基于CFD的柴油机渐扩形喷孔喷嘴空穴流动特性研究

柴油机喷嘴的内部流动特性直接影响到燃油的喷射和雾化,进而影响到随后的蒸发、混合和燃烧。基于喷孔形状对其内部流动特性的重要影响,将混合多相流模型与空穴模型相结合,对渐扩形喷孔喷嘴的内部流动特性进行了三维数值模拟。研究结果显示:随着喷油压力或针阀升程的增加,渐扩形喷孔喷嘴内的空化效应和液流紊乱均是逐渐增强的,喷孔的质量流量和出口平均流速均是逐渐提高的,喷油背压的增加对上述参量均具有一定的抑制作用;但与圆柱形喷孔喷嘴相比,相同喷射条件或针阀升程下,渐扩形喷孔喷嘴的质量流量和空化效应均是较高的,流量系数和出口平均流速均是较低的。     

针阀升程对乙醇柴油的空化现象及近场喷雾特性的影响

基于等比例放大透明喷嘴搭建可视化试验台,以乙醇柴油为流动介质,通过控制燃油喷射压力改变孔内燃油流动速度,对比研究了不同燃油流速下3种针阀升程(3mm、6mm和8mm)所对应的喷嘴孔内空化现象及近场喷雾形态。试验发现:喷嘴孔内空化现象随燃油流速升高依次历经无空化阶段、空化阶段(初生-发展-超空化)和柱塞流阶段;同等燃油流速下针阀升程越小,则喷嘴孔内越易发生空化,且空化现象更为强烈。喷孔流量系数随燃油流速升高呈先缓慢增大后急剧减小的变化趋势;同等燃油流速下针阀升程越大,则喷孔流量系数越大。近场喷雾锥角随燃油流速升高呈先增后减的变化趋势;在柱塞流发生之前,同等燃油流速下针阀升程越小,则近场喷雾锥角越大,且喷雾锥角峰值对应的燃油流速越小。     

喷油器喷嘴结构参数对空化效应的影响

喷油器喷嘴内部的燃油的流动和空化直接影响燃油的喷射,又可造成喷嘴空蚀。基于不可压缩流体体积函数(VOF)多相流模型,模拟喷油器完整喷射周期内的燃油流动和空化特性,获得喷嘴空化形成及发展的关键区域和影响空化效应的关键结构参数,并分析其对流场及空化特性的影响规律。结果表明：较小针阀升程时,在针阀锥形表面台阶和喷孔下边缘位置处发生明显空化现象,当升程增加,空化集中分布在喷孔位置处,从倒圆处开始诱发,逐渐向下游延伸;针阀台阶夹角增大使得针阀表面台阶处和喷孔下缘的前部的局部空化增强,穴蚀更严重,且燃油流量减小,通过增大针阀座倒圆半径和喷孔直径锥度系数可有效地改善喷孔局部空化程度。     

柴油机喷油器内部空化流动的数值模拟研究

柴油机喷油器内部的空化流动现象对燃油雾化、燃烧及排放有重大的影响,而针阀运动又直接影响着喷油器内部空化流动的生成与发展。为此,运用欧拉双流体法对喷油器内部流动进行气、液两相流的动态模拟研究,分析了不同针阀升程下喷孔内部空化分布及发展情况。研究结果表明,针阀上升和下降过程中,喷孔内空化流动变化剧烈;针阀升程稳定时,喷孔内空化流动相对稳定;喷孔入口增加倒角,可以有效缓解喷孔内的空化现象。     

柴油机喷油嘴喷射过程空化效应数值分析

以某型机械式喷油器为对象,采用CFD软件STAR-CCM+,基于不可压缩流体体积函数(VOF)多相流模型,研究分析了在怠速、50%负荷、100%负荷工况下,完整喷射期内喷油嘴处的内流场及空化效应。结果表明:喷射过程中针阀升程的变化对于流动和空化特性影响显著,针阀升程较小时,在针阀的拐角处形成局部低压区,空化现象开始发生,形成大量的燃油蒸气,并在囊室内形成显著的二次涡漩流动,在喷孔底部产生二次空化;在相同的针阀升程下,压强越大,空化效应越显著。     

