（动力机械及工程专业论文）高压共轨燃油喷射雾化特性数值模拟研究.pdf

中南大学硕士学位论文摘要 摘要 随着经济的快速发展，能源相对紧缺和环境污染正逐渐成为影响我国 经济发展和社会进步的重要制约因素之一。作为传统的能源消耗大户，车 用发动机的发展也必将面临着极其严峻的考验。提高燃油喷射压力是解决 目前发动机发展面临的相关问题的有效手段之一。采用高压喷射可以有效 地减小燃油粒径，对于发动机气液混合、组织燃烧有着重要影响，可以显 著地改善发动机的动力性、经济性和排放性。本文通过跟踪国内外柴油机 燃油喷射雾化特性的研究进展，对高压共轨燃油喷射雾化特性进行了研究。 本文的主要研究内容和结论如下： ( 1 ) 以f l u e n t 软件为平台，通过选择合适的模型、确定相关边界条 件建立了冷态条件下高压共轨燃油喷射雾化特性二维仿真模型。以喷射压 力为1 0 0 m p a 、气体背压为2 m p a 条件为基准工况，研究了喷雾贯穿距离和 喷雾锥角特性以及喷雾场中的粒径分布特性。与试验结果相对比，喷雾贯 穿距离和喷雾锥角的模拟计算平均相对误差分别为6 7 9 和9 2 5 ，表明本 文所建模型基本准确、可靠。 ( 2 ) 通过改变柴油机的喷射压力、气体背压和喷油器孔径三种影响参 数对柴油机高压燃油喷雾特性进行全面的研究。结果表明：1 )当喷射压 力越大时，喷雾贯穿距离越大、喷雾锥角越小。2 ) 当背压越大时，喷雾 贯穿距离越小、喷雾锥角越大。3 ) 当喷油器孔径越大时，喷雾贯穿距离 越大、喷雾锥角越小。4 ) 在某一种固定的喷射压力、气体背压和喷油器 孔径条件下，随着喷射时间的增加，单位时间内，喷雾贯穿距离的增加值 逐渐减小，喷雾锥角的增加值同样减小。 ( 3 ) 对喷雾场粒径分布特性进行了仿真研究。结果表明：在燃油喷射 过程中，粒子的粒径随喷射时间的增加而增大；在不同喷射压力条件下， 粒子的粒径随喷射压力的提高而降低；在不同气体背压条件下，粒子的粒 径随背压的提高而增大；在不同喷油器孔径条件下，粒子的粒径随孔径的 增大而增大。 关键词：柴油机，高压共轨，燃油喷射，喷雾特性，数值模拟 中南大学硕士学位论文 a bs t r a c t 五t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to fe c o n o m y , t h er e l a t i v ee n e r g ys h o r t a g ea n d e n v i r o n m e n tp o l l u t i o nh a v eb e e nb e c o m i n go n eo ft h em o s ti m p o r t a n tf a c t o r s l i m i t i n gt h ea d v a n c e m e n to fe c o n o m ya n ds o c i e t yo fc h i n a v e h i c l ee n g i n e ，a t r a d i t i o n a lh i g h - e n e r g yc o n s u m p t i o ni n d u s t r y , i sf a c i n go ns i g n i f i c a n t l ys e r i o u s c h a l l e n g e i n c r e a s i n gt h ef u e li n je c t i o np r e s s u r ei so n eo ft h em o s te f f e c t i v e w a y st os o l v et h ep r o b l e m st h a tv e h i c l ee n g i n ei n d u s t r yi sf a c i n g h i g hp r e s s u r e i n j e c t i o nh e l p st or e d u c et h ef u e lp a r t i c l es i z ee f f e c t i v e l y , a l s oi m p r o v et h e g a s l i q u i dm i x i n ga n dt h ec o m b u s t i o no r g a n i z a t i o ni nt h ee n g i n e ，b yw h i c ht h e ， a n do ft h ee n g i n em a yb ei m p r o v e de v i d e n t l y b a s e do n r e v i e w i n gt h ep r e v i o u s r e l e a t e ds t u d i e s ，t h ef u e l i n je c t i o ns p r a y c h a r a c t e r i s t i c sf o r h i g hp r e s s u r e c o m m o nr a i ls y s t e r mi nd e s i e le n g i n eh a v eb e e nr e s