（载运工具运用工程专业论文）基于kiva的不同溶气柴油喷射燃烧数值模拟研究.pdf

摘要 摘要 随着世界汽车保有量快速增长，以及社会经济的迅速发展，石油资源供不应 求的形势越来越严峻；同时，机动车尾气污染物的排放对环境的污染程度日趋严 重。实现发动机的高效节能和低排放控制，一直是世界能源与环境保护的一个重 大课题，具有重要的理论与现实意义。 在一系列研究中，基于溶气燃油喷射雾化的技术具有很大的优越性。研究表 明，该项技术具有控制燃烧过程实现降低柴油机氮氧化物和碳烟排放的潜力，是 最具成为发动机燃烧与排放控制的新技术之一。本论文根据溶气柴油喷射雾化特 性和机理，针对c 0 2 、0 2 、c 1 - 1 4 溶气柴油发动机喷射燃烧数值仿真进行了研究。 本文根据溶气柴油喷射雾化机理研究和溶气柴油喷射雾化发动机燃烧试验研 究的成果，进一步完善了溶气燃油射流气爆雾化初始阶段雾化模型、喷雾形状模 型和粒径分布模型，并建立了新的双燃料着火模型和燃烧模型，以及与k i v a 程序 的耦合工作。针对应用k i v a 程序涉及的有关着火点和排放的参数进行了优化，首 次系统地进行了模拟计算，并分析了c 0 2 、0 2 、c h 4 溶气柴油喷射柴油机的燃烧过 程。计算分析结果表明，该数值模拟计算分析方法具有较好的效果。 利用新建立的c 0 2 、0 2 、c i - h 溶气柴油喷射柴油机燃烧计算方法进行模拟计 算，从数值模拟仿真角度深入分析了不同溶气柴油喷射发动机燃烧着火时刻、主 要组分n o 。、s o o t 随柴油中溶入不同气体变化的复杂关系。揭示了在柴油中溶入 c 0 2 、0 2 、c h 4 气体的柴油机燃烧过程中，可以实现在抑制n o 。排放的同时也抑 制碳烟生成的机理。数值模拟计算发现当溶入0 2 、c h 4 时排放虽没有溶入c 0 2 时的低，但是比未溶气柴油燃烧的排放要低，而且此时发动机的功率降低相对比 溶入c 0 2 时要少，尤其是当溶入c h 4 时，发动机的功率降低最少，由于着火时刻 的滞后，s o o t 排放与溶入c 0 2 时接近，n o x 的排放又比溶入0 2 时低，因此可以 认为柴油中溶入c n 4 是一种降低排放和保持功率二者兼顾的方法。本文所得的结 论为实际开发溶气燃油喷射发动机提供了一定的理论依据。 关键词：溶气燃油，喷射雾化，燃烧，数值模拟 a b s t r a c t2 a b s t r a c t w i t ht h ei n c r e a s i n gn u m b e ro fa u t o m o b i l e s ，t h er a p i dd e v e l o p m e n to fe c o n o m i c i n f r a s t r u c t u r ea n dt h ef a c tt h a to i lr e s o u r c e sa r er u n n i n go u ta f f e c t sn o r m a ls o c i a l d e v e l o p m e n t m e a n w h i l e ，t h ee x h a u s to ft h ea u t o m o b i l ea l s op o l l u t e st h ee n v k o n m e n t s ot h a ta l lt h em a n u f a c t u r e r sh a v es h o u l da c t i v e l ys e a r c hf o rm e a n st of u r t h e ro p t i m i z e a n dd e v e l o pc o n v e n t i o n a li n t e r n a lc o m b u s t i o n ( i c ) e n g i n e s ，诵t l lt h em a i ng o a lo f r e d u c i n gf u e lc o n s u m p t i o na n de m i s s i o n ss i m u l t a n e o u s l y t h er e s e a r c hi so f t h e o r e t i c a l s i g n i f i c a n c ea n dm o m e n t o u sc u r r e n ts i g n i f i c a n c e t h et e c h n i q u ei f c d g ( i r l j e c tf u e lc o n t a i n i n gd i s s o l v e dg a s ) h a saq u i t eb i g s u p e r i o r i t y s t u d i e ss h o wt h a ti f c d gh a sap o t e n t i a lf o rr e d u c i n gt h ef o r m a t i o no f n o xa n ds o o te m i s s i o ns i m u l t a n e o u s l yi n d i e s e le n g i n e s i tm