直噴式柴油機(jī)近噴孔區(qū)域燃油噴射霧化機(jī)理的基礎(chǔ)研究.pdf

1、由于具有較高的熱效率和更低的二氧化碳排放，直噴式柴油機(jī)被認(rèn)為是很有發(fā)展前景的輕型貨車和載重汽車的動(dòng)力源。對(duì)直噴式柴油機(jī)而言，液體燃油的噴射、霧化及其與空氣的混合被認(rèn)為是最重要的過程。霧化對(duì)直噴式柴油機(jī)性能具有決定性的影響。雖然人們對(duì)霧化機(jī)理進(jìn)行了長期的研究，但由于問題的復(fù)雜性，人們對(duì)霧化機(jī)理的認(rèn)識(shí)至今仍未全面理解，尤其是近噴孔區(qū)域的初次霧化機(jī)理。開展直噴式柴油機(jī)近噴孔區(qū)域的燃油噴射霧化機(jī)理有助于加深對(duì)燃油霧化機(jī)理的認(rèn)識(shí)，豐富和發(fā)展燃油噴

2、霧相關(guān)基礎(chǔ)理論，因此具有重要的理論意義和工程實(shí)用價(jià)值。 本文首先利用大渦模擬（LES）方法對(duì)近噴孔區(qū)域的射流霧化機(jī)理進(jìn)行研究，分析了噴油器結(jié)構(gòu)對(duì)噴孔內(nèi)流和初始表面波的影響。結(jié)果顯示，在考慮了具體的噴油器結(jié)構(gòu)參數(shù)（針閥、油囊和噴孔）情況下，采用氣液兩相流大渦模擬能夠獲得與實(shí)驗(yàn)非常接近的噴束結(jié)構(gòu)。近噴孔區(qū)域的射流霧化極大地依賴于噴孔內(nèi)流及噴孔出口處的初始流動(dòng)條件。射流離開噴孔時(shí)的邊界條件突變和湍流是初始表面波產(chǎn)生的根源之一。噴孔內(nèi)流

3、為層流時(shí)，射流初始表面波的波長和振幅由邊界條件突變決定；噴孔內(nèi)流為湍流時(shí)，初始表面波結(jié)構(gòu)主要由湍流決定。湍流的存在使射流在噴孔出口附近便形成具有較大波長和振幅的表面波。噴油器結(jié)構(gòu)是否具有軸對(duì)稱性對(duì)初始表面波和噴束形態(tài)的對(duì)稱性具有重要影響。初始振幅越大，在空氣動(dòng)力作用下表面波會(huì)更迅速的發(fā)生增長，液核也將具有更快的破碎速率。另外，本文還采用大渦模擬方法研究了表面波結(jié)構(gòu)對(duì)射流霧化的影響。結(jié)果顯示，不同頻率的表面波之間會(huì)發(fā)生相互疊加并對(duì)射流霧化

4、產(chǎn)生影響。初始表面波的振幅越大則射流直徑減小越快，射流霧化越強(qiáng)烈。 在對(duì)現(xiàn)有各種燃油霧化機(jī)理假說進(jìn)行分析，并結(jié)合近幾年國內(nèi)外實(shí)驗(yàn)研究成果和本文進(jìn)行的大渦模擬研究結(jié)論的基礎(chǔ)上，作者提出了新的射流初次霧化機(jī)理，并對(duì)Huh-Gosman模型和WAVE模型進(jìn)行了修正。認(rèn)為邊界條件突變、湍流和空化是射流初始表面波產(chǎn)生的三種主要因素。射流的初次霧化是以上三種因素產(chǎn)生的初始表面波在空氣動(dòng)力作用下發(fā)生失穩(wěn)增長的過程，結(jié)果使得表面波頂部的液體發(fā)生

5、分裂形成液絲和液滴，導(dǎo)致液核直徑的不斷減小并在周圍形成眾多按一定噴霧錐角范圍內(nèi)分布的液滴群。初次霧化形成的液絲或液滴在空氣動(dòng)力作用下將發(fā)生二次霧化。本文引用Lichtarowicz模型來模擬噴油器結(jié)構(gòu)、噴油壓力和氣體背壓對(duì)噴孔內(nèi)流的影響，為初次霧化模型提供包括噴孔有效流通面積、射流有效流通速度、流通系數(shù)及空泡等效半徑等初始條件。原Huh-Gosman模型采用無限長平面射流的Kelvin-Helmholtz不穩(wěn)定理論無法考慮射流直徑對(duì)射流

6、穩(wěn)定性的影響，本文采用無限長無粘圓柱射流的Kelvin-Helmholtz不穩(wěn)定理論來求解射流表面波增長的時(shí)間尺度，從而能夠考慮射流直徑對(duì)射流穩(wěn)定性的影響。液核破碎速率和破碎液滴粒徑的求解是基于能量守恒原理，能夠綜合考慮邊界條件突變、湍流及空化的共同作用。根據(jù)未擾液核形狀相對(duì)比球體更接近圓柱體，本文建立了離散液柱液核模型?；诔醮戊F化過程是液體分裂液核的過程，本文提出了基于DDM模擬初次霧化過程的新方法。與實(shí)驗(yàn)結(jié)果的對(duì)比顯示，該方法能夠

7、較為準(zhǔn)確地獲得近噴孔區(qū)域（<1．0mm）的噴霧形態(tài)。二次霧化過程采用KH-RT模型進(jìn)行模擬。因此，本文建立的混合分裂霧化模型能夠考慮噴油器結(jié)構(gòu)對(duì)射流霧化的影響。 本文利用定容噴霧實(shí)驗(yàn)裝置，對(duì)不同氣體背壓和不同噴油壓力條件下的噴霧過程進(jìn)行了高速攝影拍攝。通過測量實(shí)驗(yàn)得到的噴霧圖像得到了包括噴霧貫穿距離、噴霧近錐角和噴霧遠(yuǎn)錐角等結(jié)果。本文建立的分裂霧化模型加入到KIVA3V程序后，針對(duì)噴霧實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了射流霧化過程的多維數(shù)值模擬計(jì)算。模