噴油嘴作為燃油噴射系統(tǒng)的執(zhí)行元件,燃油霧化效果的好壞直接影響著柴油機(jī)的經(jīng)濟(jì)性以及排放性能。目前來說,已經(jīng)有大量的試驗(yàn)和模擬研究結(jié)果表明,孔內(nèi)空化現(xiàn)象對(duì)噴孔內(nèi)部流動(dòng)以及孔外射流霧化有重要影響。然而大部分研究都是集中于噴射穩(wěn)定階段,關(guān)于噴油嘴在噴油結(jié)束后噴孔內(nèi)部流動(dòng)特性研究鮮有報(bào)道。近年有試驗(yàn)發(fā)現(xiàn),噴油嘴在噴油結(jié)束階段發(fā)生外部空氣倒流進(jìn)入孔內(nèi)情況,最后形成殘余氣泡。這些氣泡在下次噴射過程中會(huì)發(fā)生擠壓破裂,由此產(chǎn)生的沖擊能量必然會(huì)導(dǎo)致噴孔內(nèi)的流場(chǎng)的紊亂從而影響射流霧化。加上現(xiàn)在噴油技術(shù)的提升,短噴,多次噴射技術(shù)的遍及,更應(yīng)該對(duì)噴油嘴的非穩(wěn)定階段進(jìn)行研究�；诂F(xiàn)有的試驗(yàn)條件基礎(chǔ),搭建了噴油器孔內(nèi)流動(dòng)可視化和孔外射流霧化試驗(yàn)裝置,采用高速可控閃光攝影技術(shù)并結(jié)合長(zhǎng)距離顯微技術(shù)拍攝了噴油器透明噴嘴孔內(nèi)流動(dòng)及近場(chǎng)噴霧。試驗(yàn)結(jié)果表明噴油嘴在噴油結(jié)束階段先出現(xiàn)空化隨后發(fā)生空氣倒流的現(xiàn)象。在針閥開啟之前,噴油嘴內(nèi)部存在殘余氣泡;在噴射初期階段,柴油噴霧結(jié)構(gòu)主要呈現(xiàn)兩種差異很大形態(tài):傳統(tǒng)的“蘑菇”形態(tài),前端帶有細(xì)長(zhǎng)“針型”液絲形態(tài),且第一種形態(tài)出現(xiàn)概率遠(yuǎn)大于第二種。關(guān)于第二種形態(tài)其他研究者也有發(fā)現(xiàn),但是鑒于試驗(yàn)條件限制很難直接獲取第二種形態(tài)的形成過程。因此需要借助數(shù)值模擬手段來輔助分析。首先在Linux(Ubantu16.04)操作系統(tǒng)下,應(yīng)用開源CFD程序包OpenFOAM,基于VOF法的思想,構(gòu)建了針對(duì)噴嘴內(nèi)部含空化的多相流(液-蒸汽-空氣)模型,按照Open FOAM的編程思想,設(shè)計(jì)并編譯了相應(yīng)的求解器。首先,本文采用Winklhofer試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)該求解器進(jìn)行數(shù)學(xué)模型的驗(yàn)證,對(duì)比試驗(yàn)與模擬結(jié)果發(fā)現(xiàn)所編寫的求解器對(duì)于預(yù)測(cè)空化和噴嘴出口質(zhì)量流量具有較高的準(zhǔn)確性,為接下來數(shù)值模擬研究針閥關(guān)閉階段空化現(xiàn)象提供基礎(chǔ)。基于此求解器模擬噴油嘴停油之后孔內(nèi)流場(chǎng)信息,結(jié)果表明噴嘴在噴油結(jié)束之后孔內(nèi)優(yōu)先發(fā)生空化,隨后壓力室發(fā)生空化,當(dāng)外部壓力傳入內(nèi)部時(shí)候,孔內(nèi)蒸汽泡開始潰滅導(dǎo)致外部空氣倒流,最終形成若干個(gè)殘余氣泡�？紤]氣泡的可壓縮性,采用OpenFOAM自帶的可壓縮兩相流求解器Compressible InterFoam模擬殘余氣泡對(duì)射流霧化的影響。研究發(fā)現(xiàn):氣泡位置對(duì)于射流霧化形態(tài)有顯著影響,并發(fā)現(xiàn)當(dāng)氣泡圓心位置離孔口距離在0.43-0.51mm范圍內(nèi)都能形成“針型”液絲結(jié)構(gòu),形成原因是當(dāng)處于這個(gè)范圍內(nèi),前端燃油厚度合適,加上殘余氣泡的存在,導(dǎo)致后端的燃油先形成尖端在封閉的氣泡中不斷變長(zhǎng)最終刺穿氣泡形成細(xì)長(zhǎng)液絲。在此基礎(chǔ)上,進(jìn)一步分析殘余氣泡直徑以及個(gè)數(shù)對(duì)噴霧形態(tài)影響。結(jié)果表明,獨(dú)特“針型”液絲結(jié)構(gòu)不僅與氣泡的位置有關(guān)也與氣泡的直徑有關(guān),于是推斷形成條件與無量綱數(shù)Z相關(guān),經(jīng)多組模擬結(jié)果確定當(dāng)Z在0.1-0.35之間可以導(dǎo)致形成細(xì)長(zhǎng)液絲,并且液絲長(zhǎng)度與Z呈負(fù)相關(guān)。殘余氣泡對(duì)射流破碎有著明顯的促進(jìn)作用,殘余氣泡個(gè)數(shù)越多,射流破碎程度也就越高。
【學(xué)位授予單位】：南昌大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號(hào)】：TK423
【圖文】：