不同喷孔入口的柴油机喷嘴空化特性

柴油在柴油机喷嘴内部流动会直接影响其喷射和雾化,进而影响柴油机的性能和排放.线空化是柴油在喷嘴系统中脱离喷孔壁面后呈现线状形态的特殊空化现象.由于受到柴油机喷嘴真实尺寸的限制,使得燃油流动瞬间变化,同时线空化是随机性发生的,这两个现象使线空化试验的难度大大增加.本试验采用具有可视化记录功能的稳态实验装置,通过固定柴油机喷嘴内针阀升程并控制喷射压力使其全程处于稳定状态,研究不同喷孔入口的柴油机喷嘴在线空化现象中的形态分布特征.研究得出,喷射压力差对线空化影响较大,喷孔内部线空化分布长度与喷射压差呈正相关;此外,喷孔入口处的圆角结构会明显改变线空化在形成过程中的分布特征;几何诱导空化泡可以在涡旋运动的作用下聚集在漩涡中心从而促进线空化的发展;喷孔入口设置倒圆角结构可以明显抑制几何诱导空化和线空化的产生,从而提高柴油机的性能.     

柴油机喷嘴内涡线空化特性的实验与数值模拟

柴油机喷嘴内涡线空化是一种不同于几何诱导空化的两相流动,对随后的喷雾雾化具有重要影响.基于可视化试验和数值模拟方法,针对两渐缩锥形孔柴油机喷嘴内部的涡线空化现象展开研究.结果表明:涡线空化有针阀-喷孔型和喷孔-喷孔型两类,它们起源并沿着旋涡核心发展,且其强度依赖于旋涡核的涡量大小.同时,针阀-喷孔型和喷孔-喷孔型涡线空化分别主要发生在较低和较高的针阀升程下,且针阀-喷孔型涡线空化强度更大、持续期更长.     

伞喷喷嘴内空化现象的数值模拟

使用混合多相模型和全空化模型通过数值模拟研究了伞喷喷嘴内的空化流动过程.结果发现,伞喷喷嘴内的空化发展显著影响了喷嘴出口处的燃油液膜厚度和喷射速度,进而直接改变喷射锥角和液滴的平均索特直径.基于喷嘴内燃油蒸气的分布,空化可以划分为无空化、入口空化、出口发展空化和完全空化.完全空化中燃油蒸气延伸至喷嘴出口,可以显著增加喷...     

燃油温度对柴油喷射过程影响的试验

柴油机喷嘴内部流动对喷雾有重要影响,然而燃油温度又影响着燃油的物性,进而影响喷嘴内部流动,因而研究燃油温度对柴油机喷嘴内部流动及其喷雾的影响有重要意义.在自行搭建的比例放大喷嘴可视化试验台架上,基于高速数码和长工作距离显微成像技术,获得了单孔和双孔喷嘴的内流和喷雾可视化图像,研究了流量系数、空化长度随燃油温度的变化情况以及对空化和喷雾的影响,通过对比发现,燃油温度越高,空化初生对应的喷射压力越小,空化流动阶段,同样的喷射压力下,燃油温度越高,孔内的空化分布区域越大.同时燃油温度增加,其喷雾锥角也相应变大,并观察到了"线空化"和几何诱导空化同时存在的现象.     

针阀运动对断油阶段空化和倒吸的影响

基于流体体积函数(volume of fluid,VOF)模型和动态重叠网格技术对柴油机喷油嘴断油过程中燃油流动特性进行了三维动态模拟。并通过可视化试验对透明喷嘴断油前后的流动进行了试验研究,着重分析了针阀运动对空化和倒吸的影响,其数值模拟与试验一致。结果表明:在针阀落座过程中,喷孔先于压力室发生空化现象,但二者最大空化量表现为压力室大于喷孔;通过对空化和倒吸进行量化分析证实空化溃灭后导致喷嘴内的压力降低是引起空气倒吸的原因;同时对3种不同针阀落座速度喷嘴内的空化和倒吸展开研究,结果显示3种喷嘴压力室内的空化量随针阀运动速度增大而增大,而喷孔内空化量基本相等;最后,通过理论推导得出了反映断油过程中喷嘴内空化的新空化数,解释了喷嘴内产生空化的机理,及针阀运动对喷嘴内空化和倒吸影响的原因。     