a yp o s s i b l yd e v e l o pi n t oa n e wt e c h n i q u ef o rc o n t r o l l i n gt h ec o m b u s t i o na n de x h a u s te m i s s i o n so fi ce n g i n e s i n t h i sw o r k i n v e s t i g a t i o no f t h ef u e lc o n t a i n i n gc 0 2 、0 2 、c i - hw a sc a r r i e do u tt 0r e v e a l t h em e c h a n i s ma n dt h ec h a r a c t e r i s t i c so ft h ej e ta t o m i z a t i o na n dc o m b u s t i o nu s i n g n u m e r i c a ls i m u l a t i o no f t h ec o m b u s t i o np r o c e s so f f u e lc o n t a i n i n gc 0 2 、0 2 、c i - 1 4i n d i e s e le n g i n e a c c o r d i n gt ot h es t u d yo f t h ed i e s e lf u e lj e ta n df u e lc o n t a i n i n gg a s ，t h em o d e lo f a t o m i z a t i o nw a si m p r o v e d ，a n dan e w i g n i t i o nm o d e la n dc o m b u s t i o nm o d e lw e r eb u i l t u p ，a n dt h e s ew e r e a l li m p l e m e n t e di nt h ek i v ac o d e ，as e r i e so f m o d i f i e dp a r a m e t e r s s u c ha si g n i t i o nt i m ea n de x h a u s tw e r ec o n s i d e r e d t h ek i v ac o d ew a sd e b u g g e da n d t h er e s u l t sw e r ec o m p a r e dw i t ht h ei f c d gc o m b u s t i o ne x p e r i m e n t a t i o n g o o d a g r e e m e n tw a so b t a i n e db e t w e e nt h ec a l c u l a t i o na n de x p e r i m e n td a t a t h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h ei g n i t i o nt i m ea n dt h eq u a n t i t yo fn o x ，s o o to ft h e i f c d ge n g i n ea n dd i f f e r e n td i s s o l v e dg a sw e r ef o u n db yt h es i m u l a t i o n t h e m e c h a n i s mo fr e d u c i n gt h ef o r m a t i o no fn o xa n ds o o te m i s s i o ns i m u l t a n e o u s l yi n d i e s e le n g i n e sb yu s i n gi f c d gw a sr e v e a l e d f u e lc o n t a i n i n gd i s s o l v e dc i - hc o u l d b o t hh o l d st h ee n g i n ep o w e ra n dr e d u c e se x h a u s tw a sf o u n df r o mt h es i m u l a t i o n t h e s er e s u l t sc a l ls u p p l yac e r t a i nb a s i sf o rd e v e l o p i n gar e a li f c d g e n g i n e k e yw o r d s ：f u e lc o n t a i n i n gg a s ；a t o m i z a t i o n ；c o m b u s t i o n ；n u m e r i c a ls i m u l a t e 重庆交通大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独 