e a r c h e di nt h i sd i s s e r t a t i o n t h em a i nc o n t e n ta n dc o n c l u s i o n so ft h i sd i s s e r t a t i o na r ea sf o l l o w s ： ( 1 ) a2 一ds i m u l a t i o nm o d e lf o rs i m u l a t i n gh i g hp r e s s u r ec o m m o nr a i lf u e l i n je c t i o ns p r a yc h a r a c t e r i s t i c su n d e rc o l dc o n d i t i o nw a se s t a b l i s h e du s i n g f l u e n tc o d e b ys e l e c t i n g t h e a p p r o p r i a t e m o d e la n d d e t e r m i n i n g t h e b o u n d a r yc o n d i t i o n s d e s i g n a t i n gt h ei n je c t i o np r e s s u r e 10 0 m p aa n da i r p r e s s u r e a si nt h e c y l i n d e r2 m p aa s t h eb a s i c c o n d i t i o n ，t h es p r a y p e n e t r a t i o n ，s p r a yc o n ea n g l ea n dp a r t i c a ls i z ed i s t r i b u t i o ni nt h es p r a yf i l e dw a s r e s e a r c h e d c o m p a r e dw i t h t e s t e d r e s u l t s ，t h ea v e r a g er e l a t i v ee r r o ro f s i m u l a t i o nf o rs p r a yp e n e t r a t i o na n dc o n ea n g l ea r e6 7 9 a n d9 2 5 t h i s d e m o n s t r a t e st h ep r e s e n tm o d e li sr e l i a b l e ( 2 ) t h ee f f e c to fi n je c t i o np r e s s u r e ，g a sp r e s s u r ei nt h ec y l i n d e ra n d i n j e c t o ri n n e rd i a m e t e ro nf u e li n j e c t i o ns p r a yc h a r a c t e r i s t i c sf o rh i g hp r e s s u r e c o m m o nr a i lw e r er e s e a r c h e di nd e t a i l r e l a t e dr e s u l t si n c l u d e s ：1 ) a st h e i n c r e a s eo fi n j e c t i o np r e s s u r e ，t h es p r a yp e n e t r a t i o ni n c r e a s e sa n dt h es p r a yc o n e a n g l ed e c r e a s e s 2 ) a st h ei n c r e a s eo fg a sp r e s s u r ei nt h ec y l i n d e r , t h es p r a y p e n e t r a t i o nd e c r e a s e sa n dt h es p r a yc o n ea n g l ei n c r e a s e s 3 ) a st h ei n c r e a s eo f i n je c t o ri n n e rd i a m e t e r , t h es p r a yp e n e t r a t i o ni n c r e a s e sa n dt h es p r a yc o n ea n g l e d e c r e a s e s 4 ) f o rac e r t a i ni n j e c t i o np r e s s u r e ，g a sp r e s s u r ea n di n j e c t o ri n n e r d i a m e t e r ，a st h ei n c r e a s eo fi n j e c t i o nt i m e ，t h ei n c r e a s i n gr a t eo fs p r a y p e n e