超临界喷雾中涡的演化过程数值研究

针对Sandia国家实验室关于正十二烷喷雾的试验数据,基于开源软件平台OpenFoam,采用大涡模拟方法对以正十二烷为燃料喷入超临界和亚临界环境中的喷雾过程进行了三维数值模拟。该喷雾模型使用Peng–Robinson状态方程及真实流体的热物性和输运系数计算方法。将计算得到的喷雾贯穿距和燃油质量分数与试验结果进行对比,证明所构建的喷雾模型能准确地捕捉超临界状态下喷雾的特征。通过对超临界和亚临界两种环境下喷雾过程的比较,重点研究了不同环境下燃油扩散混合过程的差异和涡的演化过程。计算结果表明,超临界环境下的射流扩散率和扩散角度均大于亚临界,在超临界环境下燃油射流与环境气体间的扩散混合效率更高。射流在超临界状态下会加速涡的形成,从而促进射流与周围气体的混合。射流与周围气体间的速度梯度是决定高速射流中涡演化过程的主要因素。超临界环境下大密度梯度的存在会使斜压转矩增大,从而促进涡的发展,密度梯度对射流发展有着重要影响。     

天然气/柴油双燃料射流喷射及其相互作用试验

在定容弹上利用高速摄影纹影法开展了不同环境压力和喷射压力下的天然气/柴油双燃料高压喷射射流特性试验.通过纹影照片得到了不同喷射压力和环境压力下的射流贯穿距、射流锥角和射流面积随时间变化的规律.结果表明:随着环境压力增大,天然气贯穿距和射流面积减小,射流锥角增大;随着天然气喷射压力增大,天然气射流贯穿距与射流面积增大,气体射流锥角逐渐减小.在较高环境压力和喷射压力情况下,双燃料喷射中的柴油射流对天然气射流的发展具有促进作用.当环境压力达到0.9,MPa时,双燃料射流中的气体射流锥角比单燃料射流高出12%,,双燃料射流中的气体射流贯穿距比单燃料射流整体低了5%,左右.     

氩-氧氛围中氢气射流喷射与混合特性的研究

氩气循环氢燃料发动机以氩-氧(Ar-O_2)混合气代替空气作为工质气体,可提高发动机效率,并避免NO_x的产生.基于纹影法研究了氩-氧氛围中不同压力边界下氢气射流喷射与混合特性,结果表明:氢气射流锥角总体上随着喷射过程的发展逐渐减小,然后趋于稳定,且受压力边界的影响较小,稳定在28.5°～33.5°;射流截面积随着喷射过程的发展近似呈线性增长;提高喷射压力以获得大贯穿距离是提高射流截面积及体积的有效方法;射流内部过量氧气系数φ_o随着喷射过程的发展呈上升趋势,选取高喷射压力有助于增大射流内部过量氧气系数,且对于一定的喷射压力,存在实现最大过量氧气系数的最佳环境压力.通过对不同压力边界下射流贯穿距离与喷射时间的关系拟合分析,获得一种基于压力边界预测气体射流贯穿距离的方法.     

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.     

天然气发动机燃气射流特性的可视化

基于纹影法,对不同孔径的单孔喷嘴在多种气源压力和背压条件下的高压燃气射流宏观结构特性进行研究.结果表明:即使在很小的压力差条件下,喷孔出口处仍然会形成不充分膨胀气体射流,而气体在出口处的膨胀、加速过程和诱导激波是区别于液体喷雾的主要特征.背压变化对气源与背压比的影响明显,其对射流贯穿距及锥角的影响要大于气源压力和孔径带来的影响.虽然甲烷和氮气的密度差别较大,但在相同条件下贯穿距结果无明显区别,壅塞现象对高压燃气喷射具有重要影响.由此,初步提出了针对高压燃气喷射的射流贯穿距经验公式.喷孔出口处的膨胀过程使燃气射流的近场锥角要明显大于远场锥角,同时使气体速度达到超声速,但对射流前锋面速度无明显影响,在喷射时间T_(ASOI)=1,ms之后,前锋面速度便降低到了50,m/s以下.在低背压条件下,燃气射流表现出较强的空间拓展和分布能力,但随着背压增加,气体射流的面积和体积明显减小.     

