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.     

质量力作用下液滴变形及破裂现象的LBM模拟

基于伪势模型的两相格子Boltzmann方法(lattice Boltzmann method-LBM)模拟研究了液滴在质量力作用下的运动、变形和破裂现象.根据Young-Laplace定律确定模拟中所需的表面张力系数值,并对模型中表面张力所应具有的各向同性特性进行验证;计算了不同Bond数和Ohnesorge数时液滴的运动和变形过程.结果表明:随着Bond数的增大,液滴变形不断加剧并最终破裂;随着Ohnesorge数的增大,液滴趋向于维持其原始形状,运动过程中破裂现象的发生将受到抑制.     

单液滴在多孔介质内碰壁过程的数值模拟

应用数值模拟方法研究不同尺寸单一液滴碰撞常温多孔介质内壁面时的运动与变形行为.界面跟踪采用基于VOF的体跟踪模型,简化的多孔介质结构应用孔隙网络模型.主要考查了初始液滴碰撞动能、表面能及液滴与多孔介质内壁面相对尺寸大小对液滴碰壁现象的影响,分析了液滴在多孔内壁面上形成液膜、液膜延展碰撞喉道壁面及飞溅破碎等过程的动力学特...     

液滴撞击低温超疏水表面运动状态的数值模拟研究

本文针对液滴撞击固体表面后出现的反弹和黏附两种运动状态,通过引入基于连续温度函数的能量方程,建立了用于计算液滴运动、传热和相变过程的数值模型,并与实验结果对比,验证了数值模型的准确性。进而模拟了具有不同韦伯数We和奥内佐格数Oh的液滴撞击低温超疏水表面的运动、传热和相变过程。结果表明：液滴撞击后的运动状态主要取决于奥内佐格数Oh,临界范围是0.022-0.026,而基本不受韦伯数We的影响。当液滴撞击后的运动状态为反弹时,韦伯数We越大的液滴,最大铺展直径越大。而当韦伯数相同时,随着奥内佐格数Oh的增大,液滴与表面的接触时间越大。     

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.     

基于格子Boltzmann 方法的通道内液滴驱替研究

用多相多组分格子Boltzmann模型中的伪势模型对单通道中壁面上液滴驱替进行模拟。主要目的是研究液滴与其外部流体分子质量比对驱替过程及临界邦德数的影响。首先用伪势模型模拟静态气泡,模拟结果与Young-Laplace定律吻合验证了模型的正确性。然后考虑流体与壁面作用力,对壁面上静态液滴润湿性进行模拟,得到参数g0w与接触角的关系。最后取g0w=0.04即液滴为接触角110°的非润湿性流体,加入质量力,考察液滴与其外部流体分子质量比不同时液滴驱替情况。模拟结果表明,当分子质量比增大时,液滴的界面张力减小,使液滴脱落的临界质量力减小,而临界邦德数增大。     

加热条件下粘性液膜射流破碎机理的研究

利用线性不稳定性理论，对具有温度梯度的粘性液膜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，研究了加热条件下反对称模式和对称模式粘性液膜射流大、小尺度破碎模式的破碎机理，探讨了韦伯数(We)、密度比(Q)、Marangoni数(Mα)和Ohnesorge数(x)对液膜射流表面波的最大扰动增长率及占优波数的影响。     

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。     

柴油耦合喷嘴内空化流动对近场喷雾影响的模拟

柴油机共轨压力的提高使空化现象快速发生而影响柴油近场喷雾的初次破碎,进而对后续燃烧和排放产生作用.因此搭建了单孔柴油喷油器内外流耦合喷嘴三维数值模型,并进行了验证.在此基础上,模拟研究了针阀开启初期不同喷油压力下空化流动对近场喷雾特性的影响.模拟结果表明,喷孔内空化发展经历了3个阶段:单相流区(Fv<0.3%)、空化发展区(0.3%21%),且空化发展中会伴随云空化的产生.喷油压力越大,空化初生时间越早,发展速度越快.进入超空化区后,空化气泡溃灭最先引起近场喷雾上游的主液柱区的破碎,破碎区逐步向喷雾下游延伸.空化引起喷雾破碎粒径减小,液滴数增加.空化使得喷雾径向速度增大,径向扩展能力增强,使得喷雾锥角增大.空化区涡值大,旋涡结构小且旋转强度大,进入喷射腔后增强了对喷雾的扰动,使得喷雾液芯变细,促进了液芯外侧的喷雾破碎.     

单液滴撞击平面液膜飞溅过程的CLSVOF模拟

采用CLSVOF(coupled level set and volume of fluid)方法对单液滴撞击平面液膜初期的飞溅过程进行了数值模拟,探讨了撞击速度和液膜厚度对撞击后形成冠状水花形态及扩展直径的影响.结果显示,扩展直径随撞击速度的增大而增大,随液膜厚度的增大而减小,CLSVOF方法可较好地用于液滴撞击过程的数值计算.     

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。     

高韦伯数液滴撞壁诱导的中间射流破碎现象

针对内燃机缸内附壁油膜问题,模拟液滴撞壁过程,设计开发了气体驱动单液滴高速撞击热壁面试验系统.研究了液滴高速撞壁对二次雾化的影响,同时考虑壁面温度对撞击效果的影响.结果表明,目前液滴撞壁研究的韦伯数范围多是20～1 000,而通过使用驱动气体(氮气)将小液滴加速至10.8 m/s,从而产生碰壁韦伯数高达4 057的液滴;液滴在韦伯数高达一定条件下发生射流破碎现象,热效应并不是唯一导致其产生的因素;随着韦伯数的增加,射流高度及产生的次级液滴数量也随之增加;随着壁面温度升高,发生中间射流现象时的韦伯数随之降低;在高韦伯数条件下,在远高于水的Leidenfrost临界温度时并没有明显的Leidenfrost现象产生.     