t r a t i o na n ds p r a yc o n ea n g l eg r a d u a l l yd e c r e a s e d 1 i 中南大学硕士学位论文 一a b s t r a c t ( 3 ) t h ec h a r a c t e r i s t i c so fp a r t i c l es i z ed i s t r i b u t i o ni n t h es p r a yf i l e dw a s r e s e a r c h e d r e s u l t ss h o wt h a tt h ep a r t i c l es i z ei n c r e a s e sw i t ht h ei n c r e a s i n go f i n j e c t i o nt i m e ，g a sp r e s s u r ea n di n j e c t o ri n n e rd i a m e t e r ；a n dd e c r e a s e sw i t ht h e i n c r e a s i n go fi n je c t i o np r e s s u r e k e yw o r d s ：d i e s e le n g i n e ，h i g hp r e s s u r e c o m m o nr a i l ，f u e li n j e c t i o n ，s p r a y c h a r a c t e r i s t i c s ，n u m e r i c a ls i m u l a t i o n i i i 中南大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 柴油机发展现状 第一章绪论弟一早瑁 下匕 内燃机是指燃料在机器内部燃烧释放能量做功的一种机器【l 】，内燃机是目前燃烧热 效率最高的机器，广泛应用于农业、工业、交通运输业和国防建设事业，对国民经济的 发展和国防建设做出了巨大贡献。 根据使用的燃料的不同，内燃机可以分为柴油机和汽油机两大类。相较汽油机而言， 柴油机的压缩比大，燃烧气体膨胀充分，燃料燃烧所发出的热能较多地转化成了机械功， 因而热效率更高。同排量的柴油机与汽油机相比，可以节油1 5 0 o 3 0 2 】；此外，柴油 机的环保性也更加突出，其排出的二氧化碳气体相比汽油发动机要低3 5 左右，因而逐 渐成为车用发动机发展的主流。根据国外有关机构预测，2 0 0 1 年至2 0 1 4 年的1 5 年间， 全球汽车市场总规模将增长3 9 ，其中汽油车增长2 3 ，柴油车增长7 7 1 3 1 。在美国、 日本及欧洲所有的重型汽车都已采用柴油机作为动力。在欧洲，9 0 的商用车及3 3 的 轿车为柴油车。在美国，9 0 的商用车为柴油车。在日本，3 8 的商用车为柴油车，9 2 的轿车为柴油车。在我国柴油车产量已超过汽车总产量的3 5 ，有数据显示，到2 0 1 0 年市场对柴油机的需求量将达到5 2 7 7 6 4 万台 3 1 。全球车辆动力的柴油机化趋势已经 形成。 1 2 柴油机发展面临的问题与解决办法 1 2 1 能源紧缺 以石油为代表的化石类资源属于非再生能源，它不仅是内燃机的燃料而且是多种化 工产品的原材料，随着全世界内燃机保有量的增加及石油化工业的发展，石油面临着日 益短缺的严峻问题。 我国目前已探明的石油储量为世界总储量的1 5 左右，人均值不到世界平均值的 1 1 0 。1 9 9 3 年开始，我国已经从石油净出口国转变成为石油净进口国，据统计 4 1 ，2 0 0 3 年中国进口9 1 0 0 万吨原油，2 0 0 4 年中国累计进口原油超过1 2 亿吨，2 0 0 8 年，中国石 油净进1 ：3 量2 0 1 亿吨【5 j ，预计到2 0 2 0 年，中国石油消费量预计要达到4 5 亿吨左右， 届时我国对石油进i ：3 依存度将达到6 6 t 引，石油供应安全面临严峻挑战。 近1 0 年来我国汽车行业发展迅猛。2 0 0 0 年我国汽车保有量已超过1 5 0 0 万辆，并且 保持着平均每年1 0 的速度增加，预计2 0 1 0 年汽车保有量有可能n 5 0 0 0 万辆，图1 1 ( a ) 和( b ) 所示为我国近十年来汽车产量及增长率变化。目前我国已经是世界第三大汽车 中南大学硕士学位论文第一章绪论 1 1 4 2 0 0 0 0 1 0 0 0圈 隧j 溺 委1 8 暮o o 圈圈圈阂圈囹阂网圈阑 翟6 0 0 一 囫蒯圈阂圈 2 0 0 圈 圈圈圈圈圈圈图圈阂 4 0 壁3 0 磐 回删2 0 定 1 0 0 2 0 0 02 0 0 12 0 0 22 0 0 32 0 0 42 0 0 52 0 0 62 0 0 7 2 0 0 82 0 0 9 年份 ( ” 图1 - 1 我国近十年来汽车产量和增长率 1 2 2 大气污染与排放法规 随着经济的发展和人们生活水平的提高，环境污染问题越来越受到政府及普通民众 的重视。城市中汽车尾气的排放是造成空气污染的主要原因之一，汽车排放的氮氧化物、 一氧化碳、不稳定有机化合物在阳光中的紫外线作用下发生复杂的光化学反应，产生以 臭氧为主的多种二次污染物，称为”光化学烟雾”，产生雾状的感官错觉。