超临界燃料喷射过程大涡模拟:状态方程的影响

针对Sandia实验室关于正庚烷喷雾的实验数据，基于CONVERGE软件采用大涡模拟方法对以正庚烷为燃料喷入超临界环境中的雾化过程进行了数值模拟。以实际气体状态方程Soave-Redlich-Kwong (SRK)和Peng-Robinson(PR)两个方程为基础，重点研究了两状态方程对超临界状态下燃料喷雾的发展过程、射流密度变化、燃料喷雾的质量分数随温度变化的影响，并用模拟所得与实验结果进行对比。结果表明，同一时间下PR方程模拟的燃料喷雾的贯穿度更大；两实际气体状态方程下射流表面都有大的密度梯度，并与实验所得的密度值相吻合；PR方程对于超临界工况的计算可能更优于SRK方程。燃料质量分数随温度的变化符合实际的情况，密度值的急剧变化验证了射流表面是一个介于液体与超临界流体之间的混合层，并可以通过密度梯度来推测混合层位置。     

环境气体对氢气喷射与卷吸特性的影响

基于RANS方法对氢气在氩气和氮气氛围下的高压喷射过程进行仿真,研究了压力、温度和激波对氢气射流喷射和卷吸特性的影响.研究表明:射流贯穿距由于马赫盘的存在而呈现三阶段变化.在不同喷射压力下,射流前期卷吸能力随着喷嘴压力比(NPR)的增加而增大,而后期呈现相反趋势.在相同密度下,激波影响射流前期卷吸效果,但随着射流发展效果逐渐减弱.温度升高,氢气射流的贯穿距明显增大,但射流卷吸能力也显著降低.此外,氢气射流在氮气氛围下的卷吸环境气体物质的量和卷吸能力均强于氩气氛围.     

同轴旋转可压缩气流中黏性液体射流形态研究

采用射流线性稳定性分析方法,考虑液体黏性、周围气流的同轴旋转运动以及可压缩性的条件下,建立了描述同轴旋转可压缩气流中黏性液体射流的数学模型,并进行了验证,研究了气流量纲为1旋转强度以及流体物性对液体射流不稳定形态的影响．研究表明：周围气流的旋转速度较小时,对射流起促稳作用,继续增大气流量纲为1旋转强度,开始对射流起促分裂作用;且随着气流旋转强度的增大,射流扰动沿周向方向发展,射流柱变的高度不对称．在研究参数范围内,气体可压缩性和气/液密度比均能促进射流的失稳,并会影响射流空间形态,尤其是在周向方向上能够改变射流的占优模式,增强射流的不对称性;液体黏性以及表面张力对射流均具有增强稳定性的作用．     

二甲醚射流雾化的不稳定性研究

利用线形稳定性理论,推导出可用来描述粘性射流表面扰动发展所满足的色散方程,并进行了无量纲化处理,利用该色散方程对二甲醚射流在正常条件和闪急沸腾条件下的不稳定性进行了研究.结果表明,在正常喷射条件下,提高射流速度和减小液体粘度可促进二甲醚射流的雾化效果,而表面张力和环境气体密度对射流不稳定性的影响则相对复杂;在闪急沸腾喷射条件下,闪急沸腾效应越明显,二甲醚射流越不稳定.     

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.     

液体燃料横向射流雾化数值模拟研究

基于混合欧拉-拉格朗日框架,采用流体体积(VOF)耦合拉格朗日算法对液气密度比为311,不同射流动量通量比q(分别为10和40)和不同气体韦伯数Weg(分别为33、470和800)下航空煤油(Jet A)射入横向气流中的雾化特性和流场结构进行了大涡模拟(LES)研究.模拟结果表明:不同工况下的射流穿透深度均与经验关系式...     

