模拟发动机工况下二甲醚喷雾燃烧实验及仿真研究

在定容弹内模拟发动机实机工况的高温、高压环境(920K,6.0 MPa),借助专用共轨系统产生100 MPa压力进行二甲醚喷射实验,通过定容弹内混合气体中的氧气浓度来控制二甲醚的燃烧,使用高速摄像机观察并记录二甲醚在超临界和亚临界条件下的喷雾及燃烧形态。基于实验结果,采用FORTE软件开发二甲醚喷雾燃烧仿真模型,其中耦合了二甲醚氧化还原反应动力学模型。实验和仿真结果表明,二甲醚在两种喷射条件下的喷雾贯穿距离无明显差异,而超临界条件下的液相贯穿距离较短;与亚临界条件相比,超临界条件下二甲醚喷雾着火时刻略早,火焰举升距较小,并且燃烧时释放出了更多的热量;仿真模型较好地拟合了二甲醚喷雾燃烧实验结果。     

发动机早喷过程中燃油喷射混合的大涡模拟

对大涡模型在预测发动机早喷中燃料和空气混合过程的适用性进行研究。将大涡模拟(LES)湍流模型加入KIVA3V程序中,对定容弹中燃油短喷以及在1台Ford高速直喷柴油发动机中的早喷过程进行数值模拟。研究结果表明:LES模型预测的喷雾浓度分布和贯穿距与实验结果较相符,明显比RANS模型的优;在燃烧室中LES模型得到的湍动能和黏性都要比RANS模型的小,而且随着喷射时间的增加,亚网格湍动能和黏性都增加并集中在喷射区域;同时,喷油时刻提前有利于燃油与空气的均质混合,LES模型得到的混合气分布更加均匀,三维紊乱的结构更加明显;与RANS模型相比,ES模型更能真实反映柴油机早喷过程中的喷雾流场。     

高压共轨燃油喷射雾化特性的数值预报

利用FLUENT软件,采用WAVE破碎及标准kε湍流模型,对高压燃油喷射雾化过程进行数值模拟研究;在可视化实验平台上,借助高速摄影技术,结合C#语言开发的图像处理软件,分析得出宏观喷雾特性。采用数值模拟方法获得了各种工况下的喷雾贯穿距和锥角等宏观特性的发展规律。研究结果表明:仿真结果与试验结果较吻合。喷射压力越大,喷雾贯穿距越大,喷雾锥角越小;背压越大,喷雾贯穿距越小,喷雾锥角越大;随着喷射时间的增加,单位时间内贯穿距离和喷雾锥角的增加幅度都呈逐渐减小的趋势。     

二甲醚和柴油高压喷射喷雾与燃烧可视化对比研究

为明晰高压喷射条件二甲醚闪急沸腾状态下的喷雾形态、自着火和火焰发展特性，通过高温高压定容燃烧弹，利用高速相机基于纹影法对比研究了柴油和二甲醚的喷雾和燃烧特性。实验中将喷射压力设置为60、100 MPa,环境背压设置为4 MPa,在喷雾、燃烧条件下环境温度分别设置为400、800 K。研究结果表明：同工况下二甲醚的喷雾贯穿距和喷雾面积均小于柴油，但其喷雾锥角大于柴油，雾化时间短于柴油，雾化效果优于柴油。随着喷射压力的提高，二甲醚与柴油的贯穿距和喷雾面积都增大，100 MPa喷射压力下二甲醚喷雾面积较60 MPa增大18.18%,而同工况下柴油增大23.5%。相比于柴油，二甲醚燃烧滞燃期和火焰浮起长度较短，燃烧持续期与柴油相当，但二甲醚燃烧火焰亮度、火焰面积和碳烟生成量明显低于柴油。随着喷射压力的提高，柴油与二甲醚的碳烟生成量均降低，但二甲醚的碳烟生成量降低效果更加显著，该文碳烟生成量用体积分数KL因子总和来表示，发现100 MPa喷射压力下的二甲醚KL总和较60 MPa减小33.3%,而同工况下柴油减小19.32%。     

高温下正十二烷喷雾及燃烧数值模拟研究

耦合RANS湍流模型、KH-RT破碎模型及SAGE燃烧模型,运用CFD数值模拟平台,对正十二烷在高温定容状态下的喷雾及燃烧现象进行研究。首先进行喷雾模型的标定与验证,确定了适合模拟的最小网格尺寸,然后分析若干边界条件对于正十二烷喷雾着火的影响规律。结果表明,环境压力对正十二烷喷雾尖端平均推进速率的影响程度不大;随着环境温度的升高,正十二烷喷雾的气相贯穿距不断增大,液相贯穿距呈现下降趋势,但变化并不明显;随着环境温度、环境氧浓度的升高,正十二烷喷雾滞燃期在不断地缩短,着火位置越来越靠近喷嘴。     

