本文關(guān)鍵詞：大缸徑船用柴油機(jī)噴霧宏觀特性研究

  更多相關(guān)文章： 大缸徑船用柴油機(jī) 噴霧貫穿距 霧化錐角 定容彈 三維仿真

【摘要】：柴油機(jī)噴霧特性與燃燒室內(nèi)的空氣利用及混合氣均勻性有著密切聯(lián)系,是影響柴油機(jī)燃燒最重要的因素之一。目前國內(nèi)外學(xué)者針對(duì)車用柴油機(jī)噴霧進(jìn)行了大量研究,而對(duì)大缸徑船用柴油機(jī)的噴霧研究較少。由于大缸徑柴油機(jī)和小缸徑柴油機(jī)噴孔尺寸差距較大,經(jīng)大量簡化和假設(shè)得到的經(jīng)驗(yàn)公式或噴霧模型都有其適用范圍,若不進(jìn)行驗(yàn)證就直接對(duì)大缸徑柴油機(jī)噴霧及燃燒進(jìn)行預(yù)測往往會(huì)造成較大誤差。因此,獲得大缸徑船用柴油機(jī)噴霧特性及適用的噴霧模型,為燃燒系統(tǒng)開發(fā)提供依據(jù),具有工程應(yīng)用價(jià)值和理論研究價(jià)值。本文主要開展了以下工作:(一)分析相關(guān)文獻(xiàn),以柴油機(jī)噴霧宏觀特性(噴霧貫穿距,霧化錐角)為研究對(duì)象,確定了噴射壓力、環(huán)境氣體條件和噴孔結(jié)構(gòu)為主要影響因素,通過定容彈噴霧測試平臺(tái)進(jìn)行試驗(yàn)研究。設(shè)計(jì)了11個(gè)試驗(yàn)對(duì)比方案,獲取了不同條件下的噴霧圖像,分析不同因素對(duì)噴霧宏觀特性的影響規(guī)律。研究結(jié)果表明:(1)隨著噴射壓力由70MPa升高到160MPa,油滴噴射速度增大,同時(shí)油滴平均直徑減小、阻力增大,因此噴霧貫穿距增大且增長幅度逐漸減小;而霧化錐角隨噴射壓力升高由減小的趨勢;(2)充入N2或SF6使環(huán)境氣體密度由11.5kg/m3升高到80.5kg/m3,油滴所受阻力增大,因此噴霧貫穿距減小;環(huán)境氣體介質(zhì)相同時(shí),隨環(huán)境氣體密度升高氣體與油滴相互作用增強(qiáng),向徑向運(yùn)動(dòng)趨勢增加,霧化錐角增大;環(huán)境氣體介質(zhì)不同時(shí),由于SF6的分子質(zhì)量大于N2,雖然其密度更高但分子個(gè)數(shù)少,對(duì)油滴的破碎作用減弱,霧化錐角反而更小。(3)環(huán)境氣體溫度由298K升高到393K,在該溫度范圍內(nèi)整個(gè)噴霧場的蒸發(fā)作用有限,因此噴霧貫穿距變化不大;而在噴霧場周圍的細(xì)小液滴會(huì)隨著環(huán)境氣體溫度升高而蒸發(fā)為氣相,陰影測試法無法記錄氣相,因而造成記錄下的霧化錐角減小。(二)在噴霧試驗(yàn)的邊界條件范圍內(nèi),利用三維仿真軟件AVL-FIRE對(duì)比研究了WAVE和KH-RT模型,比較這兩種模型在研究范圍內(nèi)對(duì)大缸徑船用柴油機(jī)噴霧仿真預(yù)測精度,進(jìn)而確定適用的噴霧模型。研究結(jié)果表明:對(duì)于本文定容彈噴霧試驗(yàn),兩種模型的仿真精度差別不大,而WAVE模型需調(diào)整的參數(shù)少,標(biāo)定效率高,故選擇WAVE模型為適用于大缸徑船用柴油機(jī)的噴霧模型,并通過試驗(yàn)數(shù)據(jù)標(biāo)定了關(guān)鍵參數(shù)C2的值。