二甲醚噴霧特性與燃燒過程的實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬研究.pdf

1、二甲醚作為一種理想的柴油機(jī)替代燃料，近年來受到了眾多研究者的廣泛關(guān)注。針對其與柴油不同的特點(diǎn)，本文采用先進(jìn)的激光測試手段與多維數(shù)值模擬相結(jié)合的方法，對二甲醚噴霧混合和燃燒的發(fā)展變化歷程進(jìn)行了深入的研究。研究內(nèi)容和取得的成果主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：
　　 ⑴為了提高噴霧模擬的精度，對O’Rourke液滴碰撞模型的網(wǎng)格依賴性問題進(jìn)行了分析，提出了以交錯(cuò)網(wǎng)格和碰撞限制角相結(jié)合的CMC液滴碰撞改進(jìn)算法。分別在定容燃燒室和發(fā)動機(jī)氣缸內(nèi)，從

2、噴霧結(jié)構(gòu)、索特平均半徑(SMR)和噴霧貫穿距三個(gè)方面，分析了網(wǎng)格型式、網(wǎng)格精度以及噴霧粒子數(shù)對改進(jìn)算法計(jì)算結(jié)果的影響。結(jié)果表明：CMC液滴模型在極坐標(biāo)網(wǎng)格和直角坐標(biāo)網(wǎng)格下，均具有較低的網(wǎng)格依賴性，和較低的網(wǎng)格精度和粒子數(shù)敏感性；但在噴霧貫穿距預(yù)測方面，CMC液滴算法只是略好于O’Rourke液滴碰撞算法。這主要是由于CMC算法設(shè)計(jì)用來較好的解決液滴碰撞的徑向分量，而噴霧貫穿距是液滴軸向運(yùn)動的測量。
　　 ⑵在綜合研究了二甲醚噴霧

3、的有關(guān)實(shí)驗(yàn)文獻(xiàn)后，發(fā)現(xiàn)二甲醚噴射過程中易于出現(xiàn)閃急沸騰現(xiàn)象。以TSI公司的數(shù)字PIV系統(tǒng)為基礎(chǔ)，構(gòu)建了適用于噴霧研究的PIV噴霧測試系統(tǒng)。根據(jù)CCD照相機(jī)捕獲的噴霧圖像，分析了單孔直噴式柴油噴嘴形成的二甲醚閃急沸騰噴霧的結(jié)構(gòu)及其發(fā)展過程。結(jié)果發(fā)現(xiàn)：按照噴霧軸線方向，閃急沸騰噴霧的結(jié)構(gòu)可以分為噴霧初始核區(qū)，閃急沸騰噴霧的主體區(qū)和渦環(huán)形成區(qū)。根據(jù)渦環(huán)結(jié)構(gòu)的形成與發(fā)展，其噴霧發(fā)展過程可以分為以下四個(gè)主要階段，即渦環(huán)結(jié)構(gòu)的形成階段，渦環(huán)結(jié)構(gòu)的發(fā)

4、展與變形階段，渦環(huán)結(jié)構(gòu)的破碎階段，以及充分發(fā)展的閃急沸騰噴霧階段。另外，由于微爆效應(yīng)的作用，二甲醚閃急沸騰噴霧與柴油噴霧在宏觀特性方面也表現(xiàn)出較大的不同。
　　 ⑶借助于PIV噴霧測試系統(tǒng)，對二甲醚普通噴霧的內(nèi)部特性及其相應(yīng)的機(jī)理進(jìn)行了研究。與柴油噴霧相似，二甲醚噴霧體內(nèi)存在著不均勻的枝狀結(jié)構(gòu)；但噴霧體內(nèi)燃油的分布特性則與柴油存在著較大的差別，二甲醚噴霧體內(nèi)存在著清晰可分的高濃度燃油區(qū)和低濃度燃油區(qū)。隨后，對二甲醚噴霧的速度場和

5、渦量場等流動信息進(jìn)行了測量，并將不同截面二甲醚噴霧平均軸向速度的無因次速度分布與阿勃拉莫維奇速度分布剖面進(jìn)行了對比，發(fā)現(xiàn)在噴霧體中間部分兩者吻合的較好，但在噴霧體邊緣處阿勃拉莫維奇經(jīng)驗(yàn)公式預(yù)測的值偏??；為了在準(zhǔn)維燃燒模型中更為準(zhǔn)確的描述二甲醚噴霧混合及其燃燒過程，給出了一個(gè)新的適用于二甲醚噴霧的速度分布公式。另外，還就撞壁對二甲醚噴霧的影響進(jìn)行了研究。
　　 ⑷以ZS195單缸直噴式柴油機(jī)為原型機(jī)，通過對其燃油系統(tǒng)進(jìn)行改裝和調(diào)試

6、，建立了直噴式二甲醚發(fā)動機(jī)的試驗(yàn)臺架。在三種不同工況條件下，對柴油機(jī)燃用二甲醚的燃燒過程進(jìn)行了試驗(yàn)研究。試驗(yàn)結(jié)果表明，對于ZS195柴油機(jī)來說，采用27°CA BTDC的供油提前角更為合適；并分析了進(jìn)氣溫度和壓縮比對二甲醚發(fā)動機(jī)燃燒與排放的影響。另外，采用類似于多點(diǎn)噴射式汽油機(jī)的混合氣組織方式，建立了燃用DME的HCCI發(fā)動機(jī)試驗(yàn)臺架。在三種發(fā)動機(jī)部分負(fù)荷工況條件下，對DME HCCI發(fā)動機(jī)的燃燒過程和排放特性進(jìn)行了研究。在HCCI模式

7、下二甲醚燃燒呈現(xiàn)出明顯的兩階段放熱特性，燃燒過程中存在的爆燃現(xiàn)象阻礙了發(fā)動機(jī)運(yùn)行工況向中高負(fù)荷范圍的擴(kuò)展。
　　 ⑸為了深刻認(rèn)識直噴式二甲醚發(fā)動機(jī)著火燃燒的機(jī)理，判明二甲醚發(fā)動機(jī)與柴油機(jī)在燃燒特性與排放方面存在較大差異的根本原因，本文采用改進(jìn)的KIVA程序，對ZS195單缸直噴柴油機(jī)燃用二甲醚的著火燃燒過程進(jìn)行了數(shù)值模擬與參數(shù)分析研究。結(jié)果表明：二甲醚發(fā)動機(jī)的著火燃燒過程之所以與柴油機(jī)表現(xiàn)出較大的不同，主要是由于二甲醚具有良好的