柴油機(jī)噴嘴內(nèi)的空化流動及其強(qiáng)化燃油霧化混合的機(jī)理研究.pdf

1、空穴現(xiàn)象的研究目前已經(jīng)成為發(fā)動機(jī)及相關(guān)領(lǐng)域的一個熱點(diǎn)。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(jī)不斷地提高噴射壓力,進(jìn)行超高壓和超細(xì)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(nèi)存在強(qiáng)烈的高頻壓力震蕩,小尺度噴孔內(nèi)會存在“氣泡”(空化)現(xiàn)象,而這種噴孔內(nèi)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(fù)雜性,目前國內(nèi)外對此研究較少。因

2、此,深入理解噴孔內(nèi)空泡形成的機(jī)理不僅對于流體力學(xué)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(shù)建立了實(shí)際柴油噴嘴的三維數(shù)值模型的計(jì)算網(wǎng)格,分析了網(wǎng)格質(zhì)量對于計(jì)算精度的影響。研究表明,傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格并不適用于相對復(fù)雜的噴孔內(nèi)部結(jié)構(gòu),而混合網(wǎng)格能夠準(zhǔn)確地捕捉到噴油孔入口處詳細(xì)的幾何結(jié)構(gòu),從而提高了整個計(jì)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(yù)測到第一個空泡產(chǎn)生的位置。對比計(jì)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(dá)到1600000個,實(shí)現(xiàn)了對噴孔壁面處壓力、粘度和密度梯度分布的計(jì)算分析。
　　在對現(xiàn)有的各種空泡成核機(jī)理假說進(jìn)行論證分析的基礎(chǔ)上,結(jié)合近幾年國內(nèi)外實(shí)驗(yàn)研究進(jìn)展和作者在相關(guān)研究領(lǐng)域所取得的數(shù)值模擬計(jì)算成果,本文提出了新的空泡成核準(zhǔn)則式,并耦合不同的湍流動力學(xué)模型,進(jìn)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(jié)果表

4、明,以氣相體積分?jǐn)?shù)和質(zhì)量分?jǐn)?shù)構(gòu)成新的成核準(zhǔn)則數(shù),能夠更加實(shí)際地反映噴孔中空泡的數(shù)量以及分布特征。在此基礎(chǔ)上,分析比較了Singhal模型和Zwart-Gerber-Belamri模型對于實(shí)驗(yàn)結(jié)果的預(yù)測能力,證實(shí)了Singhal模型關(guān)于空泡的分布預(yù)測更為接近實(shí)驗(yàn)值,較準(zhǔn)確地反映空泡平均氣相體積分?jǐn)?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(shí)驗(yàn)值相差甚遠(yuǎn)。通過對 RNG k-ε模型、改

5、進(jìn)的k-ε模型和標(biāo)準(zhǔn) k-ε模型的耦合計(jì)算,結(jié)果表明:RNG k-ε模型和改進(jìn)的k-ε模型對于噴孔內(nèi)流場的結(jié)構(gòu)、空泡的分布和湍動能分布的預(yù)測,較標(biāo)準(zhǔn) k-ε模型更為合理。通過進(jìn)一步對空化數(shù)和雷諾數(shù)進(jìn)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(jìn)行了計(jì)算分析,揭示出空泡的生成伴隨著強(qiáng)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(nèi)的流動變化更加劇烈和不穩(wěn)定,空化效應(yīng)增強(qiáng)。另外,針對不穩(wěn)定空化過程進(jìn)行整個噴孔內(nèi)的計(jì)算,結(jié)果與實(shí)驗(yàn)值基本吻合,說明了本文提出的計(jì)算模型和計(jì)算方法合理、有效。
　　為進(jìn)一步研究噴孔內(nèi)流態(tài)和空化現(xiàn)象對強(qiáng)化燃油噴霧霧化混合過程的影響,作者設(shè)計(jì)制作了進(jìn)氣道燃油噴射定容混合裝置,在專用柴油機(jī)試驗(yàn)臺架上開展了通過缸外制備均質(zhì)混合氣以實(shí)現(xiàn)柴油 HCCI燃燒的試驗(yàn)研究,探討了噴射壓力和燃油溫度對于均質(zhì)混合氣制備效率的影響。結(jié)果表明,當(dāng)噴射壓力從

7、75bar增加至200bar時油氣混合率明顯增加,進(jìn)一步增加噴油壓力則對油氣預(yù)混合率的改善有限。從試驗(yàn)發(fā)動機(jī)的排放性能來看,在低速、低負(fù)荷工況,當(dāng)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(jī)高負(fù)荷下的燃燒效率,并減少HC的排放。采用本研究設(shè)計(jì)的油氣混合裝置,能顯著地降低柴油機(jī)全運(yùn)行工況下HC的排放。試驗(yàn)中還進(jìn)一步探討了燃油噴射壓力和燃油溫度之間的匹配關(guān)系。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,保持噴射壓力不變