发动机缸内环境下二甲醚喷雾特性的试验

采用只能拍摄液态喷雾形态的背景散射法,在定容容器内模拟增压发动机实际压力和温度条件,利用超高速摄像机,观察二甲醚喷雾形态.研究了缸内环境、喷射压力、喷孔直径等因素对二甲醚喷雾特性的影响.结果表明:受喷射速度影响,喷雾贯穿距离随着喷射压力的增加而增大;喷雾液态贯穿距离随喷孔直径的增加而增加;在增压发动机高温、高压条件下,由于缸内气体密度和温度增加,喷雾贯穿距离减小;只在常温条件下,二甲醚喷雾周围才出现液滴;与柴油喷雾相比,二甲醚喷雾蒸发更迅速;2种喷雾的外缘处均呈现卷吸状,柴油喷雾分裂是液滴不断破碎微粒化,二甲醚喷雾分裂则是从喷雾液核开始直接迅速蒸发.     

涡流对船用柴油机喷雾燃烧及排放影响的数值研究

涡流对船用柴油机的喷雾燃烧及排放过程起着至关重要的作用.基于雷诺平均模拟方法(RANS)结合KHRT液滴破碎模型和CTC/Shell燃烧模型研究了涡流对船用柴油机喷雾燃烧及排放的影响.首先对重油喷雾进行标定,标定后模拟贯穿距与实验数据吻合较好;然后基于验证的喷雾模型,通过对比环境涡流下不同喷射角的喷雾形态、贯穿距、燃油蒸发质量和液滴平均粒径(SMD),研究了涡流对重油喷雾的影响.结果表明,涡流方向与喷雾方向相反或垂直时,涡流作用力可抑制喷雾轴向贯穿距的发展,增加了液滴与环境气体的相互作用进而促进喷雾雾化和蒸发;涡流与喷雾相切时,涡流可以促进喷雾轴向贯穿,但喷雾蒸发较差.进一步对CTC/Shell燃烧模型进行标定,标定后模拟放热率与实验数据吻合良好.最后基于验证的喷雾燃烧模型,研究了涡流比对船用柴油机喷雾燃烧和排放的影响.结果表明:一定范围内随着涡流比增大,喷雾液滴更加分散,喷雾气相蒸发加强,导致缸内燃烧更加剧烈,缸内最高爆发压力和最高温度升高,氮氧化物(NO_x)排放增多.     

超临界二甲醚喷雾特性的试验研究

为研究超临界二甲醚的喷雾特性,在定容容器内模拟涡轮增压发动机气缸内的实际环境,使用高速摄像机对超临界二甲醚喷雾的外形轮廓及发展过程进行观察,并将其与跨临界二甲醚喷雾进行对比。结果表明,二甲醚喷雾在发展过程中发生了明显的卷状分裂,并且观察不到二次分裂现象;超临界二甲醚喷雾的外形轮廓及贯穿距离与跨临界喷雾并未有明显差别,但由于超临界二甲醚在涡轮增压环境中的扩散速率更快,因此其喷雾锥角更大,喷雾核心区的长度更短;两种喷射状态下的二甲醚在喷入定容容器后,其喷雾尖端的推进速率都会先急剧增大,然后在达到峰值后又急剧减小,最后在低速段保持相对稳定。     

亚/超临界汽油多孔射流形态塌陷的研究

基于GDI(gasolinedirectinjection)发动机常用工况点的缸内温度压力,采用高速摄影和纹影法,在高温环境下对比研究了亚/超临界汽油多孔和单孔及异辛烷多孔射流的宏观特性.结果表明:当燃油温度从亚临界态升高至超临界态时,汽油多孔射流在形态上表现出射流中心塌陷和前锋面凸起的特征,异于常见的枝状喷雾结构和剧烈闪沸条件下的坍缩喷雾,同时射流的贯穿距不断增加,锥角不断减小,射流宽度经历了先减小后增大的变化;亚临界汽油单孔射流的贯穿距、锥角及宽度的变化趋势异于汽油多孔射流,表明多孔射流相邻油束间的干涉重叠影响着射流形态结构,在汽油亚临界态时,干涉重叠导致射流轮廓向内收缩,使得射流锥角和宽度减小,而在汽油超临界态时,干涉重叠促进了多孔射流中心的塌陷;相比于单一组分的异辛烷,多组分物蒸发气化的沸点差异是导致汽油射流液相区发生剧烈闪急沸腾,使得射流轴线方向的低压核区发生气流卷吸,并最终诱发射流中心塌陷的原因,而塌陷的发生也使得燃油超临界态时汽油射流宽度大于异辛烷射流宽度;最后,通过对比亚/超临界汽油单孔射流和异辛烷多孔射流,发现导致亚/超临界汽油多孔射流前锋面凸起和中心塌陷的主要原因是射流相邻油束间的干涉重叠及轴线方向低压核区内的气流卷吸作用.     