我国大城市的 空气污染状况也很严重，据国家环保部有关统计表b 凋 9 1 ：2 0 0 8 年底，机动车污染已经成 2 中南大学硕士学位论文第一章绪论 为大中城市空气污染的主要来源。北京等大型城市，机动车c o 、n o x 、h c 的排放分担 率分别为8 8 、5 1 和4 9 ，污染物浓度分担率更是高达9 2 、6 4 和5 1 ，可以说机动 车的污染已经成为一个越来越严重的社会问题。 面对日益严峻的环境污染现状，世界上各个国家都制订了相关的排放法规，以限制 机动车的排放。目前世界上普遍采用的排放方法规主要有美国、日本和欧洲三大系。欧 洲标准是由欧洲经济委员会( e c e ) 的排放法规和欧盟( e u ) 的排放指令共同加以实 现的。排放法规由e c e 参与国自愿认可，排放指令是e c e 或e u 参与国强制实施的1 1 0 l ， 排放标准一般每四年更新一次。自1 9 9 2 年施行欧i 以来至1 j 2 0 0 9 年9 月已实施到欧v 标准。 表1 1 为柴油轿车欧洲排放标准的具体要求i l 。因欧洲标准测试要求比较宽泛，所以得 到了多数国家的采用，我国实行的同样是欧洲排放法规。 表1 - 1 柴油轿车欧洲排放标准 面对能源危机和环保压力，组织均匀混合气是降低n o x 和碳烟排放的根本方法，而 提高喷油压力是形成均匀混合气的主要技术手段之一【1 2 j 。研究表明：采用高压喷射可 以降低液滴直径，由于液滴的表面积与直径的变化呈反比关系。故燃料破碎雾化后表面 积大大增加，从而提高燃烧时的放热率，加快燃烧速度，使燃料尽可能地充分燃烧，提 高燃油的经济性以及降低排放等。高压喷射从本质上来说主要是改善燃油的雾化特性， 进而影响燃烧质量，所以，近些年来关于柴油机的高压喷射雾化特性的研究成为了焦点。 1 3 柴油机高压喷射雾化的研究内容 柴油机高压燃油喷射雾化特性主要是指柴油射流喷入缸内后，在气缸内受到流场影 响所表现出来的行为特征，主要是指射流雾化、蒸发、破碎和碰壁等。具体来说，研究 的内容主要为在不同的影响因素下，比如喷射压力、缸内气体压力、缸内温度、喷油器 参数以及燃油多次喷射间隔等，燃油的粒径分布、贯穿距离、喷雾锥角蒸发速率、撞壁 破碎等。发动机燃油雾化的质量直接影响发动机的点火燃烧和排放，对发动机的动力性、 经济性和排放特性起着决定性作用。多年来，国内外众多专家学者从理论和试验以及数 3 中南大学硕士学位论文第一章绪论 值计算等方面对该领域进行了大量的研究，取得了丰硕的成果。主要有：提出了基于流 动、传热、传质理论的相关雾化理论；通过大量实验总结出相关经验公式以及后随着计 算机技术的发展而兴起的数值计算方法和相关模型的提出与改进。 1 4 本文的研究意义 如前文所述，柴油机燃油雾化特性的研究具有重要意义。燃油雾化的程度，比如贯 穿距离和粒径分布对柴油机燃烧室设计及其性能有着决定性的影响。贯穿距离影响到燃 烧室的设计和形状，当贯穿不足时，缸内气液混合不均，当燃烧时会导致缸内温度场不 均匀，降低柴油机效率及寿命：当贯穿过度时又会导致部分燃油粘附在缸壁上，从而造 成柴油机经济性下降并使排放恶化。锥角特性同样影响着柴油机性能，当锥角较大时， 燃油与空气的作用更加强烈，动量和能量交换剧烈，油气混合比较充分，有利于提高柴 油机燃烧效率，但过大的喷雾锥角会导致油束过早与缸壁相碰撞，造成部分燃油不易燃 烧，导致柴油机动力性下降、油耗增加。燃油雾化成细小液滴的粒径分布同样影响着燃 烧过程的质量，与柴油机的动力性、经济性和排放特性密切相关。 从目前公开发表的科技论文来看，关于柴油机燃油雾化特性的研究主要是在中低压 ( 2 0 m p a 以下) 喷射的前提下开展的，而目前柴油机的喷射压力已经达到2 0 0 m p a 以上。 从目前公开发表的科技文献来看，研究高压喷射对燃油雾化和可燃混合气形成的影响尚 鲜见报导。 弄清楚高压喷雾的雾化特性，可以为降低排放及以后建立超高压喷雾模型提供有力 的实验依据。但由于燃油喷雾在缸内是一个瞬态的气液两相流，拥有极其复杂的理化变 化特征，而且通过试验总结出的经验公式，因测量方法和试验条件的不同具有相当大的 误差，而且如果想要获得不同条件下的雾化特性相关数据就需要进行大量的试验对比， 从而增加了研究工作量和人、财、物的开支，况且部分研究工况采用试验手段是无法实 现的。纯粹的数值计算方法虽然可以在一定程度上模拟出燃油雾化特性，但就其模型而 言也是作了相当多的简化和假设。因此，采用c f d 仿真技术结合先进的试验分析手段对 高压燃油喷射雾化特性进行研究，具有重要的经济意义和工程价值。 本文利用流体力学仿真软件f l u e n t 对高压共轨燃油喷射雾化进行仿真建模，结 合g s l 0 0 0 高压共轨试验系统，来获得喷射压力可控的高压燃油，通过改变不同的背景 压力，采用高速摄影方法对高压燃油喷射雾化特性进行分析研究，对不同的燃油喷射压 力和背景压力以及喷射时间下的燃油雾化特性进行预测，对不同影响因素下的高压喷射 雾化机理和规律进行深入探索，可为柴油机高压共轨燃油系统的设计提供可参考依据， 同时为柴油机排放达标进行一定的知识储备。 