燃油喷射雾化机理的探讨

本文从空气动力干扰假说出发，通过分析油－气交界面上不稳定波波幅增长和破碎过程，定性和定量地探讨了索特平均直径及滴径分布。本文认为，燃油雾化过程可分为两阶段：一次雾化和二次雾化。一次雾化只发生在油－气交界面上，主要是喷注和空气之间的气动干扰作用，由射流表面产生不稳定波波幅增长和破碎所引起的；而二次雾化则发生在油气渗混区，由一次雾化后产生的油滴在空气中进一步破碎和相互聚合来决定。算例表明，燃油二次雾化假设及其对索特平均直径ＳＭＤ和滴径分布所作的定量分析是一次成功的尝试。     

基于VOF方法的弹簧喷嘴雾化数值模拟研究

弹簧喷嘴在除氧器中广泛应用,其雾化质量显著地影响着传热传质速率。采用欧拉VOF方法追踪气液两相交界面的动力学特性,研究喷嘴出口处液膜破裂和液滴的形成过程。结果表明,射流一开始呈连续的液膜,液膜开始破碎位置在垂直位移约20 cm左右,破碎后液滴的粒径和破碎时液膜厚度很接近。液膜在气体剪切力和表面张力的作用下,液膜表面首先产生褶皱,继而产生一些不规则分布的孔洞,然后孔洞的数量和尺寸不断增加,最后导致液膜撕裂,产生小液柱或液滴。     

基于VOF-DPM模型的离心喷嘴中的燃油流动及雾化特征研究

针对燃油在离心喷嘴中的内部流动及其外部雾化过程,采用VOF-DPM模型对其进行了数值模拟研究。分析了压力对喷嘴出口处空气芯大小和液膜厚度的影响,得到了液膜破碎长度和雾化锥角等雾化特性,应用实验测试结果对数值模拟进行了验证,并与流体体积函数法(VOF)和离散相追踪法(DPM)进行了对比。结果表明：VOF-DPM模型可以真实反映离心喷嘴的内部流动和外部雾化特性,研究发现了与实际雾化过程符合的液膜破碎存在孔洞破碎和边缘破碎两种形式;捕捉到了在液膜表面的波动及气动力共同作用下液膜失稳破碎形成液滴的过程;燃油流动及雾化特性随着压力增加发生变化,喷嘴内空气芯直径增大,出口处液膜厚度减小,液膜的破碎长度下降。     

燃油喷雾初始破碎及二次雾化机理的研究

基于大涡模拟LES(large eddy simulation)理论和VOF(Volume of Fluid)方法,考察了燃油喷雾初始时刻即时间尺度为微秒级的液柱破碎过程,分析了初始破碎的机理,给出了该时间尺度下液柱初始破碎过程的模型;通过对一特定条件下的柴油机喷油器的建模和喷雾过程的大涡数值模拟,获得了液柱初始时刻"伞状头部"的喷雾形态,所得计算结果与相应的试验数据符合较好;数值模拟还直观地展现了液滴背风RT破碎、哑铃型破碎以及液滴的聚集融合等液滴的二次雾化过程.同时,也说明了大涡模拟这种准直接数值方法较之DDM(discrete droplets model)方法所具有的优势和潜力.     

柴油在亚、超声速气流中横向喷射实验研究

改造普通油嘴,采用单次高压燃油喷射系统和阴影照相,首次研究了柴油射流柱在亚、超声速气流中横向非定常喷射问题。忽略破碎和雾化过程,用双流体模型和高精度格式,对该问题进行了初步的数值模拟。结果表明：沿射流柱表面传播的表面波是引起射流柱破碎的主要因素,破碎点位于表面波的波谷。高速气流中射流柱的雾化过程可分为射流柱区、大液块的首次破碎区、小液块的二次破碎区和液滴区。射流激波贴近射流柱迎风面,为三维凸形结构,在通道内反射,形成非定常的复杂波系结构。射流、来流动压比是影响柴油穿透深度的关键参数。计算得到的液相等密度线分布与实验结果在定性上一致。     

