噴嘴空穴流動(dòng)機(jī)理及其對(duì)二甲醚噴霧與燃燒影響的研究.pdf

1、二甲醚(DME)作為高效清潔的石油替代燃料，其應(yīng)用研究是能源領(lǐng)域的一項(xiàng)重大科學(xué)問題。二甲醚具有高飽和蒸氣壓使得其應(yīng)用于噴射霧化時(shí)，噴孔內(nèi)會(huì)存在“氣泡”（空化）現(xiàn)象，而這種噴孔內(nèi)的流態(tài)會(huì)影響噴孔近場(chǎng)的流態(tài)和油滴霧化。由此開展了二甲醚噴射條件下，噴孔內(nèi)空化現(xiàn)象的發(fā)生、發(fā)展規(guī)律及其對(duì)強(qiáng)化噴霧霧化和混合的數(shù)值模擬研究，以便深入理解噴孔內(nèi)部的復(fù)雜流動(dòng)現(xiàn)象及其變化規(guī)律，為優(yōu)化孔式噴嘴結(jié)構(gòu)、強(qiáng)化二甲醚霧化和混合過程提供有效的研究手段及基礎(chǔ)數(shù)據(jù)資料。<

2、br>　　基于廣泛應(yīng)用于描述氣泡生長(zhǎng)和潰滅過程的R-P方程，建立了全面描述空穴氣泡生長(zhǎng)、收縮、反跳及破碎過程的氣泡動(dòng)力學(xué)微分方程，并發(fā)展了求解R-P方程的分段自適應(yīng)算法。運(yùn)用新算法可顯著提高R-P方程的求解速度。由于氣泡在收縮階段速度梯度很大，進(jìn)行積分運(yùn)算時(shí)需要很小的時(shí)間步長(zhǎng)，進(jìn)行分段積分可以控制自適應(yīng)算法的區(qū)間，使其能更好地發(fā)揮算法優(yōu)勢(shì)。
　　運(yùn)用R-P方程，就噴油系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與運(yùn)行參數(shù)對(duì)噴孔內(nèi)空穴流動(dòng)的影響進(jìn)行了計(jì)算分析，探討了不

3、同噴射壓力、背壓、氣泡核大小、階躍寬度，以及不同流體對(duì)噴孔內(nèi)空化現(xiàn)象的發(fā)生、發(fā)展規(guī)律的影響。在此基礎(chǔ)上，建立了修正R-P方程。利用該方程能夠?qū)昭鞯娜N破碎形態(tài)，即氣泡動(dòng)力學(xué)破碎、湍流破碎及滑移破碎現(xiàn)象進(jìn)行計(jì)算分析。
　　提出了基于VOF模型及離散粒子技術(shù)的空穴兩相流模型，該耦合模型兼具VOF模型求解兩相流速度及壓力的優(yōu)勢(shì)，以及拉格朗日粒子法對(duì)單個(gè)氣泡追蹤的有效性，并且給出了該耦合模型的計(jì)算流程圖和實(shí)現(xiàn)兩種模型協(xié)調(diào)運(yùn)行的方法，為

4、復(fù)雜空穴流動(dòng)研究提供了一種新的研究思路。利用該模型可以得到通過實(shí)驗(yàn)手段難以獲取的空穴流動(dòng)中氣泡大小分布以及空穴氣泡的狀態(tài)等信息，為探討汽泡潰滅對(duì)噴霧霧化混合的影響，以及汽泡潰滅對(duì)過流部件的侵蝕和可能引起的噪聲、振動(dòng)危害的治理提供新的研究手段。
　　運(yùn)用基于VOF模型及離散粒子技術(shù)的空穴兩相流模型，對(duì)大尺度和實(shí)際噴孔尺度下噴孔內(nèi)的空穴流動(dòng)特性進(jìn)行了計(jì)算分析及其結(jié)果的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，同時(shí)通過實(shí)驗(yàn)圖像的對(duì)比分析，探討了水、柴油和二甲醚空穴流動(dòng)

5、的特征及其影響因素。研究表明，對(duì)大尺度噴孔空穴流動(dòng)的計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果不僅在宏觀特征上，而且也在細(xì)節(jié)上都較吻合；通過計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)，判明了空穴粒子的空間分布與噴孔的流動(dòng)狀態(tài)有關(guān)，而粒子尺寸分布與所受到的壓力環(huán)境有關(guān)；針對(duì)氣泡破碎行為及其氣泡破碎空間分布特點(diǎn)進(jìn)行的研究表明，對(duì)于正常的空穴流動(dòng)來(lái)說(shuō)，氣泡破碎對(duì)噴孔內(nèi)壁的侵蝕破壞不大；而當(dāng)噴孔尺度很小時(shí)，噴孔內(nèi)的空穴流動(dòng)會(huì)發(fā)生阻塞現(xiàn)象，導(dǎo)致噴孔內(nèi)流動(dòng)出現(xiàn)不穩(wěn)定，此時(shí)氣泡的破碎對(duì)噴孔內(nèi)壁的汽蝕危害很

6、大。
　　基于噴孔內(nèi)空穴流動(dòng)分析所獲得的噴嘴出口處的噴射參數(shù)（速度分布，湍動(dòng)能分布及空穴分?jǐn)?shù)等），建立了二甲醚噴射油滴霧化的大渦模擬邊界條件，應(yīng)用大渦模擬方法研究了噴孔近場(chǎng)的流態(tài)和噴霧初次霧化問題。在此基礎(chǔ)上，進(jìn)一步探討了噴孔直徑、燃油噴射壓力、背壓和噴孔長(zhǎng)徑比等參數(shù)對(duì)噴孔近場(chǎng)流動(dòng)形態(tài)與分裂長(zhǎng)度的影響。
　　在保證計(jì)算精度符合要求的條件下，為了盡可能地提高計(jì)算效率，并為化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)模型與準(zhǔn)維燃燒模型計(jì)算提供一個(gè)行之有效的途

7、徑，采用高斯分布函數(shù)修改了二甲醚氣相噴霧模型并推導(dǎo)出DME準(zhǔn)維燃燒分區(qū)模型，通過對(duì)氣相射流模型進(jìn)行合理分區(qū)及其與CHEMKIN庫(kù)函數(shù)的耦合聯(lián)算，建立了改進(jìn)的二甲醚準(zhǔn)維多區(qū)燃燒模型。該模型集準(zhǔn)維氣相射流模型與DME詳細(xì)燃燒反應(yīng)動(dòng)力學(xué)機(jī)理（包含81種組分、402步基元反應(yīng)）為一體，其微分方程組的求解采用了DVODE算法。利用改進(jìn)的準(zhǔn)維多區(qū)模型，對(duì)二甲醚發(fā)動(dòng)機(jī)的著火與燃燒過程，以及污染物排放(CO,NOx等)進(jìn)行了數(shù)值模擬研究。模型驗(yàn)證的結(jié)果