煤油在冷態(tài)超聲速氣流中噴射和霧化現(xiàn)象的初步研究.pdf

1、本文研究煤油在超聲速氣流中的噴射、霧化和混合現(xiàn)象。該問題是煤油超聲速燃燒的基本現(xiàn)象，也是研制煤油超燃沖壓發(fā)動機(jī)(特別是燃燒室設(shè)計(jì))的關(guān)鍵技術(shù)難題。在學(xué)術(shù)方面，該問題伴隨超聲速流動、激波、湍流、射流破碎與霧化、兩相流非平衡效應(yīng)和霧化流場光學(xué)診斷等學(xué)科交叉，急需解決超聲速氣流(即大速差)氣流中的射流破碎、湍流兩相流和霧化參數(shù)在線測量等問題。因此，本文研究有重要的工程應(yīng)用前景和學(xué)術(shù)意義。自60年代以來，煤油超燃霧化問題的研究一直得到重視，但由

2、于兩相湍流和射流破碎霧化等核心問題的理論研究沒有取得實(shí)質(zhì)性進(jìn)展，因此，該問題的理論分析、數(shù)值模擬與實(shí)驗(yàn)結(jié)果對比還是相差甚遠(yuǎn)，人們對該問題的現(xiàn)象認(rèn)識也尚待深入。為此，本文采用實(shí)驗(yàn)研究方法，主要說明如下： (1) 以煤油霧化參數(shù)在線測量為目標(biāo)，為避免尺度效應(yīng)的影響，建造了和單模塊超燃發(fā)動機(jī)燃燒室和噴嘴尺寸相同的直連式煤油超燃冷態(tài)霧化實(shí)驗(yàn)臺，力圖獲得和實(shí)際發(fā)動機(jī)相近的流場特征、霧化現(xiàn)象和參數(shù)分布。 (2) 以先進(jìn)光學(xué)診斷為核心

3、，以平面激光誘導(dǎo)熒光(PLIF)和激光散射、高速紋影測量為主要手段，以霧化參數(shù)的定量和半定量測量為目標(biāo)，開展煤油超燃霧化現(xiàn)象的測量研究。其中，采用高時間/空間分辨率的PLIF方法研究煤油的噴射和擴(kuò)散范圍是本文主要特色，得到的煤油液滴SMD(Sauter mean diameter)分布也是國際上首次公布的在線測量數(shù)據(jù)。 (3) 采用先進(jìn)的光學(xué)測量方法，首次較為系統(tǒng)地研究了不同結(jié)構(gòu)和幾何參數(shù)的凹槽流動機(jī)理及其對煤油超燃霧化、混合現(xiàn)

4、象的影響。 本文主要內(nèi)容概述如下： (1) 第一章指出本文研究背景、相關(guān)研究進(jìn)展，介紹了本文主要內(nèi)容和特色。 (2) 為開展實(shí)驗(yàn)研究，第二章主要介紹本文研制的直連式煤油超燃冷態(tài)霧化實(shí)驗(yàn)臺以及相關(guān)的測量系統(tǒng)。重點(diǎn)介紹了噴管、實(shí)驗(yàn)段設(shè)計(jì)和加工以及配套的光學(xué)測量系統(tǒng)。結(jié)果表明：實(shí)驗(yàn)段內(nèi)氣流較為均勻、雜亂波系較弱，可滿足煤油超燃霧化現(xiàn)象的實(shí)驗(yàn)要求。 (3)針對直通道(平板)燃燒室，第三章主要介紹煤油在超聲速氣流中

5、噴射、混合的實(shí)驗(yàn)研究，給出了煤油擴(kuò)散范圍、穿透深度和液滴直徑分布等流場圖象和數(shù)據(jù)。結(jié)果表明：射流和來流的動壓比對穿透深度、射流柱破碎和霧化有重要影響。動壓比越大，穿透深度增大，促進(jìn)了煤油射流的破碎和霧化，但射流激波變強(qiáng)、總壓損失增大。表面波是引起射流柱破碎的重要因素。當(dāng)動壓比較小，射流的表面波發(fā)展受抑制，只有經(jīng)過較長平滑初始段后才出現(xiàn)明顯的表面波。增大動壓比，在射流柱初始彎曲處出現(xiàn)表面波并迅速向下游發(fā)展，表面波振幅也增大。表面波是三維、

