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| 随着世界范围内对保护环境和节约能源的日益重视,对能耗低、排放少的柴油机的要求也日益迫切。在柴油机中,燃油的喷射、雾化性能对于发动机的燃烧和排放具有关键作用。鉴于此,国内外学者对该领域的研究十分关注,并对燃油喷射雾化机理进行了深入研究。经过学者们长期不懈地努力,人们逐渐认识到液体喷雾雾化是多种因素综合作用的结果,空气动力、喷孔内的空穴现象和湍流扰动是三个基本原因。目前只有在空气动力不稳定性的研究上比较成熟,因此进一步研究喷孔内部空穴流动现象是非常必要的。本文全面系统地分析了燃油喷射系统数值模拟的发展概况和发展趋势,建立了喷孔内部空穴流动的数学模型,对喷油嘴喷孔内空穴流动进行了变参数与变介质数值模拟分析,阐明了喷油系统结构参数与不同介质对流动所产生的影响。分析了二维喷孔的进出口压力差、不同长径比对其空化现象的影响；模拟分析了孔内不同流动状态对应的喷雾流场,分析了空穴现象对喷雾的影响规律；应用三维CFD软件对纯大豆生物柴油与常规柴油在喷油嘴喷孔内部的流动进行了数值仿真,计算结果表明：相比常规柴油而言,相同压力条件下,由于生物柴油密度较大,导致质量流量比常规柴油高；并且由于其较大的黏度使临界空穴条件更严格,因此相同压力条件下空穴强度低于常规柴油；同时生物柴油的喷孔出口动量与有效喷射速度也较小,而两者的流量系数与面积系数分别相差不大。在数值模拟的基础上,对计算结果进行试验验证,提出运用X射线成像技术可视化研究比例放大喷孔的内部流动,利用上海光源相关光学设备设计并搭建了比例放大透明喷嘴内空穴流动可视化试验台,开展了试验研究喷孔内部的空穴流动,也为后期可以在真实接近喷油嘴的外部边界条件,不改变喷油嘴结构的前提下进行中子成像可视化分析研究打好基础,将能得到真实工作条件时的喷油嘴喷孔内空穴流动图像,因此对于深入研究喷孔内空穴流动机理将有望取得很大的突破。通过可视化试验结果得到孔内流动可划分为三种时期,分别为无空穴期、空穴发展期与挑流期；并且通过孔外拍摄图像得到空穴流能够增大孔外的喷雾锥角。当进口压力小于0.22MPa、空穴数大于1.82时,喷孔内只有湍流运动,无空穴出现；而当进口压力介于0.22MPa至0.4MPa、空穴数介于1.33至1.82之间时,空穴产生并且逐渐向喷孔出口处延伸；当进口压力高于0.4MPa、空穴数低于1.33时,孔内流动状态进入挑流期；因此当喷压增大时,孔内流动状态由无空穴流进入到空穴流,并且喷雾锥角逐渐增大,达到超空穴时的喷雾锥角最大；随着喷压进一步增大,由于进入到挑流,喷雾锥角会减小。本文的特色在于：1.设计了一种新型可视化二维喷孔对喷油嘴喷孔内部空穴流动状态进行研究；2.使用软件Fluent对喷油嘴喷孔内部燃油的空穴流动及孔外喷雾进行了数值分析,包括对计算模型的网格独立性验证以及对进出口压力边界条件的确定。3.搭建喷油嘴喷孔内部及孔外近场喷雾高速摄影可视化试验装置,利用X射线相称成像技术,针对比例放大喷油嘴在不同进口压力、不同长径比时的内部流动状态以及孔外喷雾形态进行分析研究；同时结合计算模型进行对比验证,证实本文所采用的数值模拟的可行性。4.在上述基础上,建立真实喷孔计算模型,对比分析了生物柴油与常规柴油在喷孔内部流动以及喷射过程的区别,探讨了生物柴油对缸内空气-燃油混合过程的影响。 |
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