、燃烧进行模拟,分析了喷雾液滴的分布、液滴贯穿距离、索特平均直径、放热率等。通过与试验结果的对比表明:计算能很好地预测蒸发和非蒸发喷雾的油滴贯穿距离以及燃料蒸气的贯穿距离;高温高压下喷雾的自燃着火,燃烧迅速扩散。对计算结果的分析表明:高温高压下容易产生二次破裂;在火焰前锋附近,局部放热量大,产生了预混燃烧,而喷雾液核区域的燃油燃烧是由湍流扩散控制的。     

二甲醚闪急沸腾喷雾的实验研究

采用高速摄像技术在常温常压状态下对二甲醚闪急沸腾喷雾过程进行了观察,研究了启喷压力和喷孔直径对喷雾形态发展过程、喷雾贯穿距和喷雾锥角的影响。实验结果表明,喷嘴启喷压力越大,涡环形成时间越晚,喷雾锥角越小,喷雾贯穿距越大;喷孔直径越小,涡环形成时间越晚,喷雾锥角越小。喷孔直径对喷雾贯穿距的影响则比较复杂,在喷雾前期,喷孔直径越小,喷雾贯穿距越大,但在喷雾后期,情况正好相反。     

非对称多孔喷油器撞壁喷雾特性的试验与模拟

采用高速阴影摄像技术对直喷汽油机非对称多孔喷油器进行了撞壁喷雾特性研究.分析了撞壁距离和撞壁角度对撞壁喷雾贯穿距和半径的影响.利用计算流体力学CFD(Computational Fluid Dynamics)技术研究了撞壁距离与撞壁角度对撞壁喷雾粒径SMD(Sauter Mean Diameter)、壁面油膜厚度以及壁面油膜面积的影响.结果表明,撞壁距离与撞壁角度对撞壁喷雾有着重要影响,在试验条件下较佳的撞壁距离大约为26.1,mm,即压缩/进气上止点前后60°CA左右,较合适的撞壁角度应该是75°左右.此外,喷雾离开喷嘴3,ms后,撞壁距离为26.1,mm时,撞壁喷雾粒径SMD平均较撞壁距离18.1,mm时大了约1,μm,而比撞壁距离47.1,mm时小了约14,μm;撞壁角度为75°时,撞壁喷雾粒径SMD平均较撞壁角度60°时小了约5,μm,而比撞壁角度90°时大了约1.6,μm.     

燃油喷射系统参数对二甲醚闪急沸腾喷雾的影响

在环境温度293 K、环境压力0.1 MPa条件下,采用数字粒子图像速度场仪(DPIV)研究了喷嘴开启压力、喷孔直径对二甲醚(DME)闪急沸腾喷雾和柴油喷雾的影响。研究结果表明:与柴油喷雾相比,DME闪急沸腾喷雾具有较大的喷雾锥角、喷雾面积和较小的喷雾贯穿距;这3个参数均随喷嘴开启压力的提高而增大;当喷孔直径增大时,喷雾锥角和喷雾面积随之增加,而喷雾贯穿距可能增大也可能减小。     

柴油机缸内环境下碰壁喷雾的蒸发特性研究

在高温高压定容弹内基于紫外/可见光两波长激光吸收与散射法测得的柴油模拟燃料碰壁喷雾的气液两相浓度分布、贯穿距、平均粒径等数据,并由此研究碰壁喷雾蒸发模型的准确性,提出了碰壁喷雾的标定方法,最后用标定好的模型对不同喷油量条件下的喷雾进行预测并用实测数据进行验证。由此揭示了主要标定参数对蒸发特性的影响规律,如回弹韦伯数越大蒸发量及蒸发速率下降越明显等,并提出了蒸发碰壁模型的主要标定参数的确定方法。