液滴撞击高温壁面的运动特性

利用相界面追踪复合Level Set-VOF方法,综合考虑液滴蒸发传热及接触热阻作用,对单液滴撞击高温壁面运动及影响因素进行了研究.研究表明,由于液滴蒸发传热作用,液滴撞击高温壁面会发生Leidenfrost现象;撞击速度较小时,液滴撞壁后发生铺展反弹,随着撞击速度的增大,液滴撞壁后会发生破碎现象;壁面温度的升高利于液滴破碎发生;液滴初始直径的减小有利于液滴撞壁后的反弹,而液滴直径的增大有利于液滴撞壁后破碎.通过数值模拟,给出了一定条件下柴油液滴撞击高温壁面反弹及破碎的临界条件.     

不同环境压力下幂律流体撞击射流破碎特性

基于自行搭建的射流系统和定容弹系统,采用高速摄影技术,获得了高环境压力下幂律流体对称撞击式射流的喷雾形貌,提取了射流特征参数破碎长度L与表面波长λ,研究了环境参数(环境压力)、射流参数(韦伯数We)、结构参数(喷孔直径)与物性参数(流体黏度)对射流破碎的影响.结果表明:幂律流体对称撞击式射流共有封闭边界模式、开边界模式、无边界模式、弓形液线模式和完全发展模式共5种破碎模式;在大气环境压力下,L随着We的增加呈"双峰"模式变化;而在有环境压力的情况下,L与We则呈"单峰"模式变化;与大气环境压力相比,高环境压力更有利于幂律流体对称撞击式射流破碎;而喷孔直径与流体黏度的增大均不利于撞击式射流破碎.提出了预测幂律流体对称撞击射流破碎表面波长的破碎模型.     

基于动态识别柴油喷雾破碎特征的ELSA改进算法

欧拉-拉格朗日实时耦合的喷雾(ELSA)方法是雾化破碎的前沿算法,其中模型转换是该方法的关键技术之一;作为ELSA转换研究中常用的固定网格分区方法,需要根据试验来确定近场稠密区与远场边界的位置,以及作为改进而采用的液滴距离以及液相体积比等方法来实现动态ELSA转换.在现有的ELSA转化研究基础上,笔者对在液柱前锋液膜破碎时产生的欧拉液相团块进行动态捕捉,以球形度与粒子直径为判据,将符合条件的液相团块转化为拉格朗日粒子,获得了完整的液柱、一次破碎以及二次破碎过程,结果表明:初始液滴来自液膜破碎过程,以球形度与粒子直径为判据的ELSA方法能够在保证喷雾仿真精度前提下精确地模拟液柱破碎为液滴的过程.     

折流板除雾器内液滴运动和分离特性的数值研究

采用欧拉-拉格朗日方法，建立了湿法烟气脱硫系统折流板除雾器内气液两相流动模型。通过三维数值模拟，得到了不同进口气速和叶片间距下液滴的运动和捕集特性，分析了液滴间的碰撞作用、气流对液滴的破碎作用以及液滴与壁面间的相互作用对分离效率的影响规律。结果表明：进口气速和液滴粒径是影响分离效率的主要因素，小粒径液滴对气流的跟随性较强，大粒径液滴的运动主要由惯性主导；模拟中考虑液滴的碰撞作用时整体的除雾效率增大，气流对液滴的破碎作用对分离效率的影响甚微，考虑了液滴与壁面间相互作用的模型可更加准确地描述分离过程中出现的二次夹带现象。     

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.     

二甲醚/液化石油气液滴超临界蒸发特性的数值模拟

引入相平衡理论建立了DME-LPG-N2三元气、液高压相平衡,获得了液滴表面各组分的物质的量分数.建立了混合液滴超临界蒸发的计算模型,计算了二甲醚(DME)/液化石油气(LPG)双燃料液滴的蒸发过程,考察了液滴的初始直径、初始组分、环境温度和环境压力对蒸发过程的影响.结果表明:环境压力、温度越大,环境介质(N2)在液滴中的溶解越明显;液滴初始直径越小,蒸发寿命越短;液滴中DME越多,亚临界蒸发过程中的液滴蒸发寿命越长,而超临界蒸发过程中液滴蒸发寿命越短;环境温度越高,液滴蒸发寿命越短;在研究的温度范围内,环境压力越高,在亚临界条件下液滴蒸发寿命越短,而在超临界条件下液滴蒸发寿命越长.     

幂律流体液膜射流的时间不稳定性分析（英文）

基于时间模式不稳定性理论,研究了无黏静止气体中二维幂律流体液膜射流不稳定过程.在对幂律流体本构方程线性近似的基础上,通过对非对称模式和对称模式的色散方程的推导和求解,研究了广义雷诺数、韦伯数、气/液密度比以及幂律指数对于液膜破碎的影响.结果表明:在两种模式下,不论剪切变稀流体还是剪切变稠流体,液体的黏性和表面张力都会抑制液膜破碎,而气/液相互作用力则促进液膜破碎.而且,幂律指数越小,液膜射流越容易破碎.同时,尽管非对称模式在液膜破碎过程总是占据主导地位,但是当两种模式的最大扰动增长率的量级同阶时,对称模式对于液膜破碎也起着重要作用.     

单液滴撞击球面液膜水花形成特征分析

应用VOF(volume of fluid)方法对液滴撞击球面液膜的飞溅过程进行数值模拟,由计算结果分析了不同液滴撞击速度和液膜厚度对撞击产生的水花形态、高度和直径的影响。结果表明:随着液滴撞击速度和液膜厚度的增加,水花高度增大;随着液滴撞击速度增加,水花直径增大,但当液膜厚度增加时,水花直径减小。