立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论 文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文 的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本 人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：歇 f 1 期：闭年年月g 日 重庆交通大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定， 同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版， 允许论文被查阅和借阅。本人授权重庆交通大学可以将本学位论文的 全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫 描等复制手段保存和汇编本学位论文。 学位论文作者签名：务教 同期：如f 7 年啦月莎r 指导教师签名：舀邛饭q 日期：为订年铲月汐f 1 第一章绪论 1 1 引言 第一章绪论 内燃机是目前热效率最高的热力发动机，已广泛应用于国民经济的各个领域 和国防部门，它所发出的总功率占全世界所有动力装置总功率的9 0 t ”。柴油机在 功率、燃油经济性和耐久性方面与其它类型的发动机相比具有很大的优势【2 j ，并且 由于柴油机热效率高，油耗比汽油机低1 3 ，所以c 0 2 排放量优于汽油机，而c 0 2 是导 致地球变暖的温室气体。1 9 9 7 年1 2 月在日本东京召开了第三次联合国气候变化框 架公约大会，在议定书中规定全社会要控n c 0 2 气体的排放量。大众公司丌发部经 过研究断定柴油汽车是实现欧洲在1 5 年内把c 0 2 的排放量降低2 0 的先决条件1 3 i 。 柴油机的这些优点使柴油机日益成为那些注重降低消耗，关切温室效应的国家轻 型车辆选用的动力【4 】。但是柴油机排放中微粒的含量比汽油机高出几十倍，n o 。排 放在小负荷运行时一般高于汽油机，在高负荷工作时，则少于汽油机。 自从上世纪4 0 年代美国加州的洛杉矶光化学烟雾事件以后，美国日本及欧洲 各国认识到汽车发动机是城市空气污染的主要来源。从六十年代起相继制定了车 用发动机的排放污染物控制标准。到目前为止美国、日本及欧洲各国汽车排放水 平与1 9 7 0 年排放水平相比已降低了9 0 以上，但是由于全球汽车保有量的持续高速 增长，汽车排放污染的现状仍十分严峻。近年来美国日本及欧洲制定的排放标准 日趋严格。 我国于1 9 8 1 起开始制定汽车排放标准，1 9 8 3 年发布了g b 3 8 2 4 - 3 8 4 7 8 3 ，从2 0 0 0 年起开始执行欧洲i 号标准，以后将逐步执行欧洲i i 号和欧洲i i i 号标准【5 】，因此， 进一步对发动机进行改进，提高其经济性，降低排放已经迫在眉睫。 有关汽车排放与节油等法规已对发动机的设计制造与使用产生了明显的影响 并经历着重大的改革。现代发动机必须同时具有节能降污两者兼优的性能。混合 气的质量与发动机的油耗和排放有密切关系。改善燃油喷射雾化质量，可以显著 提高混合气质量和燃烧质量，并可应用高压缩比和稀混合气燃烧系统。从而使发 动机的燃油经济性、功率和排放等综合性能得到明显提高。 但是，目前我国关于液体喷射雾化的研究还很少。即使是在柴油机喷射雾化 研究方面也仍集中在较传统的领域，对于汽油喷射雾化的研究还未真正起步。而 第一章绪论 2 国外发达国家无论在汽油机还是柴油机以及其它热机的燃油喷射雾化研究都投入 了大量的人力和物力。仅日本就有几十个研究室上百名教授和研究员的研究涉及 燃油雾化及低污染燃烧领域。现在国外不仅在喷雾机理的试验研究方面取得了不 少成果，英国还开发出燃油、空气相对喷射雾化形成可燃混合气的新型发动机， 日本的三菱和日产公司分别开发出汽油缸内喷射燃烧的新型发动机，它们都获得 了较好的经济性和低污染性。 柴油机的碳烟和氮氧化物的t r a d e o f f 关系，导致了二者的净化关系是相互抵 触和矛盾的。如改变喷油时刻，喷油延迟可降低氮氧化物，但油耗和碳烟微粒排 放会增加。因此如何既兼顾经济性又同时降低柴油机的氮氧化物和碳烟粒子的排 放，满足日益严格的排放法规成为国际上发动机研究者十分关注的课题。 柴油机排放污染控制技术可以分为两类：机内净化技术和机外净化技术。机 外净化技术主要是在排气系统中采用化学和物理的方法对已生成的有害排放物进 行净化的排放后处理技术；机内净化技术则以改进发动机缸内燃烧过程为研究核 心，当前降低柴油机氮氧化物和微粒排放的机内净化技术措施总体上又可以分为 燃烧改善和燃料改善两类。 溶气雾化就属于改善燃料这一类，它是一种新兴的喷射技术【6 】。它是通过在 加压的条件下使气体溶解在柴油中，在喷射过程中，由于压力的降低，溶气会从 柴油中析出形成大量的气泡，因而使得喷雾效果大大提高。由于柴油机排放中碳 烟和氮氧化物的t r a d e o f f 关系，即要想同时降低碳烟和n o 。的排放非常困难。希 望在燃油中加入一定物质，可以实现在各种不同的工况条件下都能很好地控制碳 烟和n o 。的排放。研究溶气喷射雾化技术就是基于这一目的。 