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柴油机喷油器喷孔内空穴流动的可视化试验研究与数值模拟分析

作　者: 马志炎
导　师: 许沧粟
学　校: 浙江大学
专　业: 车辆工程
关键词: 柴油机喷油嘴孔内流动空穴 X射线相衬成像喷雾雾化数值模拟
分类号: TK421
类　型: 硕士论文
年　份: 2013年
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内容摘要

随着世界范围内对保护环境和节约能源的日益重视,对能耗低、排放少的柴油机的要求也日益迫切。在柴油机中,燃油的喷射、雾化性能对于发动机的燃烧和排放具有关键作用。鉴于此,国内外学者对该领域的研究十分关注,并对燃油喷射雾化机理进行了深入研究。经过学者们长期不懈地努力,人们逐渐认识到液体喷雾雾化是多种因素综合作用的结果,空气动力、喷孔内的空穴现象和湍流扰动是三个基本原因。目前只有在空气动力不稳定性的研究上比较成熟,因此进一步研究喷孔内部空穴流动现象是非常必要的。本文全面系统地分析了燃油喷射系统数值模拟的发展概况和发展趋势,建立了喷孔内部空穴流动的数学模型,对喷油嘴喷孔内空穴流动进行了变参数与变介质数值模拟分析,阐明了喷油系统结构参数与不同介质对流动所产生的影响。分析了二维喷孔的进出口压力差、不同长径比对其空化现象的影响；模拟分析了孔内不同流动状态对应的喷雾流场,分析了空穴现象对喷雾的影响规律；应用三维CFD软件对纯大豆生物柴油与常规柴油在喷油嘴喷孔内部的流动进行了数值仿真,计算结果表明：相比常规柴油而言,相同压力条件下,由于生物柴油密度较大,导致质量流量比常规柴油高；并且由于其较大的黏度使临界空穴条件更严格,因此相同压力条件下空穴强度低于常规柴油；同时生物柴油的喷孔出口动量与有效喷射速度也较小,而两者的流量系数与面积系数分别相差不大。在数值模拟的基础上,对计算结果进行试验验证,提出运用X射线成像技术可视化研究比例放大喷孔的内部流动,利用上海光源相关光学设备设计并搭建了比例放大透明喷嘴内空穴流动可视化试验台,开展了试验研究喷孔内部的空穴流动,也为后期可以在真实接近喷油嘴的外部边界条件,不改变喷油嘴结构的前提下进行中子成像可视化分析研究打好基础,将能得到真实工作条件时的喷油嘴喷孔内空穴流动图像,因此对于深入研究喷孔内空穴流动机理将有望取得很大的突破。通过可视化试验结果得到孔内流动可划分为三种时期,分别为无空穴期、空穴发展期与挑流期；并且通过孔外拍摄图像得到空穴流能够增大孔外的喷雾锥角。当进口压力小于0.22MPa、空穴数大于1.82时,喷孔内只有湍流运动,无空穴出现；而当进口压力介于0.22MPa至0.4MPa、空穴数介于1.33至1.82之间时,空穴产生并且逐渐向喷孔出口处延伸；当进口压力高于0.4MPa、空穴数低于1.33时,孔内流动状态进入挑流期；因此当喷压增大时,孔内流动状态由无空穴流进入到空穴流,并且喷雾锥角逐渐增大,达到超空穴时的喷雾锥角最大；随着喷压进一步增大,由于进入到挑流,喷雾锥角会减小。本文的特色在于：1.设计了一种新型可视化二维喷孔对喷油嘴喷孔内部空穴流动状态进行研究；2.使用软件Fluent对喷油嘴喷孔内部燃油的空穴流动及孔外喷雾进行了数值分析,包括对计算模型的网格独立性验证以及对进出口压力边界条件的确定。3.搭建喷油嘴喷孔内部及孔外近场喷雾高速摄影可视化试验装置,利用X射线相称成像技术,针对比例放大喷油嘴在不同进口压力、不同长径比时的内部流动状态以及孔外喷雾形态进行分析研究；同时结合计算模型进行对比验证,证实本文所采用的数值模拟的可行性。4.在上述基础上,建立真实喷孔计算模型,对比分析了生物柴油与常规柴油在喷孔内部流动以及喷射过程的区别,探讨了生物柴油对缸内空气-燃油混合过程的影响。