环境和燃油温度对丁醇/柴油混合燃料喷雾影响的模拟分析

根据喷雾可视化试验的结果,利用AVL Fire软件建立了正丁醇柴油喷雾的计算模型,并验证了模型的准确性。再利用该模型研究正丁醇柴油混合燃料的喷雾特性,模拟了油束的发展过程,计算了环境和燃油温度对混合燃料喷雾特性的影响。研究结果表明:在背压一定时,随环境温度的升高,油束初始速度增加,喷雾贯穿距增加,锥角减小;索特平均直径(SMD)先减小,在达到一定温度后随温度升高,喷雾初期又有所增大,后期趋于一致;随着燃油温度升高,N25喷雾贯穿距逐渐减小,SMD在喷雾初期随油温增加逐渐减小,随着喷雾的进行逐渐趋于一致。     

二甲基醚喷雾混合过程的计算研究

采用气相射流模型对二甲基醚的喷雾特性进行了模拟计算,并将其与柴油喷雾的模拟计算值进行了对比．结果表明,在喷孔直径、环境密度等参数相同的条件下,二甲基醚喷雾的轴心速度和浓度的衰减速率均大于柴油喷雾的,而二甲基醚喷雾的贯穿距离与锥角则分别小于和大于柴油喷雾的．当环境密度和喷孔直径改变时,DME喷雾的轴心速度、贯穿距离和喷雾锥角均会随之变化．模拟计算结果与实验观测结果基本相符。     

二甲醚的油束模型和试验研究

根据二甲醚（DME）的喷雾试验，提出了针对二甲醚燃料的油束喷雾模型，并确定了喷雾油束模型常数，该模型可以计算出喷雾特性的主要参数，包括贯穿度、索特平均直径和喷雾锥角等。模型计算和试验研究表明：贯穿度随喷孔直径、背压和喷油初速的增大而增大；索特平均直径随喷孔直径和背压的增大、喷油初速的减小而增大，喷雾锥角公式考虑了燃料物性和液、气相互运动的作用，因而与实测结果符合较好，油束模型与试验结果基本吻合。     

斯特林发动机低硫柴油和二甲醚冷态喷雾

基于斯特林发动机喷雾特性,建立了斯特林喷嘴的数学物理模型,模拟了冷态工况下低硫柴油(ULSD)和二甲醚（DME）2种不同燃料在不同背压下斯特林发动机的喷雾过程,并与实验结果进行了对比分析.研究发现,背压的增大对ULSD的雾化具有促进作用, 对DME的雾化具有抑制作用;相同流量和背压下,DME的贯距比ULSD小,喷雾锥角比ULSD大.当背压增加较大时,继续提高背压对喷雾锥角的影响减弱,且喷雾锥角随着流量的增大而增大.     

机舱通风口冲击射流湍流特征分析及验证

以机舱个性化通风口为背景,对自由射流加壁面冲击射流,采用几种湍流模型数值分析了10倍冲击高度、雷诺数为9,000的气流遇到冲击板后湍流脉动、流动转折等流动特征.探讨了湍流模型对冲击射流关键位置平均速度、脉动速度以及雷诺应力等流动参数特征的模拟能力,通过与实验测量结果的对比,确定了湍流模型在冲击射流中的适用性和局限性.综合来看,Relizable k-ε模型可以得到与实验值较好的符合度,但在近壁面区域会略有偏差.分析结果认为将RANS和LES组合将是开展实际机舱内通风口射流研究的最佳策略.     

二甲醚喷雾特性的研究

采用高速摄影和激光阴影法在压力容弹中研究了喷油启喷压力、环境介质的密度、喷孔直径等参数对二甲醚喷雾特性的影响,并与柴油的喷雾特性进行了对比,结果表明：二甲醚的喷雾贯彻度小于柴油,喷雾锥角比柴油大;随着环境介质密度的增加,二甲醚的喷贯穿度减小,喷雾锥角增大;随着喷孔直径原增大,喷雾贯穿度和喷雾锥角均增大;当喷嘴启喷压力在10．0－15．0MPa之间变化时,二甲醚的喷雾贯穿度和喷雾锥角等特性没有变化。     

直喷式柴油机二甲醚喷雾燃烧的多维模型研究

使用KIVA程序模拟了小型直喷式柴油机燃用二甲基醚(DME)的喷雾燃烧过程,其中的喷雾模型包括喷嘴空穴流动、射流雾化、液滴破碎和喷雾碰壁等子模型．对燃烧过程,采用了一个简化的化学反应机理和新型的湍流模型——部分搅拌反应器(PaSR)模型,考虑了湍流混合作用对燃烧速率的影响、由计算所得的缸内压力和放热率曲线与试验值符合较好,并分析了缸内瞬态温度场和喷雾粒子轨迹的变化历程．结果表明,柴油机燃用DME时,其燃烧系统需要进行必要的优化．     

直喷式柴油机气缸内喷雾特性的研究

本文介绍直喷式柴油机燃油喷射和气缸内喷雾特性的统一计算模型。模型中考虑了喷油过程、气缸内气流运动和燃烧室结构等对燃油喷雾贯穿及分布的影响。高压油管内燃油运动用特征线法求解,喷雾过程用稳态射流理论计算,本文还对采用高速摄影技术研究柴油机气缸内喷雾贯穿作了讨论。