柴油机喷嘴结构优化的数值模拟分析

柴油机喷嘴头部细微结构的变化对内部流动有显著的影响，进而影响到喷雾油束雾化性能。利用混合多相流空穴模型对STD（Standard）标准型、VCO（Valve Closed Orifice）无压力室型及IMPROVED改进型的垂直多孔喷嘴内部完全发展了的空穴流动进行了不同针阀升程下的三维数值模拟，通过对比分析得出改进型喷嘴能在低喷油速率下获得相对良好的喷雾性能，综合特性优于STD标准型和VCO无压力室型喷嘴。     

柴油机不同类型喷嘴内部空化流动特性的研究

柴油喷嘴内部空化效应是燃油液体射流雾化的重要原因之一。针对目前发动机上广泛采用的SAC型和VCO型两种柴油机多孔喷嘴,运用基于欧拉多流体法的多相流模型,通过全自动网格生成技术,对二者进行了多维数值模拟。将空化模型应用于数值模拟中,全面分析了喷射压力、喷孔背压、喷孔入口圆角半径和喷孔倾斜角等参数对喷孔内部空化流动及出口流量的影响。结果表明,增大喷射压力容易促使空化的发生,压力较大时,SAC型喷嘴出口流量变化不如VCO型的大;出口压力对空化起到抑制作用,减小出口压力有利于空化的形成,有助于喷孔出口燃油的雾化;喷孔入口圆角半径和倾斜角的增大,使得孔内流动变得更加顺畅,燃油蒸气体积变小,出口流量增加。所以孔内空化效应对缸内喷雾过程尤其是燃油液体射流的初始破碎的影响不容忽视。     

高压共轨燃油喷嘴空穴流动的非稳态模拟

建立了船用柴油机高压共轨燃油喷嘴空穴流动的非稳态计算模型,采用AMESim模拟计算结合高压共轨燃油系统平台试验的方法对高压共轨燃油喷嘴空穴流动进行研究.研究结果表明:该方法可以较为准确地确定燃油喷射过程中喷嘴内部的压力波动;非稳态模拟可以较好地反映燃油喷射压力的波动对喷嘴内部压力分布和喷孔中燃油喷射速度的影响;在高压喷...     

柴油机喷嘴内线空化对喷雾影响的试验

设计3种不同尺寸的锥度孔透明喷嘴,在尽可能抑制壁面空化的情况下研究了喷油压力、喷嘴孔尺寸及针阀升程对喷嘴内线空化的出现规律、强度及瞬态特性的影响,进而对喷雾的影响.结果表明:在喷嘴低针阀升程时会存在起源于针阀锥面处的线空化,可轻易延伸至喷孔出口,形态粗壮,引致非常大的喷雾锥角,而随针阀的抬起,这类线空化消失,代之以孔与孔之间的线空化,空化形态较细,对喷雾锥角影响相对很小,这为柴油机启喷阶段和喷油末期喷雾锥角的骤增与波动提供了一种合理解释;喷雾锥角的波动与线空化发展程度及其延伸至喷孔出口处的空化厚度间存在强烈的依存关系;线空化对喷雾的影响存在迟滞现象,这与空化泡喷出喷孔后破裂及流体运动惯性有关.     

柴油机原型喷嘴内瞬态流动的特性试验

柴油机喷嘴内的空化流动很大程度上影响燃油的雾化效果,继而影响整机的排放特性.笔者基于高速摄影技术和长工作距离显微成像技术,通过高压共轨试验系统研究原型喷嘴内的流动特性和喷雾特性.针对空化的发展进行了不同压力下的对比试验,结果表明:喷射压力越高,空化出现的时间越早,还存在喷油初期的气泡"释放"以及喷油末期的气泡"倒吸"现象;同时还观察到特殊的空化现象—线空化,并且发现线空化的出现与针阀的位置有很大关联,总结了两种不同形态的线空化发生规律.     