4 中南大学硕士学位论文第一章绪论 1 5 本文的主要研究内容 鉴于目前关于高压燃油喷射雾化特性研究的现状，本文采用数值模拟与试验分析相 结合的方法对其进行研究，目的是为了获得在1 0 0 m p a 以上喷射压力下燃油雾化的一些 基本规律。本文研究的主要内容包括： ( 1 ) 研究分析柴油机高压共轨燃油雾化机理，以定容室为对象，利用f l u e n t 软 件，建立高压燃油喷射雾化二维模型。 ( 2 ) 通过搭建高压共轨喷雾试验台，研究高压环境下的柴油喷雾特性，检验仿真 模型的准确性和可靠性。 ( 3 ) 对不同条件下的高压喷射雾化特性进行仿真研究，通过改变喷射压力、气缸 气体背压、喷油器孔径三种参数获得了不同条件下的雾化锥角、喷雾贯穿距、速度场等 宏观特性和喷雾场粒子粒径的空间分布特性，为柴油机在不同工作状况下的喷雾优化提 供理论依据。 为此，本文的后续几章内容为： 第二章：文献评述。介绍并讨论国内外在柴油机燃油喷射雾化特性领域的研究现状 与进展，提出本文的研究对象与方法。 第三章：高压喷雾特性数值计算模型。根据研究对象的特点，分析、选择合适的数 学模型。 第四章：定容室高压喷雾特性模拟结果及模型检验。根据所建立的物理模型，确定 边界条件，计算燃油喷雾的速度场和空间粒子分布场，模拟计算并分析了喷雾贯穿距离、 喷雾锥角以及粒径分布特性。通过搭建高压共轨喷雾试验台获得不同工况下的喷雾图 像，利用图像分析技术获得不同工况下的喷雾贯穿距离和喷雾锥角，并验证所建立仿真 模型的准确性和可靠性。 第五章：单一参数对柴油喷雾特性的影响研究。通过改变柴油的喷射压力、气体背 压和喷油器孔径三个参数，模拟计算了柴油在不同条件下的喷射雾化特性；分析、总结 出喷雾贯穿距离和喷雾锥角的变化规律以及柴油粒径分布规律。 第六章：全文总结。将总结本文的主要内容和取得的研究成果，总结创新点，并提 出今后工作的建议。 中南大学硕士学位论文第二章文献评述 第二章文献评述 前文所述，发动机的经济性、动力性及排放特性与燃油的雾化质量有着重要的关系， 因而研究燃油喷射雾化机理及其喷雾特性的影响因素和变化规律，从而合理组织燃烧对 于提高发动机的性能是至关重要的。 柴油机喷雾混合过程是一个瞬变、多参数、多相耦合的复杂过程，包括燃油的喷射、 雾化、液滴的破碎、聚合、扩散、蒸发等，涉及到传热、传质等物理化学过程。在这一 领域，国内外大量的研究人员从不同角度、采用不同方法进行了研究，取得了大量的成 果，同时也存在很多未知的研究领域需要后来的研究人员继续进行深入的研究。本章通 过查阅大量国内外文献，对发动机燃油喷射雾化特性的理论和实验研究现状以及喷雾场 c f d ( c o m p u t a t i o n a lf l u i dd y n a m i c ) 数值模拟的进展进行评述。 2 1 喷雾场的研究 2 1 1 喷雾结构的研究 燃油喷雾是高压燃油喷入燃烧室后，形成的一个由连续液体、离散液滴、燃油蒸气 和空气组成的两相混合物场。对于喷雾特性的研究，目前多以单孔喷射雾化为对象，进 行直观的、直接的观察研究。其中研究圆柱形单孔油嘴形成的喷雾场，是迄今为止学术 界和工程界研究得最多的情况【1 3 】。典型的研究是o r o u r k e ，p j ，b r a c c o ，f v 【1 4 】于1 9 8 0 做 出的，他们据喷雾场中各区域的气液耦合情况及相互作用关系，将喷雾场按其离喷嘴的 距离由近到远依次划分为液核区、翻腾流区、稠密区、稀薄区和极稀薄区五个区域，如 图2 1 所示。 稀薄区极稀薄区 图2 - 1 喷雾场结构图 翟 一写 | 喷雾锥角 | ， _ _ 中南大学硕士学位论文第二章文献评述 ( 1 ) 液核区。过去很长一段时间，人们曾认为燃油一经射出喷嘴，就立即雾化，形 成无数细微液滴，然而通过大量试验研究表明：燃油从喷嘴射出后并非瞬间完成雾化， 而是存在一个连续液体核心区，核心的长度与喷嘴的特征尺寸成正比关系，称为分裂长 度。 ( 2 ) 翻腾流区。在液核区的附近，液体开始分裂。由于在两相混合物中，液体所占 的体积比例相对较大，燃油不易雾化破碎成液滴，而是以薄片、纤丝的形式存在。翻腾 流也称为一次雾化或一次破碎，其特征的研究对于揭示雾化机理有重要意义。 ( 3 ) 稠密区。在翻腾流的外围便是液滴稠密区。在该区内有大量的燃油雾化成细小 的液滴，与之后的稀薄区相比，液滴间的距离要小很多，因而需要考虑液滴间的相互作 用，主要是碰撞和准碰撞。碰撞是指液滴之间发生碰撞作用，直接导致液滴变形、破碎 或者聚合，对喷雾场粒径分布产生重要影响；而准碰撞是指液滴之间不发生直接接触， 质量不变但动量会发生变化。由于液滴密集，相互之间发生碰撞、聚合以及破碎的机理 相当复杂，质量、动量和能量交换频繁，所以在稠密区，喷雾场的物理和数学描述非常 复杂，需要考虑颗粒群作用，借助数理统计的方法来描述。 ( 4 ) 稀薄区。在稀薄区内，液滴在空气的作用下雾化扩散，液滴之间的距离远大于 其直径，气液之间藕合作用占主导地位，液滴之间的相互作用主要是通过气体和液滴之 间的藕合作用来体现。 ( 5 ) 极稀薄区。该区域在喷雾场的最前端，由于液滴在空间上的蒸发分散，液滴粒 径很小，气液间的相对速度接近于零，可以忽略液滴之间的相互作用，如碰撞、破碎等， 但气液之间还具有较强的藕合作用，液滴的湍流扩散和蒸发作用不可忽略。 