1 2 溶气燃油喷射雾化和燃烧研究现状 1 2 1 溶气燃油喷射雾化研究现状 混合几种不同的物质可以改变燃料的物理性质，由沸点不同的两种或多种物 质混合的燃油，由于蒸发速率不同及燃油内部传质速度有限，射流内可能形成内 部为低沸点组分的汽核，而外层由高沸点组分包围的气泡，当燃油内的气泡不断 长大、气泡内的压力足以克服燃油的表面张力和环境压力时，将发生闪急沸腾现 象。溶气燃油喷射雾化完全不同于目前在柴油机和燃气轮机上广泛采用的压力雾 化和介质雾化等方法，溶气燃油喷射雾化的原理是事先在燃油中溶入在常温常压 下为气体的物质，利用闪急沸腾效应，使燃油中溶解的低沸点成分急骤汽化、析 第一章绪论 3 出，发生气爆雾化，产生的气态膨胀力克服燃油的内聚力和表面张力，在较低喷 射压力下就能获得理想的雾化质量。 希望利用溶入液体的气体改善液体喷射雾化的效果的研究是k a n a s a w a 等在 水中溶入n 2 的雾化实验，由于n 2 在水中的溶解浓度低，且水的黏度较大，所以， 未能获得溶气有利于液体喷射雾化的效果，从而停止该方向的研究。 1 9 6 5 年，v m i v a n o v 等人l ”首次提出了油包水乳化液在燃烧时能发生一 种特殊的闪急沸腾现象，也称二次雾化现象。以后又历经众多学者的研究 s l 对闪 急沸腾的理论解释取得了一致看法，认为闪急沸腾的发生是由于挥发性( 沸点) 不同的两种或多种混合液滴( 相溶与不相溶均可) 在高温环境下开始蒸发，由于 蒸发速率不同及液滴内部传质速度有限，当满足一定条件时，可能在液滴表面形 成由高沸点组分包围的外壳( 对乳化油滴而言为无水边界层) ：此时液滴的温度便 会迅速上升。如果温度达到了低沸点易挥发组分的过热极限，就会导致该组分均 匀核化。同时有大量的汽核产生并长大。形成高压汽团而发生较为强烈的c j 急沸 腾。由于在柴油中掺水曾被广泛地视为一种改善排放、降低油耗的有效方法，对 闪急沸腾现象的研究大都是针对柴油掺水的乳化油。 溶气燃油喷射雾化的概念最早于1 9 9 0 年由黄震提出，1 9 9 1 年以来邵毅明教 授一直和黄震等合作开展燃油溶气喷射雾化机理的研究。提出了一种高效、快速 制备溶气燃油的方法气体喷射溶气法，以及测定燃油溶气浓度的喷射法。采用 瞬间高速摄影方法和采用p d p a 、l d s a ( 激光粒度分析仪) 对溶气燃油喷射雾化 的喷注构造、喷雾锥角、油粒粒度分布、喷孔内流态等进行了研究。研究表明溶 气燃油喷注呈抛物形状，雾化角大，油粒细小，可大大提高雾化质量。后来，黄 震教授等人【9 i 又采用高速摄影技术在一个定容容器内对溶有c 0 2 柴油在常温常 压、常温高压、高温高压三种环境条件下的闪急沸腾喷射过程进行了观测和测量， 进一步对溶气燃油射流的雾化过程进行了研究，研究表明溶有c 0 2 的燃油喷射雾 化特性的主要影响因素是环境压力和温度。 1 9 9 5 年，f u j i m o t o 等人【1 0 1 对溶气燃油喷射雾化相交过程进行了理论上的探讨。 溶气燃油由喷嘴喷出后从喷嘴状态到越过饱和液相线之前，保持液相不变；溶气 燃油越过饱和液相线，但在越过饱和气相线之前，液态c 0 2 发生相变，燃油仍为 液态，此时溶气燃油越过饱和气相线，所有燃油全部气化。 此后，s e n d a 等人【l l 】采用高速摄影方法研究了溶气燃油瞬态喷雾的宏观特性。 1 9 9 9 年，s e n d a 等人【1 2 】采用激光衍射法对溶气燃油射流雾化的一些微观特性进行 了研究。 祁东辉、边跃章等人【1 3 】利用数码相机拍摄了溶入l p g 的柴油在大气环境中的 喷射雾化现象。研究表明l p g 溶气质量可以改善喷射雾化质量，以及随着l p g 第一章绪论 4 溶气质量比的增加，柴油喷射雾化的效果增加。 张俊强、小保方富夫等人1 1 4 j 研究了当溶有甲烷的煤油稳态通过直圆孔喷嘴时 形成减压沸腾喷射的喷雾特性，试验使用了基于小角度向静散射理论的激光粒度 分析仪和数码照相机。由溶解压力控制甲烷的溶解量。分析了不同的甲烷溶解量、 测量位置、喷射压力和喷嘴长径比对流量系数、喷雾形状和锥角、索特平均直径 的影响。张俊强、蒋德明【l5 】研究了溶气对不同燃油喷雾特性的影响。即研究了 对溶有甲烷( c h 4 ) 的煤油和柴油稳态喷雾特性进行了试验研究，并对两者的试验结 果进行了对比分析。 1 2 2 溶气燃油喷射燃烧研究现状 为改进柴油机的燃烧过程，节约燃油，日本枥木大学的教授进行了柴油溶0 2 的柴油机性能试验研究，获得了节油的效果。由于在柴油机上解决实际供油中的 均匀溶氧问题以及氧气在供油管路流动时的析出造成的气阻问题非常困难，因此 未能形成实际应用技术。 1 9 9 6 年，黄震等人在柴油机上进行的溶气燃油燃烧试验的研究1 1 6 ，探讨了燃 油溶解二氧化碳或空气后对发动机燃烧特性和排放生成的影响。研究结果表明溶 气燃油喷射可同时降低柴油机氮氧化物和碳烟的排放，有望发展成一种新的发动 机燃烧和排放控制技术。 1 9 9 7 年，s e n d a 等人i l i j 在一台快速压缩膨胀机上采用直接摄影的方法拍摄了 溶气燃油燃烧的照片，并研究了溶气燃油燃烧对氮氧化物和碳烟排放的影响。并 在一台快速压缩膨胀机上采用激光阴影法和双色法研究溶气燃油的燃烧，测量了 氮氧化合物和碳烟浓度，研究表明溶气燃油喷射和燃烧可以同时降低氮氧化物和 碳烟排放。 