柴油机燃油喷射雾化的PIV测量试验研究

介绍了先进的粒子图像测速技术(PIV)应用于燃油喷雾过程的试验研究结果，燃油通过多种孔径的单孔和多孔喷油嘴喷入一个定容压力室内，采用高分辨率的CCD摄像机记录整个喷射过程，可以观察到喷雾场内部结构．结果分析显示，高速射流表面存在不稳定扰动波，在气动力作用下，液滴发生分裂破碎，呈现枝状分离表面．瞬态速度矢量图显示，气液界面处存在大尺度的卷吸涡流运动，有助于油气扩散混合。     

流量脉动对燃油喷嘴雾化过程影响的实验研究

针对航空发动机燃烧室中存在的燃油流量脉动问题开展实验研究,设计并搭建了燃油喷嘴流量脉动激光可视化实验台,在等流量条件下利用高频激光粒子图像速度仪(High Speed Particle Image Velocimetry, PIV)分析燃油脉动频率变化对喷嘴雾化特性影响。实验结果表明:流量脉动促进了液膜表面的发展及液膜的破碎,对喷嘴的雾化产生积极的影响;喷嘴下游带状液膜区的发展和液滴的瞬态速度与喷嘴的流量脉动频率具有一致性;液滴的瞬态速度脉动幅值受脉动频率影响,在50 Hz时存在极大值。     

超临界环境下的雾化过程中表面张力变化对射流稳定性的影响

通过考虑由于气液界面上存在传热过程而导致的表面张力随空间分布的变化规律,并将此影响耦合加入线性稳定性理论中,研究燃油射流在进入跨临界环境后的稳定性及破碎行为.结果表明,随温度的增加,表面张力减小的梯度逐渐增大,并非线性分布;当气液界面温度接近临界点时,表面张力快速衰减为零;考虑传热效应和表面张力变化时,最不稳定波的增长率随波的发展是变化的.分析结果将有助于理解跨临界环境下射流破碎的机理,进一步扩展现有雾化模型在实际工况下的适用性.     

针阀启闭过程近场射流破碎机理的研究

设计搭建了喷油器试验平台,采用数码相机和高放大倍数、高分辩率的长距离显微镜成像技术,对燃油近场区域射流破碎进行可视化试验.并以试验工况下的流动为研究对象,基于开源计算流体动力学(CFD)软件OpenFOAM对针阀启闭过程近场射流破碎进行了数值模拟.结果表明:喷油初期,针阀开启后燃油撞击喷孔内初始气泡造成近场初始射流不同破碎形态,初始气泡大小以及位置导致近场初始射流头部不同结构形态;射流表面形成不稳定的表面波以及表面波的增长导致了近场区射流初始破碎、射流与环境气体的交互作用,加速射流破碎以及液丝、液滴的形成,在射流表面液丝和液滴剥离处存在较强的微尺度湍流,该区域具有较高的湍动能和亚网格涡黏系数;喷油末期,随着针阀关闭射流逐渐收缩,最终形成较粗液丝状,并呈非轴对称摆动.     

柴油机多阶雾化模型及动态喷雾模拟

本文在作者推导的有粘液柱３维不稳定弥散关系式的基础上，对柴油机喷注的雾化机理进行了分析，建立了燃油雾化的多阶不稳定模型，根据不稳定流的最大波幅增长点提出了初始雾化参数（如滴径及滴径分布，喷雾锥角）的具体算法，并考虑了液滴的２次雾化问题。以半波正弦喷油规律为例的动态喷雾模拟表明，本文的计算对蒸发量有明显的改进，从而有助于解决原ＫＩＶＡ计算中蒸发量不足的问题，更重要的是，初始雾化模型的建立把多维模型中缸内工作过程与缸外供油过程密切联系起来，有利于分析喷油系统对喷雾混合过程的影响。     