2 1 2 喷雾场研究的对象及方法 对于如图2 1 的典型喷雾场，喷雾特性的具体参数除了影响发动机性能外，还对发 动机燃烧系统的设计产生重要影响。从发动机燃烧性能上说，目前人们关心喷雾场的喷 射速度、分裂长度、燃油与气体的耦合作用以及粒径分布等微观特性参数【1 5 】，从燃烧 室设计上来说，燃油喷射贯穿距离、喷雾锥角、喷雾撞壁等宏观特性参数，也是重要的 研究对象。从文献资料来看，目前对于喷雾场的研究主要集中在这些方面。 喷雾研究的方法可分为两类：一是以试验研究为基础，利用先进的测试仪器，将可 视化研究技术和计算机图像处理技术结合起来，对喷雾进行全面的研究；二是基于流体 力学理论、工程热力学理论等，利用计算机数值计算技术对喷雾场进行仿真研究。早期 的研究基本上是基于试验观察和理论推导来进行的，但是研究的范围以及结果的精准度 都不够理想，而且需要投入大量的财力物力，试验周期较长。近l o 年，随着计算机数 值计算技术的发展和应用，大量的数值计算模型的建立为喷雾场的研究提供了强有力的 支持。目前采用试验研究并结合计算机仿真研究逐渐成为喷雾场研究的主流方法。 7 中南大学硕士学位论文 第二章文献评述 2 1 3喷雾场试验测试技术的发展 燃油喷射雾化是一个复杂的过程，液滴具有尺寸小、范围大、数量多等特点，且随 时间和空间不断变化。早期由于技术上的相对落后和计算机水平的低下，早期对于喷雾 场的研究主要集中在试验观察的基础上，即在模拟装置中测试研究喷雾的锥角、贯穿距 离以及喷雾速度等，将测试结果结合具体的数学物理定律拟合相关经验公式，但测试结 果与实际情况误差很大。随着测试技术的进步和计算机诊断水平的发展，现代测试技术 的引入大大提高了测试的精度，也使得对喷雾场的研究更加科学。喷雾场测试方法大致 可以分为接触法和非接触法两类【16 】： ( 1 ) 接触法 接触法测试技术作为早期的研究方法，为喷雾场的测试研究做出了巨大贡献。代表 性方法主要有液浸法、痕迹法和冷冻法等。液浸法是指采用两种密度接近且互不相溶的 液体，一种作为捕集液，另一种作为喷射液体。把喷射液体喷射到捕集液中，喷雾颗粒 悬浮或者沉淀在捕集液中，并保持原有形状，这样就可以进行观察统计粒子数以及粒径 大小等参数。痕迹法主要是利用在玻璃上涂一层薄的氧化镁粉，粒子撞击后留下痕迹， 然后对此进行测试计算。冷冻法是将喷雾喷到用液氨冷凝的环境中使之冷却成冰粒，冰 粒沉积在照相底片上，在进行人工拍摄成照片进行相关研究。 可以看出，早期的测试手段相当落后，测试精度得不到保证，很多对喷雾场产生影 响的因素都没有办法避免或者考虑，而非接触法的出现在最大限度上解决了这些问题。 ( 2 ) t 1 三接触法 非接触法的出现是随着激光、微电子技术的发展而兴起的。非接触法可以精确测试 喷雾场特性参数以及喷雾流动、破碎、撞壁等过程，丰富了测试手段，并提高了喷雾场 的测试精度。非接触法主要包括高速摄影技术、激光多普勒技术( l a s e rd o p p l e r v e l o c i m e t e r 简称为l d v ) 、p i v 全息技术( p a r t i c a li m a g ev e l o c i m e t r y ) 和激光全息测试 技术等。 高速摄影技术 利用高速摄影仪，通过调整曝光频率可以采集到完整的喷雾场，目前高速摄影技术 的摄影连续拍摄频率最高可以达到2 万桢秒，对柴油机高压喷射来说，一次喷射时间 大概为1 0 m s 到2 0 m s 左右，通过高速摄影技术可以在短时间内采集到整个喷雾发展的 过程，结合相关的软件开发便可以精确的获得喷雾特性参数，如贯穿距离和喷雾锥角以 及喷雾速度等。唯一的不足是对于拍摄的喷雾场无法进行粒径分布的分析，只能够得到 颗粒浓度场。目前，高速摄影技术在内燃机喷雾场中得到了广泛的应用【1 7 1 。 激光多普勒技术 激光多普勒测试是测量流场速度的有力工具。利用粒子散射光的频率差和粒子速度 之间的关系计算粒子随喷射时间的速度变化。激光多普勒测试技术测量时，具有很高的 8 中南大学硕士学位论文第二章文献评述 时间和空间分辨率【l 引，测量速度而非速度函数。其缺点是需要在空间逐点测量流场的 速度分布和粒度分布，不能在瞬间对整个流场进测量。多普勒技术无法测量喷雾中心区 存在未雾化的喷注核心区。 典型的研究有：h e b r a r dh 、t r i c h e t pm s o l t a n ir 以及g h o r b a n i a nk0 9 2 0 等人利用 该技术研究了喷嘴出口处的轴向、径向速度和s m d 分布等，上海交通大学的刘建江【2 1 】 利用激光多普勒技术研究了二甲基醚( 简称d m e ) 、溶气燃油( 简称f c d g ) 和常规燃 油的喷射雾化理论及其雾化特性，获得了不同条件下的速度场分布和粒径分布，丰富了 d m e 和f c d g 雾化特性研究领域的研究。 粒子图像测速技术( p i v ) p i v 从本质上说是一种图像分析技术，可以瞬间冻结流场，获得二维速度分布，对 微小区域的液滴图像进行分析，可以获得液滴直径的大小和浓度场的分布等。该技术利 用喷射液滴对入射光产生的m i e 氏散射原理，利用照相机对喷雾场进行瞬间拍照。 