(三)利用標(biāo)定的噴霧模型,對(duì)比分析了非蒸發(fā)與蒸發(fā)條件下噴霧特性的差異,并研究了蒸發(fā)條件下噴射壓力、環(huán)境氣體密度、環(huán)境氣體溫度以及噴孔結(jié)構(gòu)對(duì)噴霧貫穿距的影響。研究結(jié)果表明:(1)非蒸發(fā)條件下,油滴蒸發(fā)緩慢,噴霧油滴一直向前發(fā)展達(dá)到計(jì)算域邊緣而碰壁;蒸發(fā)條件下油滴大量蒸發(fā),液相噴霧會(huì)有最大發(fā)展距離,而燃油蒸汽一直向前發(fā)展;(2)在環(huán)境氣體溫度800K的蒸發(fā)條件下,噴射壓力由70MPa升高到160MPa,噴霧動(dòng)能增大,因此氣相貫穿距增大;雖然液相油滴的速度隨著噴射壓力升高而增大,但液滴平均直徑小、蒸發(fā)速度快,存在時(shí)間縮短,因此最大液相貫穿距反而有減小趨勢;(3)在環(huán)境氣體溫度800K蒸發(fā)條件下,環(huán)境氣體密度由11.5kg/m3升高到54.5kg/m3,環(huán)境氣體對(duì)噴霧的阻力作用增大,這種影響對(duì)氣、液相噴霧影響是一樣的,因此氣、液相噴霧貫穿距均減小;(4)環(huán)境氣體溫度由600K升高到800K,對(duì)噴霧的運(yùn)動(dòng)速度影響較小,故氣相噴霧貫穿距變化不大;隨著環(huán)境氣體溫度升高,液相油滴蒸發(fā)速度加快,存在時(shí)間大大縮短,因此最大液相噴霧貫穿距急劇減小。(四)在本文的研究中,噴孔直徑由0.94D增大到D(D為基準(zhǔn)噴孔直徑)、噴孔長徑比由6.5增大到8.5(只改變噴孔長度)時(shí),對(duì)霧化錐角影響較大,而在非蒸發(fā)和蒸發(fā)條件下對(duì)噴霧貫穿距影響都很小。可能是因?yàn)榇蟾讖酱貌裼蜋C(jī)噴孔尺寸大,噴霧貫穿距對(duì)本文研究范圍內(nèi)的噴孔直徑和長徑比的變化不敏感。具體原因可下一步開展噴孔內(nèi)部流場計(jì)算進(jìn)行研究。本文采用試驗(yàn)結(jié)合CFD仿真的方法,掌握了自主研發(fā)的大缸徑船用柴油機(jī)高壓共軌燃油系統(tǒng)的噴霧宏觀特性變化規(guī)律,完成了噴霧模型標(biāo)定,為燃燒系統(tǒng)開發(fā)及優(yōu)化提供了依據(jù),為滿足大缸徑船用柴油機(jī)高效率、低排放性能要求奠定了基礎(chǔ),進(jìn)而促進(jìn)了節(jié)能減排目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)。
【關(guān)鍵詞】：大缸徑船用柴油機(jī) 噴霧貫穿距 霧化錐角 定容彈 三維仿真
【學(xué)位授予單位】：中國艦船研究院
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號(hào)】：U664.121
【目錄】：

• 摘要4-6
• ABSTRACT6-10
• 第一章 緒論10-26
• 1.1 課題研究背景10-11
• 1.2 噴霧特性的基本概念11-13
• 1.3 船用柴油機(jī)噴霧研究現(xiàn)狀13-19
• 1.3.1 國內(nèi)研究現(xiàn)狀13-15
• 1.3.2 國外研究現(xiàn)狀15-18
• 1.3.3 小結(jié)18-19
• 1.4 噴霧特性研究方法19-24
• 1.4.1 試驗(yàn)研究法19-22
• 1.4.2 CFD仿真計(jì)算法22-23
• 1.4.3 小結(jié)23-24