Liquid jet in a subsonic gaseous crossflow: Recent progress and remaining challenges

This article reviews published literature on the characteristics of a liquid jet injected transversally into a subsonic gaseous crossflow. The review covers the following aspects: (і) liquid jet primary breakup regimes, (іі) liquid jet trajectory and penetration, (ііі) liquid jet breakup length, and (іv) droplets features and formation mechanisms. The focus is on analyzing the role of different prominent parameters which include gaseous and liquid properties, and liquid injector geometry. The review revealed that gas Weber number plays a crucial role in defining non-turbulent primary breakup regimes, while liquid jet Weber number is of great importance for the transition to turbulent primary breakup. Jet-to-crossflow momentum flux ratio is the most important parameter for predicting the trajectory, penetration, and breakup length of a liquid jet in a crossflow. The characteristics of droplets disintegrated during the primary breakup are mostly influenced by the nozzle exit conditions, whereas the characteristics of droplets produced via the secondary breakup are strongly dependent on the velocity of cross airflow. Although the review revealed that substantial progress has been made in understanding this complex two-phase flow phenomenon, there still remain several shortcomings which require further research.     

Stability of an annular viscous liquid jet in compressible gases with different properties inside and outside of the jet

A spatial linear instability analysis is conducted on an annular viscous liquid jet injected into compressible gases and a three-dimensional model of the jet is developed. The model takes into account differences between the velocities, densities of the gases inside and outside of the liquid jet. Theoretical analysis reveals that there exist 9 dimensionless parameters controlling the instability of the liquid jet. Numerical computations reveal some basic characteristics in the breakup and atomization process of the liquid jet as well as influences of these relevant parameters. Major observations and findings of this study are as follows. The Mach number plays a destabilizing role and the inner Mach number has a greater effect on the jet instability than the outer Mach number. The Reynolds number always tends to promote the instabilities of the liquid jet, but its influence is very limited. The Weber number and the gas-to-liquid density ratio also have unstable effects and can improve the atomization of liquid jets. Furthermore, the effects of the Weber number and gas-to-liquid density ratio on the maximum growth rates of axisymmetric and non-axisymmetric disturbances and corresponding dominant wave numbers are manifested in a linear way, while that of the Mach number is non-linear. The effect of Reynolds on the maximum growth rates is non-linear, but the dominant wavenumber is almost not affected by the Reynolds number.     

Stability of an annular viscous liquid jet in compressible gases with different properties inside and outside of the jet

A spatial linear instability analysis is conducted on an annular viscous liquid jet injected into compressible gases and a three-dimensional model of the jet is developed. The model takes into account differences between the velocities, densities of the gases inside and outside of the liquid jet. Theoretical analysis reveals that there exist 9 dimensionless parameters controlling the instability of the liquid jet. Numerical computations reveal some basic characteristics in the breakup and atomization process of the liquid jet as well as influences of these relevant parameters. Major observations and findings of this study are as follows. The Mach number plays a destabilizing role and the inner Mach number has a greater effect on the jet instability than the outer Mach number. The Reynolds number always tends to promote the instabilities of the liquid jet, but its influence is very limited. The Weber number and the gas-to-liquid density ratio also have unstable effects and can improve the atomization of liquid jets. Furthermore, the effects of the Weber number and gas-to-liquid density ratio on the maximum growth rates of axisymmetric and non-axisymmetric disturbances and corresponding dominant wave numbers are manifested in a linear way, while that of the Mach number is non-linear. The effect of Reynolds on the maximum growth rates is non-linear, but the dominant wavenumber is almost not affected by the Reynolds number.     