典型的成果有：r e u s s t 2 2 等人于1 9 8 9 年首先将p i v 技术应用于内燃机缸内流速和大 标量涡流的测量，b e e c kma 1 2 3 1 ，b i a n c h igm 【2 4 】等同样利用该技术对内燃机的燃油雾化 进行了研究。 p i v 技术是燃油喷雾研究手段的一个重大进步，其最大的贡献是突破了空间单点测 量的局限性，它可在同一时刻记录下整个流场的有关信息，并且可分别给出平均速度、 脉动速度和应变率。 激光全息技术 激光全息技术是一种干涉技术，可以把全息图看作是极复杂的干涉图样的照片。在 全息照片曝光时，利用适当的光学元件把受照物体散射的复光振幅叠加在相干的参考波 上，两束光所产生的干涉现象的照相记录称为全息图。1 9 4 8 年，英国科学家d g a b o r 发 明了全息术，经过6 0 多年的发展，激光全息技术的实际应用范围越来越广，已从工程技 术领域扩展到了医学、艺术、装饰、交叉和边缘学科等领域【2 5 2 6 1 。目前已研制出粒子场 图像处理系统，在喷雾场燃油瞬态变化中得n t 广泛的应用【2 7 1 。在测试中不会对喷雾 场造成破坏，结果精确度较高。 2 2 国内外燃油雾化特性研究现状 目前对发动机燃油喷射雾化的研究，凭借先进的研究手段，国外在该领域的研究开 展较早，提出了大量理论和计算模型；国内研究相对较晚，主要是通过仿真计算和试验 结合的手段加以研究，也取得了一定的成绩。 2 2 1 国外燃油雾化特性研究现状 雾化过程可以分为射流破碎过程( 即一次雾化) 和大液滴破碎后继续分裂成细小的 9 中南大学硕士学位论文第二章文献评述 液滴( 即二次雾化) 两个过程，雾化混合过程的质量好坏完全取决于这两个过程。 关于燃油喷射雾化的机理研究，学者们提出了大量的理论，目前应用比较广泛的有 射流不稳定理论、湍流扰动理论、边界条件突变理论等【2 引。 早在1 8 7 8 年，r a y l e i g h 回9 1 就提出了射流不稳定性理论，该理论认为非粘性液体射流 自由表面上出现小扰动时，若扰动振幅增大到接近液体射流直径的4 5 1 倍时，则射流就 变得不稳定而破碎成液滴。r a y l e i g h 理论的特征方程如下： 兰：4 5 1( 2 1 ) d 式中，兄为扰动波长，m ；d 为射流破碎的起始直径，m 。 当三 4 5 1 时，射流开始破碎。 d r a y l e i g h 理论基于理想流体在低速下射流破碎过程，只考虑表面张力对射流破碎的 影响而没有考虑周围空气的作用，因而对于低粘度、流速很低的液体接近其预测，但对 于高粘度液体，其预测值明显偏大。可以看出r a y l e i g h 的研究结果具有一定的局限性， 但它为后来者的继续深入研究奠定了基础。 为了解决r a y l e i g h 理论对高粘度流体的射流破碎预测的缺陷，w e b e r 21 】于1 9 3 1 年在 r a y l e i g h 的基础上，结合液体的粘性、表面张力以及密度等参数修i t t r a y l e i g h 公式： ，、v 2 兰：同1 + ! 丝= l ( 2 2 ) d (、p t c r t d ) 式中，、岛、q 分别为液体的粘度n s m 2 、密度k g m 3 和表面张力n m ：五、d 同式( 2 1 ) 。 w e b e r j 人为气体动力是促使液体破碎的主要因素，破碎后液滴尺寸的大小取决于气 动力与液体表面张力的比值，即韦伯数w e ，r a y l e i 曲w e b e r 破碎机理常用于其他形式 雾化的二次过程，在近些年的数值计算理论中得到了广泛的应用。 1 9 3 2 年，c a s t l e m a n 【3 0 】提出了空气动力干扰学说，他认为：射流表面由于气动力的 干扰会产生不稳定波动，且随射流速度增加，不稳定波长越短，于是散布成雾状。1 9 3 6 年，o h n w s o r g e 3 0 1 在c a s t l e m a l l 的基础上得到了液束稳定性与r a y l e i 曲数的关系，研究得 出在没有空气影响下，射流破碎后液滴尺寸主要取决于喷口直径、密度、表面张力和粘 性力，可用准则数w e 来描述。当r e 较小时，雾化主要是由液柱表面出现的振动产生的； 当r e 很大时，液柱迅速分散，直接在雾化喷嘴的边缘上雾化。 文献 3 1 3 3 在前人的基础上继续深入研究，得到了不同介质密度下液体雾化特性， 并建立了相应的数学模型，解释了气动力雾化机理。 1 9 9 2 年，y a n g 3 4 】指出：前人的研究都只是考虑了轴对称的扰动，没有考虑非轴对称 的扰动，通过研究y a n g 得到了如下结论：高速喷射条件下高阶模式的扰动波也可以表 现出不稳定性，并指出瑞利理论只有在喷射环境为真空时才成立，是其高阶不稳定理论 l o 中南大学硕士学位论文 第二章文献评述 的一个特例。 环境介质对液体射流雾化有着重要的影响，上述的研究中基本没有考虑或者做了大 量的简化，因而这些研究都具有其一定的局限性。 文献 3 5 、3 6 对流体射流雾化中温度对不稳定波的影响进行了研究，取得了大量有 价值的研究成果。 以上的研究基本上是基于线性理论，对n s 方程做了线性简化。