针阀运动对柴油机喷嘴瞬态流动特性的影响

柴油机喷嘴内部空穴流动对燃油雾化和随后的燃烧及排放有着重大的影响,而针阀运动又影响着喷嘴内部空穴湍流流动.因此,弄清针阀运动对喷嘴内空穴流动的影响非常关键.采用动网格技术进行喷嘴内部瞬态流动三维数值模拟.搭建可视化试验台,验证了所建模型的准确性.基于此,在不同喷油压力下,分析了气相体积分数、雷诺数和流量系数等随针阀运动的变化情况以及针阀运动对喷嘴内空穴发展过程的影响.最后,研究了温度对空穴的影响,通过对比发现,温度变化对空穴的初生有很大影响,在相同的入口压力条件下,温度的增加会使空穴的产生时间提前.     

柴油机喷孔内部空化效应的可视化实验研究

柴油机喷孔内空化现象显著影响燃油雾化质量.针对目前广泛应用的VCO型喷嘴,设计大尺度透明喷嘴稳态实验系统,全面研究了无量纲数、雷诺数、喷嘴射流参数和结构参数对喷嘴内空化过程的影响.结果表明,空化数对空化剧烈程度影响显著,雷诺数对空化剧烈程度影响小于空化数;射流参数直接影响流体流动状态,增大入口压力、减小出口压力和针阀升程能使喷孔内的空化现象显著增强;结构参数决定喷孔内流动形式,增大喷孔倾角、直径和长径比,采用入口圆角等措施会抑制空化的产生.     

基于欧拉多流体模型对喷嘴内流和射流破碎的研究

在Open FOAM的框架下,采用多流体模型和大涡模拟方法研究不同背压对喷嘴内流和射流破碎的影响.利用已修正的空化模型考虑了空化现象,利用界面压缩法对两相界面进行捕捉,进而分析燃油的一次破碎过程.结果表明:降低背压有利于喷嘴内部空化的形成与发展,但会导致喷嘴喉部有效流通面积减小,流动阻力增加,质量流量降低.射流破碎中气/液相界面处气/液两相存在很大的速度差,导致产生很强的阻力,大大促进了一次破碎过程中主喷雾区和蘑菇头的破碎.背压越高,空气密度越大,则燃油受到的阻力越大,液柱破碎越剧烈且射流破碎角越大.因此,同时提高喷射压力和背压可以促进燃油与空气的混合,也可以有效抑制空化来避免空蚀现象以及流量系数降低,从而延长喷嘴的使用寿命.     

不同启喷压力下柴油机喷油特性预测研究

建立了柴油机可控启喷压力喷油器燃油喷射系统液力模型,并进行仿真计算;利用CB-466燃烧分析仪测试该燃油喷射系统的喷油器针阀升程和喷油器端高压油管燃油压力,与仿真计算结果对比,验证了仿真模型和计算方法的可信性;在此基础下就不同启喷压力下柴油机喷油特性进行了预测研究。结果表明:启喷压力增大使得喷油延迟,喷油压力增大,燃油的喷雾质量改善。     

喷油嘴空穴流动可视化及其对喷雾的影响

柴油机喷油嘴内部空穴流动很大程度上影响燃油雾化,进而影响整机排放.在比例放大透明油嘴内部空穴流动可视化试验台上,通过高速摄影和长工作距离显微成像技术,研究了不同喷射压力、针阀升程和喷孔结构对空穴流动的影响.试验观察到两类空穴现象,一类是由几何结构诱导的膜状空穴,另一类是由涡流中心低压诱导的线空穴.研究表明:提高喷射压力、增大针阀升程有利于膜状空穴发展,渐缩形喷孔则会抑制膜状空穴发展.线空穴与流场中涡流密切相关,随着喷射压力的提高,线空穴强度范围会增加.膜状空穴与线空穴均能增大喷雾锥角.