基于空穴初生的柴油机喷嘴内部流动研究
柴油机的燃油喷雾混合作为的燃烧的边界条件之一,直接影响柴油机的经济性、动力性和排放性。喷嘴作为柴油机燃油喷射系统的终端,对燃油雾化质量、油束与燃烧室的配合及喷油持续期的长短都有直接影响,进而影响缸内燃烧。燃油喷雾的形成、雾化过程及雾化质量除了受喷雾与其周围空气摩擦的影响外,更受到喷嘴内部流动湍流和空穴的影响。其中,空穴现象成为把喷嘴流动和喷雾行为联系起来的一种关键因素。所以非常有必要开展喷嘴内空穴流动研究。而喷嘴由于喷孔直径只有零点几毫米,喷射压力又很高,一般达到上百兆帕,以致通过喷孔的流速非常高,接近几百米/秒的数量级,而喷油持续期又非常短,仅几毫秒,高的湍流强度以及气液两相流动的复杂性,使得对其内部空穴流动的影响机理不是很清楚。本文结合国内外研究现状,从可视化试验和数值模拟两方面出发,对喷嘴内空穴初生的影响因素开展了系统的研究。
本文的主要内容和创新性研究成果如下:
(1)搭建了喷嘴内空穴流动及喷雾的可视化试验台。试验结果发现,喷孔内空穴流动对后续的喷雾有着重大影响。对不同喷孔倾斜角喷嘴,空穴主要是在喷孔的上部区域产生和发展,随着喷孔倾斜角的减小,空穴结构特征有较大的不同。
(2)通过试验验证对比分析,建立起求解空穴流动的数学模型,确定了混合多相流动下的Singhal完全空穴模型及相关模型参数。分别以水和柴油为流动介质的数值模拟,所得结果均与试验结果基本一致,验证了所建模型的可靠性。
(3)研究流动介质的物性参数对空穴初生的影响,得出液体中气核含量越高,空穴现象越明显,并随着进口压力的增加,这种影响更为显著;液体粘性的增加不利于空泡的进一步生长,对空穴的发展有一定的抑制作用;液体饱和蒸汽压力和表面张力对临界空穴数影响不大;燃油温度对空穴流动有一定的影响,对密度大的生物柴油进行增温50～60K处理,可以获得与柴油相近的流动性能;喷孔内空穴流动对于喷孔外界的温度和密度环境影响不是很敏感,但是受进出口压差影响很大。
(4)基于动网格技术,开展多孔喷嘴内空穴流动瞬态特性研究,分析针阀运动对喷嘴内空穴流动的影响,得出针阀开启和关闭瞬间,喷嘴内空穴流动呈现不同的流动特性。
本研究可为柴油机燃油喷射系统结构优化及喷雾性能改善提供理论指导,同时为空穴这一特殊两相流问题的研究做出贡献,推动多相流学科的发展。
柴油机;喷嘴内部;空穴流动;可视化试验;数值模拟;喷雾性能
江苏大学
硕士
工程热物理
何志霞
2012
中文
TK423.84
97
2012-09-03（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）