二甲醚閃急沸騰噴霧的數(shù)值模擬和實驗研究.pdf

1、本文針對二甲醚閃急沸騰噴射霧化與蒸發(fā)混合過程進行了深入的理論與實驗研究，研究內(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)過程的機理分析及模型的建立上，并在此基礎(chǔ)上進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，本文在氣泡生長一維模型的基礎(chǔ)上，編寫了一個可用于模擬均勻過熱液體內(nèi)部氣泡生長過程的計算程序。計算程序的有效性通過過熱水中的氣泡生長實驗數(shù)據(jù)進行了驗證。在準(zhǔn)確計算二甲醚各主要熱物性參數(shù)

2、的基礎(chǔ)上，本文利用該計算程序?qū)Χ酌褮馀萆L過程進行了模擬計算，重點研究了環(huán)境壓力和燃油溫度對二甲醚氣泡生長的影響。研究結(jié)果表明，根據(jù)氣泡生長的加速度曲線，二甲醚氣泡的生長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，氣泡生長表現(xiàn)出不同的特點，而這是抑制氣泡生長的作用在氣液界面上的液體動壓和促進氣泡生長的熱邊界層內(nèi)的熱反饋效應(yīng)共同作用、相互競爭的結(jié)果。
　　 為了深入研究過熱燃油噴射的霧化機理，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。根據(jù)發(fā)動機燃油噴射的實際情況將氣泡流確定為過熱液體在噴嘴內(nèi)的流動形態(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)部生長的更多細節(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)前提下提出了一個改進的適用于過熱液體的噴嘴內(nèi)部流動模型。該一維模型可對氣泡在噴嘴內(nèi)的生長過程進行模擬計算，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、角的實驗結(jié)果得到了初步驗證。
　　 作為分析流體運動穩(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)得到了一個可描述閃急沸騰射流不穩(wěn)定性的色散方程，并對影響二甲醚射流不穩(wěn)定性的多個因素進行了研究和分析。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)對射流穩(wěn)定性的影響則相對比較復(fù)雜，需要具體問題具

5、體分析。在閃急沸騰條件下，氣相體積分數(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重要原因。
　　 大量的實驗研究表明，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)力對氣泡生長不穩(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)和氣泡的體積分數(shù)越大，擾動增長速率就越大。當(dāng)氣泡生長速度較小時，即使初始的油滴/氣泡半徑比不同，破碎時刻的氣泡體積分數(shù)也基本保持不變，而氣泡破碎時間將隨著氣泡生長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)上對其進行了相應(yīng)的改進，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式。在將氣泡破碎模型和改進后的液滴蒸發(fā)模型與KIVA程序耦合之后，本文對兩組高壓共軌噴霧實驗進行了多維模擬，計算結(jié)果表明，噴霧貫穿距的預(yù)測值與實測值基本吻合，油滴索特平均直徑（SMD）與實驗結(jié)果吻合較好，這也間接驗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)對二甲醚閃急沸騰噴霧進行了實驗研究，重點考察了噴嘴啟噴壓力、噴孔直徑和環(huán)境背壓對噴霧形態(tài)和宏觀特性