双射流等离子体反应器大涡模拟研究

采用LES方法模拟研究双炬射流形式强化混合的等离子体反应器炬内轴向偏转角与动量比对流场结构及流体混合的影响。从平均流场、瞬时流场、湍流统计分析和混合特征进行了详细的分析，研究结果表明：高温对撞射流会产生偏斜振荡现象，振荡的相互作用会产生涡旋运动，混合流体的流动模式由涡旋对决定。增大偏转角后，涡量强度提升，短距离内温度与速度脉动更加显著，扩散效果更强，热等离子体射流对冷空气的卷吸作用会增强，物料的混合效果更好。     

甲烷/空气预混射流火焰的大涡模拟

在不同射流速度条件下,对甲烷/空气预混射流火焰进行了大涡模拟.甲烷/空气预混射流气体按化学当量比混合,计算采用两步简化反应机理和WALE亚格子湍流输运模型,3个算例下流场特征和火焰结构计算结果与前人实验结果一致,中心线轴向速度和温度场结果与实验数据相符.通过对不同Karlovitz数条件下甲烷/空气预混射流火焰结构进行分析,并计算Takeno指数,研究了湍流涡对预混火焰的影响.研究发现:在Ka100(Ka=37)条件下,预混射流火焰会出现预热区的增厚,放热区保持完整,湍流火焰保持为预混燃烧;在Ka100(Ka=112)条件下,湍流火焰进入分布反应区模式.Takeno指数显示,由于卷吸和小尺度涡的作用,湍流火焰出现局部的部分预混燃烧.甲烷/空气预混射流湍流火焰的大涡模拟证实了湍流火焰分布反应区模式的特点:未燃气体与燃后气体之间不再有明显的界面,火焰面模型不再适用;反应区增厚,放热区展宽,放热率降低;由于卷吸和小尺度涡对火焰的作用,湍流火焰局部出现部分预混燃烧;湍流火焰温度降低,放热区附近温度场趋向均匀.     

同轴旋转可压缩气体中液体射流形态

基于非线性稳定性理论,在同时考虑射流周围气体同轴旋转、射流和周围气体可压缩性以及射流液体中含空化气泡的条件下,建立了描述同轴旋转可压缩气体中含空泡液体射流稳定性的色散方程,并验证了色散方程及其求解方法的正确性.在此基础上,进行了同轴旋转可压缩气体中含空泡液体射流形态的研究.结果表明:周围气体的同轴旋转改变了射流表面的占优扰动模式,即扰动模式由轴对称扰动占优转变为非轴对称扰动占优;随着气体同轴旋转强度的增加,射流周向形态的变化越来越明显,射流表面会逐渐形成越来越多凹凸不平的波纹.射流及其周围气体的可压缩性对射流周向形态的影响不明显,但会对射流的轴向形态产生一定作用.总体上看,空泡的存在对射流形态的影响弱于气体同轴旋转的影响.通过研究进一步完善了液体射流稳定性数学模型,加深了对液体射流分裂与雾化机理的理解.     

纳米流体受限式浸没射流冲击凸台表面的换热研究

为了分析纳米流体受限式浸没射流冲击到凸台表面的换热效果,以及与水射流冲击光滑平板的换热情况对比,详细分析了纳米流体颗粒表面形状、纳米流体体积份额、纳米颗粒材料、射流Re数、喷嘴距换热表面的相对高度H/D对滞止点及整个热表面换热系数的影响。实验发现,表面形状对换热效果影响较大,射流冲击到凸台表面上滞止点换热系数h_0最小,但整个换热表面的局部换热系数h_x及平均换热系数h_(av)均为最大值,且换热系数随Re的增大而增大。纳米流体体积份额对换热效果的影响与喷射的相对高度H/D有关,当H/D为3时,h0及hav随纳米颗粒浓度的增大而增大;当H/D为5时,纳米流体体积份额φ为0.2%时的换热效果最好。     