在线性理论中， 质量守恒只在一阶表达式中成立，初始扰动为无穷小的假设，使其在数学上产生了液体 破碎时间为无限长的错误结论，所以它只能预测破碎的发生而不是整个破碎过程【3 7 1 。 因而结合非线性理论对射流破碎雾化进行研究就显得非常必要和重要。 2 0 世纪6 0 、7 0 年代，w a n g t 3 3 1 、l a f r a n c e 3 9 1 以及9 0 年代的g a r c i a t 4 0 】等人将非线性 理论成功地运用到射流破碎雾化理论中，建立了非线性破碎理论，使理论预测和试验结 果具有较高的吻合度，弥补了前人研究的不足，取得了重大的理论突破。 射流喷出后，通过气体和液体之间的藕合作用，液滴会分裂破碎成细小的小颗粒， 这个过程成为二次雾化。目前二次雾化的机理尚不清楚，各种关于液滴破碎机理的理论 都具有其优点和局限性。 r a n g e r 4 l 】的边界层剥离理论认为，在气液相对速度作用下液滴表面内形成的速度边 界层的剥离是液滴破碎的主要原因。但目前对于边界层内速度场分布并没有充分地加以 研究，因而该理论没有得到更进一步的发展。 以t a l y o r 4 2 】为代表的研究者认为，液滴变形是引起二次雾化的主要原因。他根据液 滴的振荡和变形与弹簧一质量系统之间的相似性而提出了t a b ( t a y l o ra n a l o g y b r e a k u p ) 类比理论。t a b 模型物理概念清晰，理论体系比较完整，在低w e 数下的低速 射流液滴破碎中得到了广泛的应用。 r e i t z l 4 3 j 的w a v e 破碎理论是基于对连续液柱的k h ( k e l v i n - - h e l m h o t l z ) 表面波不 稳定性分析得来，该模型根据不稳定波增长理论的色散方程导出表面波的最大生成速率 和相应的波长，然后对由一次分裂所形成的液滴或油团实施分裂形成二次破碎雾化。 w a v e 理论在高w e 数下适用性较好，因而在高速射流雾化中得到了广泛的应用。 湍流扰动理论认为，液体射流雾化过程发生在液体内部，喷嘴内作湍流运动的燃油 液体，其速度的径向分量在喷嘴出口处将立刻引起射流液体的横向扩散，从而使射流产 生雾化。文献【4 4 】也利用该理论对射流破碎与湍流的关系进行了研究。由于目前湍流理 论的不成熟，故该理论具有较多的不确定性，预测结果不够准确。 有学者1 4 5 】通过理论研究和部分试验观察，认为液体射流离开喷嘴出口，其流动边 界条件即发生突变引起了射流的雾化。该理论称为“边界条件假说理论 ，但是没有能 够定量地给出边界条件的变化对射流雾化的影响程度。 c a v a l i e r e t 4 6 1 等人利用激光散射技术拍摄了喷雾发展的整个过程，研究认为：在喷射 中南大学硕士学位论文 第二章文献评述 初期，由于油束较短，整个油束都分裂成碎片。随着喷雾的继续发展，油束长度增加， 但前部油束已经破碎。所以c a v a l i e r e 认为喷射雾化过程应该称为“碎裂雾化 更为合 适。 8 0 年代以后，计算机的发展以及大型商用软件的开发为柴油机燃油喷雾的研究提供 了便利。但此后的研究基本上是基于前人的理论加以改进、改善的，从根本上来说，在 理论和模型上并没有太大的突破。1 9 8 6 年，r e i t z 等7 】利用k a v a 模拟计算软件对喷雾场 的平均粒径分布进行了研究，得到了液滴的分裂和聚合是喷雾平均直径的决定性因素这 一结论。 当燃油从喷嘴喷出后，在液滴破碎过程中液滴之间会发生相互碰撞，从而导致大液 滴的破碎和小液滴的聚合，液滴的碰撞聚合会影响到燃油的雾化效果，对发动机的燃烧 具有重要意义。 o r o u r k edj 等【4 8 】基于t a b 模型对喷雾过程中液滴的破碎进行了研究，获得了低速 射流条件下较为准确的喷雾场，但对于高速射流计算结果不太理想。 o r m em e 【4 9 】对液滴碰撞的实验研究做了综述，将液滴碰撞分为反弹，聚合，反溅 分离和摩擦分离四种类型。 韩国学者g w o nh y u nk o 和h o n gs u nr y o u 5 0 】研究了粒子的碰撞过程，提出了一种新 的碰撞计算模型，通过模拟计算得到了碰撞后的颗粒尺寸和粒子速度等参数。 台湾学者k u o l o n gp a 5 1 】等对高速射流条件下的液滴碰撞进行了研究，比较分析得 到了高速条件下水和高粘性流体液滴的碰撞特性。 t a n n e r f x 等【5 2 】研究了无蒸发状态下柴油机的喷雾特性，取得了一系列的成果。 s h i j i ns h u a i a 等【5 3 】通过改进喷雾模型，研究了较低温度条件下柴油机缸内燃烧情况， 通过燃烧效率来评价模型改进后的优点，将雾化和燃烧结合起来进行研究，具有重要的 意义。 此外，文献 5 4 5 7 】中从不同的研究角度对液滴碰撞破碎过程进行了模拟计算，取得 了一定的研究进展。 前文所述基本上是关于喷雾机理的研究，有关学者运用相关原理对喷雾场进行了深 入细致的研究，针对不同的对象研究喷雾贯穿距、喷雾锥角以及粒径分布等喷雾特性。 喷雾贯穿距离等特性参数对柴油机的性能有着很重要的关系，决定了燃烧室形状的 设计，对油气混合、燃烧放热率以及柴油机排放等都有影响【5 8 1 。早在1 9 8 5 年，d a