全文目录

摘要  4-6
Abstract  6-9
目录  9-12
第一章绪论  12-18
  1.1 空穴现象产生机理  13-14
  1.2 空穴现象的试验及数值模拟研究现状  14-16
  1.3 本文主要的研究工作  16-18
第二章流体力学相似原理和放大尺寸可视化喷油嘴设计  18-29
  2.1 喷孔内流动状态分析  18-22
  2.2 流体动力学中的相似性  22-26
    2.2.1 流体力学相似条件  22-23
    2.2.2 相似判据  23-24
    2.2.3 决定性相似准数  24-26
  2.3 可视化喷油嘴的设计  26-28
  2.4 本章小结  28-29
第三章喷油器喷孔内部空穴流动的控制方程与数学模型  29-37
  3.1 基本方程  29-30
  3.2 湍流模型  30-31
  3.3 混合多相流空穴模型  31-33
  3.4 柴油机喷孔内空穴模拟计算的数学建模  33-35
  3.5 数值计算方法  35
  3.6 本章小结  35-37
第四章基于Fluent软件的喷油嘴喷孔内部网格验证与计算的实施  37-47
  4.1 空穴流数值模拟的主要步骤  37
  4.2 几何模型与网格划分  37-40
    4.2.1 二维喷嘴的几何模型  37-38
    4.2.2 网格划分  38-40
  4.3 网格独立性的验证  40-41
  4.4 二维喷孔流动计算中各参数设置  41-46
    4.4.1 常规柴油物性参数  41
    4.4.2 网格单元的选择  41-42
    4.4.3 边界条件的确定  42
    4.4.4 求解器的选择及其运行环境的确定  42-43
    4.4.5 建立计算模型  43
    4.4.6 选择工质  43
    4.4.7 确定主相与副相  43-44
    4.4.8 求解过程控制参数的设定  44-46
  4.5 本章小结  46-47
第五章数值模拟计算结果与试验验证分析  47-72
  5.1 进出口压力边界的确定  47-56
    5.1.1 迭代方法与思路  47-48
    5.1.2 求解过程  48-56
  5.2 喷孔进出口压力差对空穴现象的影响  56-58
  5.3 喷孔长径比对空化现象的影响  58-60
    5.3.1 喷孔宽度对空化现象的影响  58-59
    5.3.2 喷孔长度对孔内空穴流动的影响  59-60
  5.4 带有空穴模型喷雾的数值模拟  60-62
  5.5 可视化试验研究思路与目标  62-63
  5.6 可视化试验台架的搭建  63-66
    5.6.1 光学及高速摄影系统介绍  64-65
    5.6.2 试验原理  65-66
    5.6.3 试验装置的特点  66
  5.7 喷油嘴内空穴流动及喷雾雾化可视化试验分析  66-70
    5.7.1 改变进口压力时喷油嘴喷孔内部空穴流可视化试验分析  67-69
    5.7.2 不同进口压力下孔外喷雾雾化可视化试验分析  69-70
  5.8 本章小结  70-72
第六章真实喷油嘴喷孔内部生物柴油流动的仿真研究  72-79
  6.1 燃油的理化特性  72-73
  6.2 物理模型与网格划分  73
  6.3 数学模型与边界条件的设置  73-74
  6.4 网格独立性验证  74
  6.5 计算结果及分析  74-78
    6.5.1 质量流量与空穴分布图  74-75
    6.5.2 动量与有效喷射速度  75-76
    6.5.3 流动系数  76-77
    6.5.4 油气混合过程  77-78
  6.6 本章小结  78-79
第七章全文总结与展望  79-82
  7.1 全文总结  79-80
  7.2 工作展望  80-82
参考文献  82-87
致谢  87-88
附录  88
  攻读硕士学位期间发表论文  88

柴油机喷油器喷孔内空穴流动的可视化试验研究与数值模拟分析

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