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的經(jīng)濟性以及排放性能。目前來說,已經(jīng)有大量的試驗和模擬研究結(jié)果表明,孔內(nèi)空化現(xiàn)象對噴孔內(nèi)部流動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)部流動特性研究鮮有報道。近年有試驗發(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發(fā)生擠壓破裂,由此產(chǎn)生的沖擊能量必然會導(dǎo)致噴孔內(nèi)的流場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)該對噴油嘴的非穩(wěn)定階段進行研究�；诂F(xiàn)有的試驗條件基礎(chǔ),搭建了噴油器孔內(nèi)流動可視化和孔外射流霧化試驗裝置,采用高速可控閃光攝影技術(shù)并結(jié)合長距離顯微技術(shù)拍攝了噴油器透明噴嘴孔內(nèi)流動及近場噴霧。試驗結(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),前端帶有細長“針型”液絲形態(tài),且第一種形態(tài)出現(xiàn)概率遠大于第二種。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)計并編譯了相應(yīng)的求解器。首先,本文采用Winklhofer試驗數(shù)據(jù)對該求解器進行數(shù)學(xué)模型的驗證,對比試驗與模擬結(jié)果發(fā)現(xiàn)所編寫的求解器對于預(yù)測空化和噴嘴出口質(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模擬殘余氣泡對射流霧化的影響。研究發(fā)現(xiàn):氣泡位置對于射流霧化形態(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最終刺穿氣泡形成細長液絲。在此基礎(chǔ)上,進一步分析殘余氣泡直徑以及個數(shù)對噴霧形態(tài)影響。結(jié)果表明,獨特“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)致形成細長液絲,并且液絲長度與Z呈負相關(guān)。殘余氣泡對射流破碎有著明顯的促進作用,殘余氣泡個數(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)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號】：TK423
【圖文】：

第 1 章 緒論及在出口位置的潰滅導(dǎo)致流場極不穩(wěn)定，使得射流發(fā)生破碎和霧化。目前來油機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端的主要受空氣動力擾動影響的二次霧兩個過程，其原理如圖 1.1 所示，并認為柴油近場噴霧的霧化效果直接影響的二次破碎和霧化過程。因此，研究燃油近場霧化過程對于優(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)狀對于柴油機噴油嘴孔內(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程。隨著試驗設(shè)備的空間分辨以及時間分辨精度提高，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，會出現(xiàn)孔外空氣倒流流入孔內(nèi)甚至進入壓力室內(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氣泡或者氣柱。這與我們傳統(tǒng)認為噴油結(jié)束之后孔內(nèi)充滿液體燃料不同，這也勢必將會對下次燃油噴射初次霧化產(chǎn)生重大影響。國外研究方面，早在 1999 年，Badock[24]等人試驗拍攝了透明噴嘴內(nèi)部流場以及近場噴霧過程，如圖 1.2 所示。試驗發(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)束階段實際噴嘴孔內(nèi)流場分布自美國 Argonne 國家實驗室的 Battistoni[28]等人通過試驗以及證了在針閥關(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現(xiàn)噴油過程在噴油結(jié)束階段，外部空氣倒流進入噴孔形成殘余氣泡，并且力對于倒流氣體影響較大，孔徑增加以及表面張力減小都會量增加。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】

相關(guān)期刊論文 前3條

1 徐陽杰;李國岫;虞育松;高思超;王凌;;噴孔直徑對柴油射流霧化影響的實驗研究[J];工程熱物理學(xué)報;2015年04期

2 姜光軍;張煜盛;Medhat Elkelawy;肖干;;不同燃料的噴嘴內(nèi)流動與噴霧形態(tài)可視化試驗[J];農(nóng)業(yè)機械學(xué)報;2014年05期

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相關(guān)博士學(xué)位論文 前1條

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

相關(guān)碩士學(xué)位論文 前2條

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

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

本文編號：2764376