乔信起、陈剑等人【 18 】应用激光相位多普勒技术测量了含甲缩醛柴油喷雾的 速度场和粒径场，在直喷式柴油机上研究了该含氧混合燃油的燃烧排放特性。 王学台、杨莫等人2 0 】研究了一种新型燃油喷射系统的研究设计方案，该燃 油系统针对“溶气柴油”这种特珠燃料的需求而设计，目的在于同时降低柴油机 排放中的n o x 和碳烟微粒。喷油系统基于液压共轨式电控原理而设计，通过在共 轨腔和喷油嘴之间安装液压活塞，既实现了工作油与燃油相分离，又实现了中、 低压供油，高压喷射的目的，降低了加工的难度，同时解决了“溶气柴油”供油 系统中气体易析出的难题。 肖进等人利用自己开发的溶气燃油射流燃烧火焰结构与温度测试系统，进行 了不同二氧化碳溶气量的溶气燃油射流燃烧特性研究。获得了两种喷射压力下， 第一章绪论 5 不同溶气量的燃烧照片、火焰结构特征、温度分布的实验结果，并获得了一些有 益的成果1 2 ”。 张俊强、蒋德明【4 2 】在一台实用四冲程单缸机上进行了几种不同甲烷含量的甲 烷柴油混合燃料的燃烧和排放特性试验，真正的用实验验证了溶有甲烷的柴油喷 射燃烧的可行性，并得到了一系列的实验结果和分析结果。 综上所述，当前针对溶气燃油射流雾化和燃烧的研究工作主要集中在溶气燃 油喷射雾化特性和燃烧排放特性的基础研究上，对燃油溶气喷射雾化和燃烧机理 等还有待进一步广泛、深入地开展研究，以期获得可应用的技术，节约燃油、控 制有害物质的排放。 1 3 论文研究内容及意义 1 3 1 论文研究内容 在柴油中溶入不同性质的气体，由于不同气体性质在一定压力下柴油中的饱 和溶解浓度不同，而且，不同性质气体对柴油喷雾、燃烧过程的影响也不同。一 般来说，在几十个大气压下可以液化的气体，可以在较大范围内实现与柴油的溶 气比，反之，亦然。目前已经有多种不同的柴油溶气喷射研究，本文的目的在于 分析这些研究成果，借助发动机多维模拟软件k 1 v a 的开放代码，对源程序进行修 改，建立一套模拟柴油溶气喷射燃烧的平台，对几种典型的溶气进行仿真模拟计 算，希望能够从计算中得到更有益的结论来揭示溶气柴油喷射燃烧的机理。本文 的主要研究内容如下： 1 ) 燃油喷雾及溶气燃油喷雾概念和机理，选定模拟计算中要使用的溶入气体 为c 0 2 、0 2 、c h 4 。 2 ) 溶气燃油喷射燃烧研究情况，分析溶入气体后对燃烧过程和排放的影响。 3 ) 对发动机数值模拟软件k i v a 进行研究分析，对它的各个子模型以及数值 算法详细分析，修改喷雾和混合燃烧模型来计算溶有c 0 2 、0 2 柴油发动机喷射燃 烧过程，新建着火模型和混合燃烧模型与前述修改k i v a 程序耦合模拟计算溶有 c h 。况柴油发动机喷射燃烧过程。 4 ) 对溶有c 0 2 、0 2 、c h 4 柴油发动机喷射燃烧模拟计算结果进行对比分析， 并与已有的台架实验结果对比，调整各种情况下的计算参数，提高程序计算精度。 第一章绪论 6 1 3 2 论文研究意义 由于数值模拟方法的高效和低成本等特点，以及目前我国溶气柴油发动机开 发的现状比较落后，通过本课题的研究可以提供一个c 0 2 、0 2 、c l - h 系列数值模 拟平台，对进一步研究溶气柴油的雾化和燃烧，揭示不同溶气柴油的喷雾和燃烧 机理，及其对发动机排放的影响有重要的理论意义。本课题通过基于k i v a 发动 机仿真软件的研究和修改，可以模拟c 0 2 、0 2 、c h 4 溶气柴油的喷射和燃烧过程， 为当溶入的气体为可燃气体时模型的建立开辟了新的思路，并且计算结果有一定 的精度，对进一步开发溶气柴油产品，降低发动机的排放和功耗，从而满足日益 苛刻的排放标准有重要的实用价值。 第二章液体喷雾理论 7 第二章液体喷雾理论 溶气柴油喷雾研究是建立在液体喷雾理论的研究基础上的，因此本章主要介 绍液体喷雾的基本理论。 液体喷雾实际上就是将液体通过喷嘴喷射到气体介质中，使之分散并碎裂成 小颗粒液滴的过程。一般认为它是内外力共同作用的表面张力所引起的液体破裂。 在没有上述分裂外力作用时，表面张力总是使液体趋于球状，因为这样才能使液 体表面具有最小能量。液体粘性阻止液体的几何形状发生变化，使其保持稳定状 态。另一方面，作用在液体表面的空气动力对它施加外部扭曲力，促进了分裂过 程。当破坏力大于表面张力聚合力时液体就发生分裂了【2 2 1 。 很多在初始分裂过程中形成的大液滴是不稳定的，会进一步分裂成更小的液 滴。因此，最终喷雾形成的液滴尺寸的范围不但取决于一次雾化形成的液滴，也 取决于二次雾化时进一步分裂的程度。下面就几种不同的雾化机理进行讨论，它 们在整个雾化过程中都是相当重要的。 2 1 液滴的碎裂 2 1 1 静态液滴的碎裂 雾化的过程即是大的液流变成小的液滴。基本上可以把它看作是在内外力作 用共同影响下的液流碎裂。一方面，液体的表面张力迫使它形成一个小球体，因 为这样才具有最小表面能量；液体的粘性力则试图保持液体原有的形状。另一方 面，作用在液体表面的空气动力要促使它分裂。当空气动力之和大于表面张力与 粘性力之和时，会发生液体的碎裂【2 3 1 。 液滴破裂的压力平衡方程式： b = 只+ 只= c o n s t a n t( 2 1 ) 其中，p ，液滴内部压力 只外部空气压力 只液滴表面张力形成的压力 第二章液体喷雾理论 8 对球型液滴 只= 万4 0 ( 2 - 2 ) 可见，液滴的直径d 越小，液滴表面张力形成的压力p 。