6、非定常的。 (4)針對兩種典型的開式和閉式凹槽，第四章介紹了煤油在含凹槽通道內(nèi)的噴射和霧化現(xiàn)象的實(shí)驗(yàn)和測量研究。重點(diǎn)研究不同幾何參數(shù)和結(jié)構(gòu)(前后緣角、導(dǎo)流槽和波狀后緣)對閉式凹槽的流場特征和煤油噴射、混合現(xiàn)象的影響。結(jié)果表明： ●對開式凹槽(L/D=3)，其產(chǎn)生的波系較弱，流場總壓損失小，自激振蕩較弱，但槽內(nèi)流向和橫向漩渦較強(qiáng)，可增強(qiáng)煤油與主氣流的橫向輸運(yùn)和摻混，煤油射流的霧化情況(激波和液滴SMD)與平板相近，但穿透深度降低。

7、與凹槽激波相比，射流激波可以忽略不計(jì)。 ●對于閉式凹槽(L/D=15)，無煤油噴射的凹槽激波較強(qiáng)，導(dǎo)致了上壁面邊界層的分離，總壓損失較大，凹槽后緣流場的自激振蕩較強(qiáng)。減小后緣傾角和采用波狀后緣，可減弱閉式凹槽的后緣激波。減小前緣傾角和采用導(dǎo)流槽，閉式凹槽的剪切層和前緣激波變化不大。當(dāng)有煤油噴射時，射流激波和凹槽激波相比可忽略不計(jì)。相對于開式凹槽，閉式凹槽的后緣氣流偏轉(zhuǎn)使煤油射流穿透深度顯著增大。采用波狀后緣，閉式凹槽的后緣激波和

8、上壁面邊界層分離均消失。改變凹槽幾何結(jié)構(gòu)和煤油噴射參數(shù)，除了凹槽內(nèi)的煤油略有改變外，對主氣流的煤油射流擴(kuò)散、混合影響不大。進(jìn)一步分析還表明：在含凹槽燃燒室中，由于當(dāng)?shù)貧饬魉俣群艽?，煤油射流的霧化不是難點(diǎn)，重點(diǎn)是要減弱凹槽產(chǎn)生的波系和增強(qiáng)煤油的擴(kuò)散混合。凹槽類型不僅取決于幾何特征參數(shù)(長深比)，而且和凹槽結(jié)構(gòu)、來流參數(shù)等相關(guān)。 ●在超聲速氣流中，通道內(nèi)是否有無凹槽，對煤油霧化后液滴SMD幾乎無影響，但對煤油的擴(kuò)散混合影響較大，特別

9、是閉式凹槽。 本文主要特色和創(chuàng)新之處為： (1)本文利用煤油自身受激熒光(磷光)輻射特性和PLIF方法，研究煤油在超聲速氣流中的擴(kuò)散混合問題，為煤油超燃霧化問題的測量研究提供了新的手段。眾所周知，PLIF方法在燃燒流場小分子自由基診斷方面得到了廣泛運(yùn)用，國外也將PLIF方法用于內(nèi)燃機(jī)的柴油噴霧流場測量研究，但針對煤油在超聲速氣流中的霧化流場測量研究方面，本文是公開文獻(xiàn)首次給出該方法的運(yùn)用和測量結(jié)果。與高速紋影等傳統(tǒng)方法相

10、比，PLIF可準(zhǔn)確地反應(yīng)煤油擴(kuò)散邊界及其表面波的三維非定常特性，給出的穿透深度等數(shù)據(jù)也更準(zhǔn)確?；诩y影方法，美國在70～80年代給出的射流穿透深度擬合經(jīng)驗(yàn)公式存在較大誤差，不能作為煤油超燃發(fā)動機(jī)燃燒室設(shè)計(jì)的數(shù)據(jù)?？梢灶A(yù)計(jì)，PLIF方法將成為有潛力的煤油超燃霧化場測量研究方法。 (2)基于在線測量和實(shí)際燃燒室尺度等條件，本文給出了有、無凹槽的煤油霧化液滴直徑分布，這也是公開文獻(xiàn)首次給出的煤油在超聲速氣流中霧化的在線測量數(shù)據(jù)。利用P

11、DPA，盡管LIN測量了水自直徑2mm噴孔在超聲速氣流中噴射的液滴SMD分布，但其實(shí)驗(yàn)條件與超燃發(fā)動機(jī)工況相差較大。本文測量數(shù)據(jù)表明：由于氣液相對速差大，因此，煤油在超聲速氣流中的霧化不是決定燃效率的主要因素，降低煤油點(diǎn)火和燃燒的化學(xué)延時是關(guān)鍵。凹槽等強(qiáng)化措施有助于增強(qiáng)煤油的擴(kuò)散和混合，但對霧化后的液滴直徑分布無明顯貢獻(xiàn)。 (3)通過煤油擴(kuò)散的PLIF圖象和液滴直徑測量數(shù)據(jù)，為煤油超燃冷態(tài)霧化現(xiàn)象提供了新的認(rèn)識。特別是有關(guān)凹槽流