二甲醚閃急沸騰噴霧的數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)研究.pdf

1、本文針對(duì)二甲醚閃急沸騰噴射霧化與蒸發(fā)混合過程進(jìn)行了深入的理論與實(shí)驗(yàn)研究，研究?jī)?nèi)容主要集中在閃急沸騰條件下的二甲醚噴霧混合相關(guān)過程的機(jī)理分析及模型的建立上，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行了二甲醚閃急沸騰噴霧的多維數(shù)值模擬。
　　 為了構(gòu)建閃急沸騰噴霧的非現(xiàn)象學(xué)模型，本文在氣泡生長(zhǎng)一維模型的基礎(chǔ)上，編寫了一個(gè)可用于模擬均勻過熱液體內(nèi)部氣泡生長(zhǎng)過程的計(jì)算程序。計(jì)算程序的有效性通過過熱水中的氣泡生長(zhǎng)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行了驗(yàn)證。在準(zhǔn)確計(jì)算二甲醚各主要熱物性參數(shù)

2、的基礎(chǔ)上，本文利用該計(jì)算程序?qū)Χ酌褮馀萆L(zhǎng)過程進(jìn)行了模擬計(jì)算，重點(diǎn)研究了環(huán)境壓力和燃油溫度對(duì)二甲醚氣泡生長(zhǎng)的影響。研究結(jié)果表明，根據(jù)氣泡生長(zhǎng)的加速度曲線，二甲醚氣泡的生長(zhǎng)過程可劃分為表面張力控制階段、過渡階段和傳熱控制階段。在不同的階段，氣泡生長(zhǎng)表現(xiàn)出不同的特點(diǎn)，而這是抑制氣泡生長(zhǎng)的作用在氣液界面上的液體動(dòng)壓和促進(jìn)氣泡生長(zhǎng)的熱邊界層內(nèi)的熱反饋效應(yīng)共同作用、相互競(jìng)爭(zhēng)的結(jié)果。
　　 為了深入研究過熱燃油噴射的霧化機(jī)理，本文將霧化問

3、題的研究范圍拓展至噴霧的上游邊界—噴嘴內(nèi)部流動(dòng)。根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)燃油噴射的實(shí)際情況將氣泡流確定為過熱液體在噴嘴內(nèi)的流動(dòng)形態(tài)。鑒于目前較為常用的一維模型和多維模型都無法給出氣泡在噴嘴內(nèi)部生長(zhǎng)的更多細(xì)節(jié)，本文將“內(nèi)部模式”與“外部模型”有效地結(jié)合起來，在合理的假設(shè)前提下提出了一個(gè)改進(jìn)的適用于過熱液體的噴嘴內(nèi)部流動(dòng)模型。該一維模型可對(duì)氣泡在噴嘴內(nèi)的生長(zhǎng)過程進(jìn)行模擬計(jì)算，并為閃急沸騰噴霧的多維數(shù)值模擬提供較為準(zhǔn)確的初始條件。模型的有效性通過初始噴霧錐

4、角的實(shí)驗(yàn)結(jié)果得到了初步驗(yàn)證。
　　 作為分析流體運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定性的有效工具，線性穩(wěn)定性分析法在燃油射流霧化機(jī)理的研究中得到了廣泛的應(yīng)用。為此，本文在已有的理論基礎(chǔ)上，采用線性穩(wěn)定性分析法推導(dǎo)得到了一個(gè)可描述閃急沸騰射流不穩(wěn)定性的色散方程，并對(duì)影響二甲醚射流不穩(wěn)定性的多個(gè)因素進(jìn)行了研究和分析。研究結(jié)果表明，在普通射流條件下，提高射流速度和減小液體粘性有利于改善霧化效果，而表面張力和環(huán)境介質(zhì)對(duì)射流穩(wěn)定性的影響則相對(duì)比較復(fù)雜，需要具體問題具

5、體分析。在閃急沸騰條件下，氣相體積分?jǐn)?shù)和射流錐角越大，射流越不穩(wěn)定，射流霧化效果越好，這也被認(rèn)為是除氣泡的微爆效應(yīng)之外，閃急沸騰噴霧能極大地改善霧化效果的另一個(gè)重要原因。
　　 大量的實(shí)驗(yàn)研究表明，在閃急沸騰條件下，氣泡的微爆作用是促使燃油射流或者油滴發(fā)生霧化的主要原因，但是氣泡為何破碎、何時(shí)破碎、如何破碎等至今仍不十分清楚。鑒于此，本文繼續(xù)采用線性穩(wěn)定性分析法，考慮粘性應(yīng)力對(duì)氣泡生長(zhǎng)不穩(wěn)定性的影響，在已有的理論基礎(chǔ)上重新推導(dǎo)了

6、氣泡生長(zhǎng)不穩(wěn)定性的色散方程，建立了新的液滴破碎準(zhǔn)則，并確定了子液滴的特性參數(shù)。研究結(jié)果表明，氣泡Weber數(shù)和氣泡的體積分?jǐn)?shù)越大，擾動(dòng)增長(zhǎng)速率就越大。當(dāng)氣泡生長(zhǎng)速度較小時(shí)，即使初始的油滴/氣泡半徑比不同，破碎時(shí)刻的氣泡體積分?jǐn)?shù)也基本保持不變，而氣泡破碎時(shí)間將隨著氣泡生長(zhǎng)速度的增大或者初始油滴/氣泡半徑比的減小而縮短。
　　 鑒于KIVA程序中的液滴蒸發(fā)子模型并不適用于閃急沸騰噴霧，本文在兩區(qū)模型的基礎(chǔ)上對(duì)其進(jìn)行了相應(yīng)的改進(jìn)，通過

7、質(zhì)量守恒和能量守恒，得到了過熱液滴的半徑和溫度的表達(dá)式。在將氣泡破碎模型和改進(jìn)后的液滴蒸發(fā)模型與KIVA程序耦合之后，本文對(duì)兩組高壓共軌噴霧實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了多維模擬，計(jì)算結(jié)果表明，噴霧貫穿距的預(yù)測(cè)值與實(shí)測(cè)值基本吻合，油滴索特平均直徑（SMD）與實(shí)驗(yàn)結(jié)果吻合較好，這也間接驗(yàn)證了氣泡破碎模型和液滴蒸發(fā)模型的有效性。
　　 本文采用高速攝像技術(shù)對(duì)二甲醚閃急沸騰噴霧進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，重點(diǎn)考察了噴嘴啟噴壓力、噴孔直徑和環(huán)境背壓對(duì)噴霧形態(tài)和宏觀特性