基于先進光學診斷技術的多孔直噴噴油器閃沸噴霧油氣混合過程的研究.pdf

1、傳統(tǒng)的冷態(tài)液體射流的破碎與霧化的過程主要發(fā)生在單液相區(qū)域，射流的霧化及混合過程主要受到慣性力、粘性力、表面張力和氣動力等微觀力的共同作用。而將經過加熱的燃油噴射到低于其飽和蒸氣壓的環(huán)境介質中形成的閃急沸騰噴霧（閃沸噴霧）發(fā)生在氣液兩相區(qū)域，大量的氣泡在液體內部形核、發(fā)展、破裂，極大地促進了燃油的霧化及蒸發(fā)過程，有望提高直噴汽油機的燃油經濟性、動力性及發(fā)動機瞬態(tài)性能，并改善發(fā)動機的排放性能。然而到目前為止，閃沸噴霧的霧化機理尚未完全明確。

2、
　　本文基于多種先進的光學診斷技術深入、系統(tǒng)地研究不同燃油過熱狀態(tài)下多孔直噴噴霧的形態(tài)變化過程和液體噴霧-環(huán)境氣體兩相流動、相互作用過程，解明閃沸噴霧形態(tài)變化背后的流場因素以及燃油噴霧與環(huán)境氣體的油氣混合過程，為直噴汽油機噴霧-燃燒系統(tǒng)的設計、開發(fā)及改進提供重要的理論參考。
　　為了進行燃油過熱程度對噴霧形態(tài)、流動特征的研究，本文首先利用數值分析方法確定了改變燃油溫度和改變環(huán)境壓力這兩種手段在改變燃油過熱程度上的等效關系，

3、并在實驗結果中得到了進一步的驗證。基于這一結果本文采用燃油噴射環(huán)境壓力與燃油飽和蒸氣壓之比作為燃油噴霧的無量綱過熱程度的評價指標，并依據這一評價指標劃分出燃油噴霧的三個特征過熱區(qū)域，即非過熱區(qū)域、過渡區(qū)域以及完全過熱區(qū)域。在各個特征過熱區(qū)域內燃油噴霧的形態(tài)、流動特征均表現出了明顯的區(qū)域特征。
　　在噴霧結構形態(tài)方面，本文利用片狀激光成像技術分別從軸向及徑向兩個不同的角度觀察了噴霧宏觀形態(tài)以及徑向截面燃油質量分布，總結了各過熱區(qū)域內

4、燃油噴霧形態(tài)的變化特征。此外，基于陰影顯微成像技術測得了近噴孔處燃油噴霧的微觀結構及燃油的尾噴特征，建立起微觀及宏觀噴霧形態(tài)之間的聯(lián)系，發(fā)現了常規(guī)液體噴霧與過熱燃油噴霧在霧化機理上的本質區(qū)別。
　　為了了解燃油噴霧在不同過熱度下形態(tài)變化過程背后的流場因素，本文成功地應用高速粒子圖像測速(PIV)技術研究各特征過熱區(qū)域內的噴霧流場特性，對軸向及徑向兩個不同視角對液體噴霧間的流動干涉、混合區(qū)域的形成過程等進行了系統(tǒng)討論。對于渦旋運動較

5、為明顯的過熱燃油噴霧，本文基于特征值分析法求得的噴霧旋流強度有效地對噴霧流場的渦旋運動（旋流強度）進行分析，闡明了噴霧渦旋運動對其流場形成的影響。
　　對于液體噴霧和環(huán)境氣體兩相流場的測試，能夠進行噴霧流場及環(huán)境氣體流場同場測試的Mie-scattering/LIF-PIV或LIF/LIF-PIV相關技術及應用極少見報，且絕大多數為低速的瞬態(tài)測試技術。這些技術對硬件水平、光路布置等的要求較高，極大制約了兩相流場同場測試技術的實際運

6、用和推廣，導致相應的實驗數據及理論極度缺乏。本文在這一背景下開發(fā)了以單激光器-單相機簡易實驗臺架的高速雙色PIV測試技術，利用精心設計的熒光示蹤方案以及包含兩個幀間時差的正時控制策略，成功實現了噴霧燃油及其環(huán)境氣體流動的同場測試。
　　基于這一新開發(fā)兩相流動測試技術，本文進行了燃油噴霧氣液兩相流動、混合過程的研究。本文將液體噴霧周圍的環(huán)境氣體運動劃分為卷吸區(qū)域、回流區(qū)域和外推區(qū)域這三個特征區(qū)域。其中，卷吸區(qū)域內距離距離噴孔位置較近

7、，其內的環(huán)境氣體在液體噴霧流動產生的尾跡作用下流入液體噴霧以補償液體噴霧區(qū)域與周圍環(huán)境的壓力差;外推區(qū)域位于液體噴霧前端，其內的環(huán)境氣體被后方的液體噴霧向外推出;處于中間段的回流區(qū)域則是由環(huán)境氣體為滿足連續(xù)性要求而進行的補償流動所致。本文分析了不同過熱度下液體噴霧與環(huán)境氣體兩相之間的動量傳遞特性以及環(huán)境氣體運動的能量在上述三個特征區(qū)域內的分布情況，著重討論了環(huán)境氣體在卷吸區(qū)域內的卷吸特性（卷吸速度、卷吸質量流量），提出了不同噴射階段下環(huán)

8、境氣體的一維卷吸模型。
　　基于上述所得結果，本文全面闡明了不同特征過熱區(qū)域內噴霧形態(tài)、噴霧流動特性及油氣混合過程。相比于常規(guī)液體噴霧，過熱燃油噴霧在完全不同的霧化機理作用下噴霧形態(tài)靈活可變，燃油霧化質量顯著改善，環(huán)境氣體卷吸更加強烈，油氣混合更加充分，有望解決目前直噴汽油機開發(fā)過程中遇到的燃油碰壁、機油稀釋、活塞積碳、碳煙排放等問題。本文的研究工作也為開發(fā)新概念的過熱燃油噴霧燃燒系統(tǒng)以及相關仿真計算模型的調校提供重要的理論及實驗