基于RANS和LES湍流模型的二甲醚超临界喷雾数值模拟

分别采用RANS和LES湍流模型耦合KH-RT破碎模型对二甲醚超临界非燃烧喷雾实验进行数值模拟,研究两种湍流模型的适用性,并对比分析二甲醚亚临界喷雾和异辛烷超临界喷雾的发展过程。同时,基于LES湍流模型探讨了环境温度和压力以及喷射温度和压力的变化对二甲醚超临界工况下喷雾贯穿距的影响。结果表明,RANS和LES湍流模型均能较好地模拟二甲醚超临界喷雾,LES湍流模型的模拟结果与喷雾实验观察结果更吻合;与二甲醚亚临界喷雾相比,其超临界喷雾的雾化效果更好;在相同初始条件下,二甲醚超临界喷雾的雾化效果要优于异辛烷超临界喷雾;二甲醚超临界喷雾贯穿距随环境温度、燃油喷射温度和喷射压力的升高而增大,随环境压力的升高而减小。     

二甲醚和柴油高压喷射喷雾与燃烧可视化对比研究

为明晰高压喷射条件二甲醚闪急沸腾状态下的喷雾形态、自着火和火焰发展特性，通过高温高压定容燃烧弹，利用高速相机基于纹影法对比研究了柴油和二甲醚的喷雾和燃烧特性。实验中将喷射压力设置为60、100 MPa,环境背压设置为4 MPa,在喷雾、燃烧条件下环境温度分别设置为400、800 K。研究结果表明：同工况下二甲醚的喷雾贯穿距和喷雾面积均小于柴油，但其喷雾锥角大于柴油，雾化时间短于柴油，雾化效果优于柴油。随着喷射压力的提高，二甲醚与柴油的贯穿距和喷雾面积都增大，100 MPa喷射压力下二甲醚喷雾面积较60 MPa增大18.18%,而同工况下柴油增大23.5%。相比于柴油，二甲醚燃烧滞燃期和火焰浮起长度较短，燃烧持续期与柴油相当，但二甲醚燃烧火焰亮度、火焰面积和碳烟生成量明显低于柴油。随着喷射压力的提高，柴油与二甲醚的碳烟生成量均降低，但二甲醚的碳烟生成量降低效果更加显著，该文碳烟生成量用体积分数KL因子总和来表示，发现100 MPa喷射压力下的二甲醚KL总和较60 MPa减小33.3%,而同工况下柴油减小19.32%。     

空气喷射量对空气辅助喷射喷雾特性的影响

利用激光粒度仪分析了空气辅助喷射喷雾索特平均直径(Sauter mean diameter,SMD)的变化规律,并且分别在定容弹及光学发动机上开展了喷雾特性(喷雾锥角和贯穿距离)的试验研究,引入喷雾半锥角(α角和β角)的概念用以分析在有进气气流时空气喷射量对喷雾特性的影响.结果表明,增加空气喷射量可以改善燃油的雾化效果,特别是当喷雾燃空比γ小于0.8时,喷雾的SMD会有明显降低;在定容弹内空气喷射量的增大会使喷雾锥角减小,但对贯穿距离的影响不大;在光学发动机内由于进气气流的影响,空气喷射量的增加会使喷雾锥角增大,贯穿距离变小,同时喷雾锥角随时间的变化趋势也明显不同于定容弹内的试验结果.     

发动机缸内环境下二甲醚喷雾特性的试验

采用只能拍摄液态喷雾形态的背景散射法,在定容容器内模拟增压发动机实际压力和温度条件,利用超高速摄像机,观察二甲醚喷雾形态.研究了缸内环境、喷射压力、喷孔直径等因素对二甲醚喷雾特性的影响.结果表明:受喷射速度影响,喷雾贯穿距离随着喷射压力的增加而增大;喷雾液态贯穿距离随喷孔直径的增加而增加;在增压发动机高温、高压条件下,由于缸内气体密度和温度增加,喷雾贯穿距离减小;只在常温条件下,二甲醚喷雾周围才出现液滴;与柴油喷雾相比,二甲醚喷雾蒸发更迅速;2种喷雾的外缘处均呈现卷吸状,柴油喷雾分裂是液滴不断破碎微粒化,二甲醚喷雾分裂则是从喷雾液核开始直接迅速蒸发.     

