柴油機噴嘴內的空化流動及其強化燃油霧化混合的機理研究.pdf

1、空穴現(xiàn)象的研究目前已經(jīng)成為發(fā)動機及相關領域的一個熱點。針對未來超低排放、甚至零排放的排放法規(guī),現(xiàn)代柴油機不斷地提高噴射壓力,進行超高壓和超細噴孔噴射,以滿足新型燃燒方式高效、清潔、低噪聲燃燒的要求。最新的研究表明,在高壓和脈動噴射條件下,壓力室內存在強烈的高頻壓力震蕩,小尺度噴孔內會存在“氣泡”(空化)現(xiàn)象,而這種噴孔內的流態(tài)和空化現(xiàn)象會影響噴孔近場的流態(tài)、油滴破碎及其與空氣的混合過程。由于該現(xiàn)象固有的復雜性,目前國內外對此研究較少。因

2、此,深入理解噴孔內空泡形成的機理不僅對于流體力學和兩相流的研究具有重要的理論意義,而且將對柴油噴射系統(tǒng)的發(fā)展和混合過程控制方法產(chǎn)生重要的影響。
　　本文首先采用混合網(wǎng)格技術建立了實際柴油噴嘴的三維數(shù)值模型的計算網(wǎng)格,分析了網(wǎng)格質量對于計算精度的影響。研究表明,傳統(tǒng)的結構化網(wǎng)格并不適用于相對復雜的噴孔內部結構,而混合網(wǎng)格能夠準確地捕捉到噴油孔入口處詳細的幾何結構,從而提高了整個計算過程的收斂速度和穩(wěn)定性。通過對噴孔入口圓角處邊界層的

3、加密,成功預測到第一個空泡產(chǎn)生的位置。對比計算分析表明,最優(yōu)的網(wǎng)格尺寸大小為0.2μm-0.6μm,總體網(wǎng)格數(shù)達到1600000個,實現(xiàn)了對噴孔壁面處壓力、粘度和密度梯度分布的計算分析。
　　在對現(xiàn)有的各種空泡成核機理假說進行論證分析的基礎上,結合近幾年國內外實驗研究進展和作者在相關研究領域所取得的數(shù)值模擬計算成果,本文提出了新的空泡成核準則式,并耦合不同的湍流動力學模型,進行了空泡的成核、發(fā)展和潰滅歷程的數(shù)值模擬研究。研究結果表

4、明,以氣相體積分數(shù)和質量分數(shù)構成新的成核準則數(shù),能夠更加實際地反映噴孔中空泡的數(shù)量以及分布特征。在此基礎上,分析比較了Singhal模型和Zwart-Gerber-Belamri模型對于實驗結果的預測能力,證實了Singhal模型關于空泡的分布預測更為接近實驗值,較準確地反映空泡平均氣相體積分數(shù)的變化趨勢;而Zwart-Gerber-Belamri模型則僅僅反映了空泡沿噴孔壁面出現(xiàn)的位置,與實驗值相差甚遠。通過對 RNG k-ε模型、改

5、進的k-ε模型和標準 k-ε模型的耦合計算,結果表明:RNG k-ε模型和改進的k-ε模型對于噴孔內流場的結構、空泡的分布和湍動能分布的預測,較標準 k-ε模型更為合理。通過進一步對空化數(shù)和雷諾數(shù)進行無量綱化處理,對不同噴孔位置空泡的生成、增長、碰撞和破碎過程進行了計算分析,揭示出空泡的生成伴隨著強烈的周期性現(xiàn)象;在連續(xù)空化的條件下,噴孔出流對噴霧場有著較大的擾動,并且噴孔出流越不穩(wěn)定就越有利于噴孔近場的霧化;隨著噴射壓力的提高,使得孔

6、內的流動變化更加劇烈和不穩(wěn)定,空化效應增強。另外,針對不穩(wěn)定空化過程進行整個噴孔內的計算,結果與實驗值基本吻合,說明了本文提出的計算模型和計算方法合理、有效。
　　為進一步研究噴孔內流態(tài)和空化現(xiàn)象對強化燃油噴霧霧化混合過程的影響,作者設計制作了進氣道燃油噴射定容混合裝置,在專用柴油機試驗臺架上開展了通過缸外制備均質混合氣以實現(xiàn)柴油 HCCI燃燒的試驗研究,探討了噴射壓力和燃油溫度對于均質混合氣制備效率的影響。結果表明,當噴射壓力從

7、75bar增加至200bar時油氣混合率明顯增加,進一步增加噴油壓力則對油氣預混合率的改善有限。從試驗發(fā)動機的排放性能來看,在低速、低負荷工況,當噴油壓力大于15MPa時,增加噴油壓力對CO2排放影響很小。提高燃油的溫度和噴射壓力可提高柴油機高負荷下的燃燒效率,并減少HC的排放。采用本研究設計的油氣混合裝置,能顯著地降低柴油機全運行工況下HC的排放。試驗中還進一步探討了燃油噴射壓力和燃油溫度之間的匹配關系。實驗結果表明,保持噴射壓力不變