柴油喷油嘴内残余气泡的形成以及对初始近场雾化影响研究

发布时间：2024-03-02 19:47

喷油嘴作为燃油喷射系统的执行元件,燃油雾化效果的好坏直接影响着柴油机的经济性以及排放性能。目前来说,已经有大量的试验和模拟研究结果表明,孔内空化现象对喷孔内部流动以及孔外射流雾化有重要影响。然而大部分研究都是集中于喷射稳定阶段,关于喷油嘴在喷油结束后喷孔内部流动特性研究鲜有报道。近年有试验发现,喷油嘴在喷油结束阶段发生外部空气倒流进入孔内情况,最后形成残余气泡。这些气泡在下次喷射过程中会发生挤压破裂,由此产生的冲击能量必然会导致喷孔内的流场的紊乱从而影响射流雾化。加上现在喷油技术的提升,短喷,多次喷射技术的遍及,更应该对喷油嘴的非稳定阶段进行研究。基于现有的试验条件基础,搭建了喷油器孔内流动可视化和孔外射流雾化试验装置,采用高速可控闪光摄影技术并结合长距离显微技术拍摄了喷油器透明喷嘴孔内流动及近场喷雾。试验结果表明喷油嘴在喷油结束阶段先出现空化随后发生空气倒流的现象。在针阀开启之前,喷油嘴内部存在残余气泡;在喷射初期阶段,柴油喷雾结构主要呈现两种差异很大形态:传统的“蘑菇”形态,前端带有细长“针型”液丝形态,且第一种形态出现概率远大于第二种。关于第二种形态其他研究者也有发现,但是鉴于试验条件限制很难直接获取第二种形态的形成过程。因此需要借助数值模拟手段来辅助分析。首先在Linux(Ubantu16.04)操作系统下,应用开源CFD程序包OpenFOAM,基于VOF法的思想,构建了针对喷嘴内部含空化的多相流(液-蒸汽-空气)模型,按照Open FOAM的编程思想,设计并编译了相应的求解器。首先,本文采用Winklhofer试验数据对该求解器进行数学模型的验证,对比试验与模拟结果发现所编写的求解器对于预测空化和喷嘴出口质量流量具有较高的准确性,为接下来数值模拟研究针阀关闭阶段空化现象提供基础。基于此求解器模拟喷油嘴停油之后孔内流场信息,结果表明喷嘴在喷油结束之后孔内优先发生空化,随后压力室发生空化,当外部压力传入内部时候,孔内蒸汽泡开始溃灭导致外部空气倒流,最终形成若干个残余气泡。考虑气泡的可压缩性,采用OpenFOAM自带的可压缩两相流求解器Compressible InterFoam模拟残余气泡对射流雾化的影响。研究发现:气泡位置对于射流雾化形态有显著影响,并发现当气泡圆心位置离孔口距离在0.43-0.51mm范围内都能形成“针型”液丝结构,形成原因是当处于这个范围内,前端燃油厚度合适,加上残余气泡的存在,导致后端的燃油先形成尖端在封闭的气泡中不断变长最终刺穿气泡形成细长液丝。在此基础上,进一步分析残余气泡直径以及个数对喷雾形态影响。结果表明,独特“针型”液丝结构不仅与气泡的位置有关也与气泡的直径有关,于是推断形成条件与无量纲数Z相关,经多组模拟结果确定当Z在0.1-0.35之间可以导致形成细长液丝,并且液丝长度与Z呈负相关。残余气泡对射流破碎有着明显的促进作用,残余气泡个数越多,射流破碎程度也就越高。
【学位授予单位】：南昌大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TK423
【图文】：

图1.1近喷孔区初次破碎和二次破碎原理示意图

第 1 章绪论及在出口位置的溃灭导致流场极不稳定，使得射流发生破碎和雾化。目前来油机喷油嘴的燃油雾化过程一般分为靠近喷嘴出口主要受燃油喷孔内流影近喷孔区初次雾化和离喷嘴出口远端的主要受空气动力扰动影响的二次雾两个过程，其原理如图 1.1 所示，并认为柴油近场喷雾的雾化效果直接影响的二次破碎和雾化过程。因此，研究燃油近场雾化过程对于优化和改善柴油燃烧效率以及减小排放物形成就有了很强的指导意义。

图1.2喷油初期阶段孔内流场信息分布

第 1 章绪论1.2 喷油嘴喷孔内流研究现状对于柴油机喷油嘴孔内研究，大多研究学者还是集中于稳定喷射阶段的空化现象研究，并认为空化现象的发生增加喷雾锥角，有利于燃油射流破碎进程。随着试验设备的空间分辨以及时间分辨精度提高，已经有一些研究学者发现，喷油嘴在连续喷射过程中，会出现孔外空气倒流流入孔内甚至进入压力室内，而这些倒流气体在喷嘴壁面以及表面张力的作用下形成多个气泡或者气柱。这与我们传统认为喷油结束之后孔内充满液体燃料不同，这也势必将会对下次燃油喷射初次雾化产生重大影响。国外研究方面，早在 1999 年，Badock[24]等人试验拍摄了透明喷嘴内部流场以及近场喷雾过程，如图 1.2 所示。试验发现在针阀开启之前，就有一些气泡存在于透明喷油嘴的压力室以及喷孔中。

图1.3喷油结束阶段实际喷嘴孔内流场分布

图 1.3 喷油结束阶段实际喷嘴孔内流场分布自美国 Argonne 国家实验室的 Battistoni[28]等人通过试验以及证了在针阀关闭之后，喷嘴出现气体倒流现象。究中，南昌大学姜光军[29]等人采用亚克力材料实现喷油过程在喷油结束阶段，外部空气倒流进入喷孔形成残余气泡，并且力对于倒流气体影响较大，孔径增加以及表面张力减小都会量增加。如图 1.4 所示，来自同一课题组的王晨亮[30]等人在原上添加定容弹用来研究背压对倒流气体的影响，结果发现背压化程度越低，同样地气体倒流程度也就越低，如图 1.5 所示。

【参考文献】