超临界二甲醚喷雾特性的试验研究

为研究超临界二甲醚的喷雾特性,在定容容器内模拟涡轮增压发动机气缸内的实际环境,使用高速摄像机对超临界二甲醚喷雾的外形轮廓及发展过程进行观察,并将其与跨临界二甲醚喷雾进行对比。结果表明,二甲醚喷雾在发展过程中发生了明显的卷状分裂,并且观察不到二次分裂现象;超临界二甲醚喷雾的外形轮廓及贯穿距离与跨临界喷雾并未有明显差别,但由于超临界二甲醚在涡轮增压环境中的扩散速率更快,因此其喷雾锥角更大,喷雾核心区的长度更短;两种喷射状态下的二甲醚在喷入定容容器后,其喷雾尖端的推进速率都会先急剧增大,然后在达到峰值后又急剧减小,最后在低速段保持相对稳定。     

酸化油生物柴油喷雾特性试验

燃油的物理特性对喷雾过程有着重要的影响,本文利用高压共轨燃油喷射系统、定容弹（CVB）、纹影仪和高速摄像机,从贯穿距离和喷雾锥角等方面来探究酸化油生物柴油和普通柴油在高背压下喷雾特性的不同。研究结果表明：喷射背压为2 MPa 时,相同喷油压力下酸化油生物柴油的贯穿距离小于普通柴油;而在1 MPa背压时,其大于普通柴油。酸化油的喷雾锥角在两种背压下均小于普通柴油,而喷雾头部宽度大于普通柴油且相对较不规则。     

高压共轨燃油喷射雾化特性的数值预报

利用FLUENT软件,采用WAVE破碎及标准kε湍流模型,对高压燃油喷射雾化过程进行数值模拟研究;在可视化实验平台上,借助高速摄影技术,结合C#语言开发的图像处理软件,分析得出宏观喷雾特性。采用数值模拟方法获得了各种工况下的喷雾贯穿距和锥角等宏观特性的发展规律。研究结果表明:仿真结果与试验结果较吻合。喷射压力越大,喷雾贯穿距越大,喷雾锥角越小;背压越大,喷雾贯穿距越小,喷雾锥角越大;随着喷射时间的增加,单位时间内贯穿距离和喷雾锥角的增加幅度都呈逐渐减小的趋势。     

二甲醚喷雾特性的研究

采用高速摄影和激光阴影法在压力容弹中研究了喷油启喷压力、环境介质的密度、喷孔直径等参数对二甲醚喷雾特性的影响,并与柴油的喷雾特性进行了对比,结果表明：二甲醚的喷雾贯彻度小于柴油,喷雾锥角比柴油大;随着环境介质密度的增加,二甲醚的喷贯穿度减小,喷雾锥角增大;随着喷孔直径原增大,喷雾贯穿度和喷雾锥角均增大;当喷嘴启喷压力在10．0－15．0MPa之间变化时,二甲醚的喷雾贯穿度和喷雾锥角等特性没有变化。     

超高喷射压力下GDI喷油器喷雾宏观特性

为了探究在超高喷射压力下GDI(gasoline direct injection)喷油器喷雾的宏观特性,采用阴影法对喷射压力为5~60 MPa的喷雾进行测量,分析喷射压力对油束发展历程、贯穿距离、喷雾锥角、喷雾面积以及喷油器尾喷现象的影响,并通过对DENT经验公式进行修正,得到超高喷射压力下汽油的贯穿距离计算公式。研究结果表明:喷射压力的提高能够促进喷雾外围"分支状结构"的生成;喷射压力的提高使贯穿距离明显增大;喷雾面积随喷射压力的提高有所增加,但增幅逐渐减小;喷射压力每增加10 MPa,喷雾锥角峰值平均增加1.5°;当喷射压力达到30 MPa及以上时,喷油器尾喷现象基本消失;随着喷雾发展,贯穿距离和喷雾面积均呈现一定程度的线性增大;喷雾锥角呈先上升后下降,最后稳定在82°左右的趋势。     

乙醚在亚/超临界环境下喷雾燃烧及其产物

为了探究亚/超临界环境下燃料在定容燃烧弹内的燃烧过程及其产物,采用高压共轨燃料喷射系统试验台和单次喷射仪进行燃料供给。通过高速相机和阴影仪进行图像数据的采集,利用烟气分析仪进行燃烧产物的收集测量。试验结果表明:乙醚的燃烧火焰呈现较明亮的球状。在临界压力点时,喷雾燃烧贯穿距最短,火焰面积最小。乙醚喷雾燃烧后,一氧化碳(CO)的生成量随环境压力的升高而连续下降,碳氢化合物(HC)的生成量则在临界压力处出现突变。燃烧火焰特性和产物生成规律所呈现的差异性,主要是由于亚/超临界环境下燃料的物性参数和破碎蒸发机理的不同。     