• 1.5 本課題的研究目的及主要內(nèi)容24-26
• 1.5.1 本課題的研究目的24
• 1.5.2 本課題的主要研究內(nèi)容24-26
• 第二章 燃油噴射霧化過程及機(jī)理26-32
• 2.1 液體射流分裂霧化的四種形態(tài)26-27
• 2.2 噴孔內(nèi)流的研究27-28
• 2.3 油滴分裂破碎機(jī)理28-29
• 2.4 燃油液滴的蒸發(fā)29-30
• 2.5 液滴間碰撞與聚合30
• 2.6 本章小結(jié)30-32
• 第三章 噴霧宏觀特性試驗(yàn)研究32-50
• 3.1 定容彈噴霧測試系統(tǒng)32-40
• 3.1.1 陰影法測試原理32
• 3.1.2 試驗(yàn)臺(tái)架32-35
• 3.1.3 試驗(yàn)準(zhǔn)備35-36
• 3.1.4 圖像處理36-38
• 3.1.5 重復(fù)性檢測38-40
• 3.2 試驗(yàn)方案40-41
• 3.3 試驗(yàn)結(jié)果及分析41-48
• 3.3.1 噴射壓力對(duì)噴霧宏觀特性的影響41-43
• 3.3.2 環(huán)境氣體密度對(duì)噴霧宏觀特性的影響43-45
• 3.3.3 環(huán)境氣體溫度對(duì)噴霧宏觀特性的影響45-46
• 3.3.4 噴孔直徑對(duì)噴霧宏觀特性的影響46-47
• 3.3.5 噴孔長徑比對(duì)噴霧宏觀特性的影響47-48
• 3.4 本章小結(jié)48-50
• 第四章 噴霧宏觀特性仿真計(jì)算研究50-74
• 4.1 基本控制方程50-51
• 4.1.1 質(zhì)量守恒方程50
• 4.1.2 動(dòng)量守恒方程50-51
• 4.2 燃油噴霧的物理-數(shù)學(xué)模型51-57
• 4.2.1 液滴飛行阻力模型51-52
• 4.2.2 液滴蒸發(fā)模型52-53
• 4.2.3 湍流擴(kuò)散模型53-54
• 4.2.4 液滴破碎模型54-57
• 4.3 定容彈網(wǎng)格劃分及邊界條件設(shè)置57-58
• 4.3.1 定容彈網(wǎng)格劃分57
• 4.3.2 邊界條件及初始條件57-58
• 4.4 求解方法58
• 4.5 大缸徑船用柴油機(jī)噴霧模型標(biāo)定58-63
• 4.6 非蒸發(fā)條件與蒸發(fā)條件噴霧宏觀特性對(duì)比63-64
• 4.7 蒸發(fā)條件下噴霧宏觀特性的仿真計(jì)算64-71
• 4.7.1 噴射壓力對(duì)氣、液相噴霧貫穿距的影響64-66
• 4.7.2 環(huán)境氣體密度對(duì)氣、液相噴霧貫穿距的影響66-67
• 4.7.3 環(huán)境氣體溫度對(duì)氣、液相噴霧貫穿距的影響67-69
• 4.7.4 噴孔直徑對(duì)氣、液相噴霧貫穿距的影響69-70
• 4.7.5 噴孔長徑比對(duì)氣、液相噴霧貫穿距的影響70-71
• 4.8 本章小結(jié)71-74
• 第五章 全文總結(jié)與展望74-76
• 5.1 全文總結(jié)74-75
• 5.2 主要?jiǎng)?chuàng)新點(diǎn)75
• 5.3 工作展望75-76
• 致謝76-78
• 參考文獻(xiàn)78-80
• 學(xué)術(shù)論文和科研成果目錄80

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