就越大。随着外部空 气压力p a 的减小，若p 。的改变不够大，只能破裂以增大p 。来抵消p a 的减小，使 p i 保持恒定。 2 1 2 液滴在湍流区中的碎裂 k o l m o g o r o v 和h i n z e 研究了液滴在湍流区中的碎裂州。他们认为：处于湍流 区中液滴的碎裂与湍流的动能有关，湍流的空气动力作用决定了雾化的最大液滴 尺寸。湍流动能对雾化的影响则随喷射液束的表面波波长的增长而增大，随着液 体与气体相对速度的增大而增大。当表面波的波长大于两倍的液滴直径时，液体 与气体的速度差能够产生较高的空气动力作用，这种湍流的动能将造成液滴的碎 裂。 2 2 圆射流的碎裂 喷嘴喷射出的实心液杜称为液体圆射流。如孔式喷嘴的喷雾，它是车辆、锅 炉、航空航天等载运工具的燃烧室中喷雾的主要形式之一，也是燃烧过程的首要 环节。当圆射流以连续液体的形式从喷嘴喷出时，受外界气体的扰动作用，在其 表面会形成一定模式的振荡波。表面波的振幅将逐渐扩大，分裂成为液片和大颗 粒液滴。这个过程被称为初级雾化。如果初级雾化的液滴的直径超过了临界值， 它们将进一步碎裂成大量的细小液滴，这个过程成为二级雾化。 最简单的圆射流变形与分裂可以分为以下几种： ( 1 ) 滴流( d r i p p i n g ) ：这种液柱的分裂是液体自重与表面张力不平衡的结果； ( 2 ) 平滑流( s m o o t hj e t ) ：平滑流的液柱是平滑透明的； ( 3 ) 波状流( w a v yi e t ) ：波状流的液柱表面不规则，透明度下降，这种分裂称 为一次分裂( p r i m a r yd i s i n t e g r a t i o n ) 。 ( 4 ) 喷雾流( s p r a yi e t ) ：它是在一次喷雾的基础上，由于喷射空间介质( 空气) 的作用，使波状流变为雾化效果更好的一种喷雾。 o h n e s o r g e 提出了圆射流碎裂与雷诺数r e 有关的三种模式【2 5 1 ： 1 ) 在低雷诺数下，圆射流碎裂成几乎同样大小的球形液滴。 2 ) 在中雷诺数下，圆射流的振动随空气阻力的增大而增大，直到振动使圆射 第二章液体喷雾理论 9 流完全碎裂，所产生的液滴尺寸范围较大。 3 ) 在高雷诺数下，圆射流在喷嘴出口附近碎裂，雾化成大量的细小液滴。 2 3 圆射流稳定性曲线 许多研究人员都通过实验确定圆射流速率和分裂长度间的关系来表征圆射流 的行为。分裂长度的定义是从唼嘴出口处到圆射流产生大量可见液滴的轴向距离， 它反映了圆射流碎裂的快慢。 ( 1 ) 层流区。图2 1 是常用的长度一速度蓝线，它表明了分裂长度随射流速度 变化情况。a 点以下的曲线起始部分对应于滴流，a 点表示滴流转变为液柱的低 临界速度点，从a 点到b 点分裂长度l 随速度呈线性增长。这段曲线对应着表面 张力引起液柱分裂的过程。 ( 2 1 上临界点。稳定性曲线上的b 点是层流区和过渡区的转折点，也是圆射 流表面的对称波( v a r i c o s e ) 向非对称波的转化点。当前的研究表明这两种机理为 促进圆射流更快碎裂而共同作用，但哪个起主导作用还没有明确结果。 鲻 出 旃 求 射流速度 围2 - 1 圆射流稳定性曲线 f i g2 - 1 脚b i i 蚵c h i v eo f l i q u i ds h o o t ( 3 ) 湍流圆射流。湍流圆射流的速度较大，其碎裂取决于环境气体的空气动 力作用和湍流的径向速度分量。湍流圆射流的碎裂长度很短，甚至远远小于圆射 流的直径。当液体速度提高时，韦伯数增大，碎裂长度增加。 当喷孔直径极小，而湍流圆射流的速度又极大时，圆射流在喷嘴出口附近就 第一二章液体喷雾理论 l o 会被环境气体切应力撕裂成细小的液滴。此时圆射流的碎裂属于雾化区，在这种 情况下，圆射流的碎裂长度极小，并且随着圆射流速度的增加，碎裂长度会越来 越小。 ( 4 ) 比值l o d o 对l ( 分裂长度) 的影响 2 6 1 。h i r o y a s u 在对高速圆射流的碎裂 的研究中，用了几种不同长径比( 1 d d o ) 的喷孔，喷射速度不超过2 0 0 m s ，常态 大气压下射入空气。从实验测出的分裂长度值来看，喷孔长径比对分裂长度没有 明显影响趋势。但分裂长度随喷射速度的增加而增加；喷射速度为6 0 m s 时，分 裂长度获得最大值；继续增大喷射速度会使分裂长度减小。实际应用中人们最关 心的射流速度范围是大于5 0 m s ，值得注意的是当1 0 l o d o 2 0 时，把l o d o 减小 到4 或增大到5 0 都会使分裂长度增大( 见图2 - 2 ) 。把环境气压提高到3 m p a ( 3 0 a t m ) ，其他条件不变，喷孔长径比对分裂长度的影响还是很小，原因可能是 气动力对圆射流表面的影响远大于喷口处液流中产生的液体不稳定性。 倒 出 裂 隶 围2 _ 2 低压环境下喷孔长径比i o d o 和射流速度对分裂长度的影响 f i g2 - 2t h ee f f e c to f i o d oa n ds h o o tv e l o c i t yo ns p l i tl e n g t ha tl o wp r e s s u r e 仍然用柴油机喷嘴，以水作为被测试液体，环境气压3 m p a ，看喷孔长径比 和雷诺数对分裂长度的影响如何( 见图2 3 ) 。