第 1 章 緒論及在出口位置的潰滅導(dǎo)致流場(chǎng)極不穩(wěn)定，使得射流發(fā)生破碎和霧化。目前來油機(jī)噴油嘴的燃油霧化過程一般分為靠近噴嘴出口主要受燃油噴孔內(nèi)流影近噴孔區(qū)初次霧化和離噴嘴出口遠(yuǎn)端的主要受空氣動(dòng)力擾動(dòng)影響的二次霧兩個(gè)過程，其原理如圖 1.1 所示，并認(rèn)為柴油近場(chǎng)噴霧的霧化效果直接影響的二次破碎和霧化過程。因此，研究燃油近場(chǎng)霧化過程對(duì)于優(yōu)化和改善柴油燃燒效率以及減小排放物形成就有了很強(qiáng)的指導(dǎo)意義。

第 1 章 緒論1.2 噴油嘴噴孔內(nèi)流研究現(xiàn)狀對(duì)于柴油機(jī)噴油嘴孔內(nèi)研究，大多研究學(xué)者還是集中于穩(wěn)定噴射階段的空化現(xiàn)象研究，并認(rèn)為空化現(xiàn)象的發(fā)生增加噴霧錐角，有利于燃油射流破碎進(jìn)程。隨著試驗(yàn)設(shè)備的空間分辨以及時(shí)間分辨精度提高，已經(jīng)有一些研究學(xué)者發(fā)現(xiàn)，噴油嘴在連續(xù)噴射過程中，會(huì)出現(xiàn)孔外空氣倒流流入孔內(nèi)甚至進(jìn)入壓力室內(nèi)，而這些倒流氣體在噴嘴壁面以及表面張力的作用下形成多個(gè)氣泡或者氣柱。這與我們傳統(tǒng)認(rèn)為噴油結(jié)束之后孔內(nèi)充滿液體燃料不同，這也勢(shì)必將會(huì)對(duì)下次燃油噴射初次霧化產(chǎn)生重大影響。國(guó)外研究方面，早在 1999 年，Badock[24]等人試驗(yàn)拍攝了透明噴嘴內(nèi)部流場(chǎng)以及近場(chǎng)噴霧過程，如圖 1.2 所示。試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)在針閥開啟之前，就有一些氣泡存在于透明噴油嘴的壓力室以及噴孔中。

圖 1.3 噴油結(jié)束階段實(shí)際噴嘴孔內(nèi)流場(chǎng)分布自美國(guó) Argonne 國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的 Battistoni[28]等人通過試驗(yàn)以及證了在針閥關(guān)閉之后，噴嘴出現(xiàn)氣體倒流現(xiàn)象。究中，南昌大學(xué)姜光軍[29]等人采用亞克力材料實(shí)現(xiàn)噴油過程在噴油結(jié)束階段，外部空氣倒流進(jìn)入噴孔形成殘余氣泡，并且力對(duì)于倒流氣體影響較大，孔徑增加以及表面張力減小都會(huì)量增加。如圖 1.4 所示，來自同一課題組的王晨亮[30]等人在原上添加定容彈用來研究背壓對(duì)倒流氣體的影響，結(jié)果發(fā)現(xiàn)背壓化程度越低，同樣地氣體倒流程度也就越低，如圖 1.5 所示。

【參考文獻(xiàn)】

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1 徐陽(yáng)杰;李國(guó)岫;虞育松;高思超;王凌;;噴孔直徑對(duì)柴油射流霧化影響的實(shí)驗(yàn)研究[J];工程熱物理學(xué)報(bào);2015年04期

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1 虞育松;直噴式柴油機(jī)近噴孔區(qū)域燃油噴射霧化機(jī)理的基礎(chǔ)研究[D];北京交通大學(xué);2009年

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1 孫偉;柴油機(jī)近場(chǎng)噴霧特性的可視化試驗(yàn)研究[D];江蘇大學(xué);2017年

2 林宇星;基于VOF方法的噴嘴空穴流動(dòng)與近場(chǎng)噴霧數(shù)值模擬研究[D];南昌大學(xué);2013年

本文編號(hào)：2764376