高温高压环境下正己烷喷射燃烧的现象学

基于定容燃烧弹研究了亚临界状态的正己烷喷射到近临界点的亚/超临界环境时的喷射燃烧过程,并利用高速摄像机和光学测试系统采集图像信息,探究相同超临界温度、不同亚/超临界压力下正己烷喷射燃烧过程的差异.结果表明:亚临界环境压力下,随着环境压力的增加,喷射正己烷的滞燃期呈先减小后增大的趋势,在临界压力处出现峰值,而进入超临界环境压力后,又呈现出减小的趋势.燃烧着火始点的位置随着环境压力的增加逐渐靠近油嘴,但在临界点附近,着火点位置沿喷射轴线方向离油嘴的距离呈先增大后减小的趋势.超临界环境下的喷射火焰相比于亚临界环境下的喷射火焰拥有较大的火焰锥角,这是由亚/超临界环境下燃油喷射、汽化及燃烧过程的差异所致.     

带复合角度气膜孔的透平叶片冷却流场大涡模拟

采用大涡模型模拟了吹风比M=1.5时静止叶栅前缘射流孔为复合角度的流场结构,计算和分析了复合孔排叶片流场的三维流动结构及不同截面的涡量分布随时间的变化.结果表明:由于射流的存在,增加了流场的复杂性,流场中同时存在射流剪切层涡、马蹄形涡系、反向旋涡对和尾迹涡等4种涡系结构;叶片压力面和吸力面由于复合孔排的连续布置,冷却效果较好;射流的旋涡脱落呈周期性变化,第7排射流孔旋涡的脱落周期为0.04 s;在压力面侧,CVP的形成比吸力面早,涡的影响区域也相对较大.     

燃料液滴超临界蒸发综述

从常压液滴蒸发的传热传质过程出发,建立了常压液滴蒸发的数学模型。通过比较液滴超临界蒸发和常压蒸发的差异,研究液滴超临界蒸发所涉及的关键问题。以二甲基醚(DME)在氮气介质中超临界蒸发为例,介绍了状态方程法计算DME-N2体系的高压气液相平衡,在相关文献的基础上,总结了流体热物性和输运参数的变化特性。     

超临界CO2水平细微管内层流流动与换热的数值模拟

对超临界CO2在水平细微管内层流流动与换热进行了数值模拟.给出了冷却和加热条件下,细微管(d＜1.0 mm)内有代表性的速度、温度剖面,以及Nusselt数随流体温度的变化.研究表明超临界CO2在水平细微管内层流流动时,由于流体热物性随温度剧烈变化,浮升力的影响非常显著,加强了管内换热;且由于流体强变物性特点,只要流体和壁面存在温差,速度及无量纲温度分布就不断变化,充分发展流不可能达到.研究结果对超临界CO2高效紧凑式换热器的设计与优化有重要的意义.     

天然气/柴油双燃料发动机燃料喷射及着火特性

基于计算流体动力学(CFD)软件CONVERGE模拟了缸内高压直喷式柴油微引燃液化天然气(LNG)发动机的燃料喷射混合以及着火过程,校核和验证了湍流模型对模拟结果的影响,分析了天然气喷射正时、天然气喷射持续期及柴油与天然气射流中心轴线的夹角对缸内柴油和天然气射流发展、混合和着火的影响.结果表明:Smagorinsky大涡模拟湍流模型更适用于缸内高压直喷式LNG发动机的模拟;柴油与天然气射流中心轴线夹角越大,火核倾向于在天然气喷束的两侧形成从而点燃天然气;天然气喷射正时提前,天然气喷入缸内时与柴油的距离更近,利于天然气被引燃;天然气循环喷射量不变,天然气喷射持续期越短,天然气喷孔处压力更大,对柴油油束的冲击更强,促进了柴油的燃烧从而有利于天然气射流的着火.