液体燃料射流最不稳定频率的理论分析（1）——液体燃料射流的最不？…

利用线性不稳定性理论,对粘性液体燃料射流射入气体介质的射流模型所对应的色散方程进行了数值求解。利用计算结果,分析了液体燃料射流不稳定性研究中的３个最重要的无量纲参数参韦韦伯数Ｗｅ、雷诺数Ｒｅ及密度比Ｑ,对分别处于瑞利模式和泰勒模式下的液体射流的最不稳定频率及对应的最大扰动增长率的影响。     

旋转气体介质对环膜液体射流破碎不稳定性影响的研究

利用线性不稳定性理论研究了旋转气体介质对黏性环膜液体射流破碎的影响。研究结果表明，无论是轴对称模式还是非轴对称模式，由液体环膜内部气体介质旋转所产生的离心力是液体射流的失稳因素，有助于液体射流的破碎。另外，由液体环膜外部气体介质旋转所产生的离心力是液体射流的促稳因素，不利于液体射流的破碎。当相同强度的旋转同时存在于内部和外部气体介质中时，对于轴对称模式，内部气体介质的影响显著，而对于非轴对称模式，则外部气体介质的影响更为明显。通常情况下，非轴对称模式的扰动增长率强于轴对称模式的扰动增长率，因此会在环膜液体射流的破碎中占据主导地位。     

射流参数对旋流雾化的影响

本文利用线性不稳定性理论,分析了无粘旋转液体射流射入无界气体介质中的破碎机理。通过改变各项射流参数,着重分析了液体旋流数对射流分裂雾化的影响,同时也探讨了与各种射流条件相对应的射流分裂雾化的主导模式。其研究结果可为旋流在工程实际中的应用,特别是在直喷式汽油机中的应用提供了一定的理论依据。     

气体旋转运动对环膜液体射流不稳定性影响的研究

环膜液体射流的破碎机理研究对于GDI汽油机的雾化过程具有重要的意义。利用线性不稳定性理论研究了旋转气体运动对低阶和高阶模式黏性环膜液体射流破碎的影响。对于色散方程的数值计算结果表明，无论是对称模式还是非对称模式，低阶模式的扰动增长率通常较之高阶模式要大得多，但较之低阶模式扰动，高阶模式对气体旋转运动更为敏感。研究结果同时表明，对于非对称模式，无论是低阶模式还是高阶模式的扰动，气体旋转运动都是液体破碎的失稳因素；对于对称模式，气体旋转运动是低阶模式扰动的促稳因素，然而却是高阶模式扰动的强烈的失稳因素。     

低排放燃烧室空气雾化喷嘴射流破碎特性研究

针对当前广泛应用于低排放燃气轮机燃烧室中的空气雾化喷嘴,采用大涡模拟（Large Eddy Simulation,LES）和流体体积法（Volume of Fluid,VOF）研究了其在流动模糊（Flow Blurring,FB）和流动聚焦（Flow Focusing,FF）模式下射流一次破碎过程的差异。结果表明：两种模式的射流一次破碎过程均可分为3个阶段,气液交界面波动阶段、射流发展阶段和射流破碎阶段;喷嘴内部回流区的演变决定了气液交界面的波动程度,流动模糊模式下射流在后两个阶段的径向速度和形态变化程度均远高于流动聚焦模式,气泡回流过程在其射流破碎阶段占据主导地位,液体管道内气泡分布位置与涡的强度呈正相关。     

液体射流在旋转气流中的雾化机理研究

对旋转气流中的空心柱形液体射流的雾化过程进行了数值模拟。结果表明：Reynolds数Re、Weber数We、空心柱内部及外部气液密度比Q和Qh及喷嘴内半径与液膜厚度比Ah，在射流的雾化过程中均起不稳定性的作用；空心柱射流内部的气流旋转强度Ea在雾化过程中加强了自由面上的轴对称扰动和非轴对称扰动；空心柱射流外部的气流旋转强度Eb削弱了自由表面上的轴对称扰动强度，却加强了自由表面的非轴对称扰动。此外，Eb的增加，能大大增加扰动种类。