当雷诺数大于3 0 0 0 0 时，l 随r e 的增大而减小，直到l 达到最小值，当r e 超过5 0 0 0 0 后l 趋于稳定值。喷嘴孔 径比l o d o 远大于1 0 时，喷嘴入口处分离流产生的强烈扰动减小，内部流动速度 分布发展成全紊流。因此在喷雾区，l o d o = 5 0 的喷嘴的分裂长度比l o d o = 1 0 的喷嘴 的分裂长度长。但长径比较小时，流经喷嘴的扰动发展不充分，所以在喷雾流区 1 l o d o 4 范围内，分裂长度也随l o d o 的增加而增加。 ( 5 ) 环境气压的影响。环境气压升高使分裂长度减小，同时也使l o d o 对分裂 长度的影响变小。由图2 - 4 中的曲线可以看出环境压力为o 1 - 3 m p a ( 1 3 0 a t m ) 时对分裂长度影响极大。在该范围内，气压每增加3 0 倍，就使分裂长度增加3 第二章液体喷雾理论 倍。环境气压从3 m p a 增大到4 m p a 时对分裂长度影响不大。不管压力如何，分 裂长度总是开始随喷射速度增大，当喷射速度超过6 0 m s 后，分裂长度反而减小。 在层流区中和过渡流区中，环境压力的影响很小，但在紊流区其影响就大得多。 毯 业 碟 求 图2 - 3i 。d o 和雷诺数对分裂长度的影响 f i g2 - 3e f f e c to f o d oa n dr e n a u l to rs p l i tl e n g t h 图2 - 4 环境气压对分裂长度的影响 f i g z 一4e f f e c to fe n v i r o n m e n t a lp r e s s u r eo ns p l i tl e n g t h ( 6 ) 横向空气流的影响。当液柱暴露于横向运动的空气流中时，将底片置于 高速c 4 光之下，对液柱分裂进行拍摄测量。对照片分析可以看出分裂长度沿喷射 轴一定的距离，呈曲线形状。空气流速增加使气动不稳定作用对液柱表面影响加 强，从而加速液柱分裂。高速摄影照片表明低空气流速生成的液体扰动和高喷射 速度成正弦波使液柱分裂。 第二章液体喷雾理论 1 2 2 4 影响液体喷雾的主要因素 对任何一种确定的喷嘴而言，其喷雾特性取决于喷孔的尺寸和形状、喷射流 体和喷射环境的物理特性。影响喷雾特性的流体物性主要有流体的密度、粘度和 表面张力。 从理论上讲，喷孔内的流量与液体密度的平方根成正比。然而，在实际中很 难做到改变液体的密度而不改变液体的其它物理特性，而且大多数流体的密度相 差并不是很大。因此，可以认为密度对雾化的影响很小。现有的实验数据和结果 也证实了这一点。 表面张力在喷雾中非常重要。定义喷雾的一种方法是看液体表面积在喷雾前 后的变化量。在喷雾之前，液体的表面积就是喷孔内的表面积。喷雾后的表面积 则是所有液滴表面积的总和。它可以用来评价雾化的程度。表面张力正代表着抵 抗形成新表面的力。雾化所需的最小能量就等于表面张力乘以液体表面积的增量。 在实际应用中，大多采用无量纲数w e 来描述。水的表面张力为0 0 7 3 n m ，汽油 的表面张力约为0 0 2 7n m 。表面张力随着温度的上升而下降。 粘度在许多方面都是最重要的液体物性。尽管从绝对意义上讲，它对雾化的 影响并不比表面张力大，但粘度不但影响喷雾粒径的分布，而且影响喷射流量和 喷射模式。液体粘度增加，使雷诺数降低，阻碍液流不稳定性的发展，导致分裂 延迟，喷雾粒径增大。粘度对喷孔内的流念的影响则非常复杂，且在不同类型的 喷孔内有不同的作用。在锥形喷孔中，稍微增加粘度可以使流体流量增加。这是 通过增加液膜厚度从而增大有效流动区域而实现的。然而，在高粘度情况下，流 量随着粘度增加而降低。在旋压式喷嘴中，液体粘度增加会导致喷雾锥角减小。 如果粘度非常大，原本是锥形的喷雾甚至会变成大滴的液流。总的说来，液体粘 度增加使雾化质量变差。因为粘性损失增加了，能用于雾化的能量就减小了。液 体的粘度通常随温度的升高而降低。所以在燃油雾化中经常采用加热的办法来降 低粘度，改善雾化质量。 喷雾所处的环境条件如温度和压力有很大的区别。在液体燃料燃烧系统中尤 其明显。在柴油机中，会出现超高温超高压的情况；在涡轮机燃烧室中，燃油是 喷射到高速旋转的紊流气体中；在工业锅炉中，燃油也是喷射到高温火焰中。随 着环境( 外气) 密度的增加，液体的喷雾锥角明显减小直至达到一个最小值。外 气密度还要影响喷雾粒径的大小。如果外气压力保持在大气压之上，喷雾粒径也 会增大。 第二章液体喷雾理论 1 3 2 5 喷雾特性的评价指标 喷雾特性的评价指标分为三类，一类是关于喷雾粒径的的评价指标，包括平 均直径、分散度、平均偏差和标准偏差；二类是喷雾粒径的分布特性，主要用粒 径分布曲线来描述；第三类是喷雾的空间特性，包括喷雾的贯穿度，空间分布度、 喷射率和粒子的速度。 2 5 1 平均直径 液体喷雾所包含的粒子数目非常多，且大小差别很大。如大多数喷雾器产生 的喷雾粒子大小从几个毫米直至5 0 0 微米。因此有必要选择恰当的方法来表示粒 子的直径。其中最常用的有以下几种”1 ： 长度平均直径 一茗，岫 5 旷觚 ( 2 3 ) 其中，x 广一第i 个粒子的直径 n 广一粒径为x 。