高温下正十二烷喷雾及燃烧数值模拟研究

耦合RANS湍流模型、KH-RT破碎模型及SAGE燃烧模型,运用CFD数值模拟平台,对正十二烷在高温定容状态下的喷雾及燃烧现象进行研究。首先进行喷雾模型的标定与验证,确定了适合模拟的最小网格尺寸,然后分析若干边界条件对于正十二烷喷雾着火的影响规律。结果表明,环境压力对正十二烷喷雾尖端平均推进速率的影响程度不大;随着环境温度的升高,正十二烷喷雾的气相贯穿距不断增大,液相贯穿距呈现下降趋势,但变化并不明显;随着环境温度、环境氧浓度的升高,正十二烷喷雾滞燃期在不断地缩短,着火位置越来越靠近喷嘴。     

柴油机倒拖工况下喷雾试验研究

本文作者在自制的压缩膨胀装置中模拟有涡流和无涡流情况下的柴油机压缩过程,并用高速摄影方法拍摄喷雾的扩展形态。用胶片运动分析仪取得喷雾的速度、贯穿度、雾锥角等宏观参数。试验结果表明,喷雾保持初速度不变的长度比某些资料中报道的要短很多。在中等涡流强度条件下,涡流对于喷雾的初期发展影响不大,其影响主要表现在喷射后期。     

斯特林发动机低硫柴油和二甲醚冷态喷雾

基于斯特林发动机喷雾特性,建立了斯特林喷嘴的数学物理模型,模拟了冷态工况下低硫柴油(ULSD)和二甲醚（DME）2种不同燃料在不同背压下斯特林发动机的喷雾过程,并与实验结果进行了对比分析.研究发现,背压的增大对ULSD的雾化具有促进作用, 对DME的雾化具有抑制作用;相同流量和背压下,DME的贯距比ULSD小,喷雾锥角比ULSD大.当背压增加较大时,继续提高背压对喷雾锥角的影响减弱,且喷雾锥角随着流量的增大而增大.     

二甲醚的油束模型和试验研究

根据二甲醚（DME）的喷雾试验，提出了针对二甲醚燃料的油束喷雾模型，并确定了喷雾油束模型常数，该模型可以计算出喷雾特性的主要参数，包括贯穿度、索特平均直径和喷雾锥角等。模型计算和试验研究表明：贯穿度随喷孔直径、背压和喷油初速的增大而增大；索特平均直径随喷孔直径和背压的增大、喷油初速的减小而增大，喷雾锥角公式考虑了燃料物性和液、气相互运动的作用，因而与实测结果符合较好，油束模型与试验结果基本吻合。     

缸内直喷汽油机低速混合气形成过程研究

通过Hydsim搭建的多孔喷油器一维仿真模型分析了针阀开启与关闭阶段喷油参数的变化,并使用FIRE软件对15 MPa喷油压力下的定容室喷雾进行了数值模拟及模型标定. 在此基础上,以一涡轮增压缸内直喷汽油机为研究对象,对比数值模拟与实验结果,分析了滚流比及喷油时刻对低速工况缸内混合气形成过程的影响. 结果表明,对2000 r/min全负荷工况,采用较高滚流比可增强缸内气流运动,促进燃油快速蒸发并形成更加均匀的混合气,而适当的喷油时刻可减少燃油碰壁,改善混合气浓度分布,从而更利于燃烧及发动机性能的提升.      

二甲基醚喷雾混合过程的计算研究

采用气相射流模型对二甲基醚的喷雾特性进行了模拟计算,并将其与柴油喷雾的模拟计算值进行了对比．结果表明,在喷孔直径、环境密度等参数相同的条件下,二甲基醚喷雾的轴心速度和浓度的衰减速率均大于柴油喷雾的,而二甲基醚喷雾的贯穿距离与锥角则分别小于和大于柴油喷雾的．当环境密度和喷孔直径改变时,DME喷雾的轴心速度、贯穿距离和喷雾锥角均会随之变化．模拟计算结果与实验观测结果基本相符。     

关于柴油机喷雾平均粒径的研究

本论文以喷油器入口处的压力波实测值作为喷雾平均粒径模拟计算的主要输入数据，采用喷雾压力曲线分割法，通过计算机、应用从定压喷雾试验中得出来的喷雾平均粒径的经验计算式，直接计算柴油机非定压喷雾的平均粒径也讨论了各种喷射条件对喷雾平均粒径的影响。