直噴式柴油機近噴孔區(qū)域燃油噴射霧化機理的基礎研究.pdf

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

2、霧相關基礎理論，因此具有重要的理論意義和工程實用價值。 本文首先利用大渦模擬（LES）方法對近噴孔區(qū)域的射流霧化機理進行研究，分析了噴油器結構對噴孔內流和初始表面波的影響。結果顯示，在考慮了具體的噴油器結構參數(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驗非常接近的噴束結構。近噴孔區(qū)域的射流霧化極大地依賴于噴孔內流及噴孔出口處的初始流動條件。射流離開噴孔時的邊界條件突變和湍流是初始表面波產生的根源之一。噴孔內流

3、為層流時，射流初始表面波的波長和振幅由邊界條件突變決定；噴孔內流為湍流時，初始表面波結構主要由湍流決定。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。噴油器結構是否具有軸對稱性對初始表面波和噴束形態(tài)的對稱性具有重要影響。初始振幅越大，在空氣動力作用下表面波會更迅速的發(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構對射流霧化的影響。結果顯示，不同頻率的表面波之間會發(fā)生相互疊加并對射流霧化

4、產生影響。初始表面波的振幅越大則射流直徑減小越快，射流霧化越強烈。 在對現(xiàn)有各種燃油霧化機理假說進行分析，并結合近幾年國內外實驗研究成果和本文進行的大渦模擬研究結論的基礎上，作者提出了新的射流初次霧化機理，并對Huh-Gosman模型和WAVE模型進行了修正。認為邊界條件突變、湍流和空化是射流初始表面波產生的三種主要因素。射流的初次霧化是以上三種因素產生的初始表面波在空氣動力作用下發(fā)生失穩(wěn)增長的過程，結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分布的液滴群。初次霧化形成的液絲或液滴在空氣動力作用下將發(fā)生二次霧化。本文引用Lichtarowicz模型來模擬噴油器結構、噴油壓力和氣體背壓對噴孔內流的影響，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間尺度，從而能夠考慮射流直徑對射流穩(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。根據未擾液核形狀相對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。與實驗結果的對比顯示，該方法能夠

7、較為準確地獲得近噴孔區(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構對射流霧化的影響。 本文利用定容噴霧實驗裝置，對不同氣體背壓和不同噴油壓力條件下的噴霧過程進行了高速攝影拍攝。通過測量實驗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錐角等結果。本文建立的分裂霧化模型加入到KIVA3V程序后，針對噴霧實驗進行了射流霧化過程的多維數(shù)值模擬計算。模