的粒子数 索特平均直径s m d ( s a u t e rm e a nd i a m e t e r ) y 矿盯 2 券i ( 2 - 4 ) 可以看出，索特平均直径实际上就是液滴体积总和与液滴表面积之比。它能 够比较真实地反映出液体雾化的程度，也是目前在液体喷雾领域内应用得最多的 粒径表示方法。由于它是由德国人j s a u t e r 最早提出来的，就把它命名为索特平 平均蒸发粒径m e d ( m e a ne v a p o r a t i o nd i a m e t e r ) 耻( 剖必 任， 平均蒸发粒径代表着喷雾粒子表面积的增量，与粒子的蒸发特性有密切的关 驴( 瓷 ( 2 6 ) 第二章液体喷雾理论 1 4 体积平均直径( 质量平均直径) 驴( 瓷 ( 2 7 ) 为了表达其他平均直径，m u g e l e 和e v a n s 提出了一个通式【4 5 i ： 卟丽s d p d n ：甓 ， 亡槲e d 8 等扣 卜叫 2 5 2 分散度、贯穿度和喷雾锥角 分散度可以定义为所有喷雾粒子体积之和与液体体积之比。分散度越大，说 明液体与周围空气混合得越好，液体的蒸发速率也就越高。这在发动机燃烧系统 中非常重要。柴油在汽缸中蒸发速率越大，燃油燃烧越完全，就越能有效地减少 碳烟的排放。 贯穿度是喷注的最大长度。它取决于喷注的动能和周围空气的阻力。液体在 喷孔出口处的初速度都比较大，随着雾化的发展和喷雾表面积的增大，喷注的动 能就逐渐转化为喷雾粒子与周围空气之间的摩擦能。最后喷雾粒子的运动轨迹就 由液滴重力决定。 喷雾锥角定义为从喷孔出口到距离喷口6 0 倍喷孔直径处的喷注边缘联线问 的最大夹角，一般直接根据喷雾的照片确定。 喷雾锥角和贯穿度都是衡量燃油喷射特性的重要指标。一般希望喷油器具有 较大的喷雾锥角和一定的贯穿度。喷雾锥角大，有利于燃油粒子更好地与空气混 合，形成均匀的可燃混合气；而贯穿度过大，燃油容易喷射到汽缸的壁面上，产 生积碳。 2 5 3 液滴尺寸分布 喷雾器喷出的喷雾粒子大小不均，把它看做是围绕平均直径任意分布的一段 频谱更为恰当。因此，喷雾粒径的分布是一个重要的参数。 ( 1 ) 液滴尺寸分布图解 a 柱状图 用柱状图表示的粒子分布令人一目了然。一个典型的粒径分布柱状图如图2 5 第二章液体喷雾理论 1 5 所示。图中每一个柱体代表粒径在x a x 2 到n x + a x 2 之间的粒子的数目。 b 概率分布曲线 如果) 【不断地减小，而喷雾采集的样本又 足够大，就形成一条光滑的曲线。即概率分布 曲线，如图2 6 所示。 c 累积分布曲线 将纵坐标变为喷雾粒径在某一个值以下的 粒子数目占总粒子数目的百分比，就得到累积 分白曲线，如图2 7 所示。 f 图2 - 6 概率分布曲线 f i g2 - 6p r o b a b i l i t yc u r v e 图2 _ 5 柱状图 f i g2 - 5h i s t o g r a m x 图2 - 7 累积体积分布曲线 f i g2 - 7a c c u m u l a t e dv o l u m ec u r v e ( 2 ) 理论分布函数 由于用图形表示粒子分布需要采集大样本，而且经常与实验结果不符，人们 试图用数学表达式来代替它。这样可以很好地与实验数据吻合，而且允许对测量 值进行外延处理，计算平均粒径及其它有关数据也比较容易，让我们能够由此比 较深入了解雾化的基本机理。 在缺乏粒度分布理论模型的情况下，人们根据概率论和经验公式构造了一系 列函数分布，如正态分布，正态对数分布，r o s i n - r a m m l e r 分布函数，修正 r o s i n r a m m l e r 分布函数等等。 a 正态分布 正态分布函数非常简单，它是建立在一个粒子尺寸的分布的任意性基础上的。 其分钿函数为： 删2 五d n3 南e x 吐一去g ) 2 j ( 2 - 9 ) 第二章液体喷雾理论 1 6 其中，s n 一标准偏差 累积曲线函数为： 刖= ( 去”净 其中，t ：x - - x j ” b 正态一对数分布 人们已经发现自然界有些粒子分布服从正态对数分布。 删了d n 面1e x 怯吣山秽 陆 其中，s g 在对数坐标图上与s n 的意义相同。 同理还可以把它描述为液滴表面积和体积的分布函数： 儿2 ) 2 志e x 击( 1 n 川n k 叫 其中，& 表面积平均直径 蚪面1e x 吐专k t n k 刈 亿 其中，k 体积平均直径 且有关系： 表面积：i n k = l n i s + 2 s ： ( 2 。1 4 ) 体积： l l l = l n 瓦+ 3 s ； ( 2 - 1 5 ) c r o s i n - r a m m l e r 分布函数 这是目前应用得最广泛的粒径分布函数，它是由p r o s i n 和e r a m m l e r 在 1 9 2 7 年至1 9 3 3 年之间研究微碳粉末时所得到的。 其累积曲线方程为： p = 等= 古r 咖= 卜唧( - k 9 ) ( 2 1 6 ) 其中，b 和b 是常数，p 表示粒子直径小于x 的粒子数占总粒子数的百分比。 这样，就可以用b 和d 这两个参数来描述喷雾的粒径分布