LPG/柴油混合燃料喷雾特性的试验研究

采用高速摄影技术,对液化石油气(LPG)、柴油以及两种LPG／柴油混合燃料(LPG质量分数分别为30％及50％)的喷雾特性进行了对比实验研究,探讨了混合燃料成分、启喷压力、喷孔直径和喷射背压等参数对喷雾贯穿和喷雾形状的影响规律．研究结果表明,在相同的喷射条件下,纯LPG的喷雾贯穿距离最短,蒸发气化速度最快;四种燃料喷雾的贯穿距离均随背压的升高而减少,而其喷雾锥角则随背压的升高而增大;当背压大于LPG的临界压力时,两种混合燃料的喷雾贯穿距离和喷雾锥角均随喷射压力的上升、喷孔直径的增大而增大;背压对贯穿距离、喷雾锥角的影响均大于启喷压力．     

汽化潜热和黏度对含氧燃料喷雾特性影响研究

通过配比柴油/生物柴油/正丁醇混合燃料、柴油/汽油/正庚烷混合燃料,分别和柴油/2,5-二甲基呋喃混合燃料的汽化潜热和黏度一致。基于高压定容装置,利用高速摄影技术对不同含氧燃料的宏观喷雾特性进行研究,分析汽化潜热和黏度的改变对燃料喷雾锥角和贯穿距离的影响。结果表明:含氧燃料的黏度增大,喷雾锥角和贯穿距离均变小;且对喷雾锥角影响显著。汽化潜热增大,会引起喷雾锥角的降低和喷雾贯穿距的增大。相比于其他两种含氧燃料,柴油/2,5-二甲基呋喃混合燃料在相同试验工况下的喷雾特性更好,有利于增强燃料雾化混合质量。     

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。     

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。     

生物柴油/柴油混合燃料喷雾特性

为了研究生物柴油及其与柴油混合燃料的雾化质量,在燃油雾化质量评价理论的基础上,采用高分辨率数码照相机对纯柴油、纯生物柴油以及两者混合燃料的喷雾特性进行了对比研究;计算分析了喷雾锥角、喷雾油滴的尺寸数目分布、尺寸累计体积分布、平均直径、特征直径和发散边界.结果表明:随着生物柴油掺混比的增大,喷雾锥角减小,喷雾油滴的平均直径增大,油滴尺寸数目分布曲线和累计体积分布曲线向大颗粒方向偏移,发散边界减小;大颗粒油滴数目增多和油滴的发散程度缩小,说明混合燃料中生物柴油的掺混比越大,雾化质量越差.     

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。     

含水乙醇多孔直喷喷油器喷雾特性试验研究

含水乙醇在具有现有燃料乙醇优点的同时,还可以降低生产过程中的能源消耗和排放。应用高速摄像机和定容弹系统,在五孔直喷汽油喷油器上研究体积分数95%的含水乙醇在不同燃油温度和喷射背压下的喷雾特性,分析其喷雾形态、贯穿距、喷雾锥角、喷雾宽度、喷雾投影面积及闪沸现象,并与纯汽油的喷雾特性进行对比。研究结果表明：含水乙醇喷雾处于冷态射流状态时,贯穿距大于汽油并随背压升高而降低、油温升高而升高;喷雾锥角小于汽油,并随着背压升高而减小;在完全闪沸状态下,喷雾坍塌成单束油束,喷雾贯穿距明显增长,喷雾锥角明显减小,在靠近喷孔区域喷雾宽度增加,远离喷孔区域喷雾宽度减小,此时喷雾投影面积主要受喷射背压影响。     

喷射压力对生物柴油喷雾特性的影响

基于WAVE和KH-RT这2种液滴破碎模型分别对定容燃烧弹内生物柴油喷雾过程进行数值模拟,利用定容燃烧弹试验台架获取生物柴油喷雾过程,通过数值模拟的计算结果与试验参数对比确定最佳的液滴破碎模型。进一步研究喷油压力对生物柴油的喷雾贯穿距离、喷雾锥角、索特平均直径(SMD)、速度场以及浓度场的影响并与柴油进行对比,结果表明:提高喷射压力,对2种燃料的喷雾贯穿距离都有较大影响,而对其喷雾锥角的影响均较小,但能大幅度降低SMD且均能提高燃料的喷射速度,更易于燃料的破碎蒸发。对比相同工况,生物柴油的破碎雾化效果较差。     

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。     

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。     

低乙醇配比的乙醇-柴油混合燃料空化特性试验

为了完善乙醇-柴油混合燃料的喷嘴孔内空化现象及近场喷雾特性研究,利用高速摄像机和放大尺寸单孔透明喷嘴观察乙醇体积分数分别为0%、5%和10%的3种乙醇-柴油混合燃料在喷孔中的两相流动及近场喷雾,在喷射压力为0.26~0.46 MPa的范围内对空化特征长度、流量系数、空化数、雷诺数等特性参数及喷嘴近场喷雾特性进行了分析。将3种混合燃料分别命名为E0D100N0、E5D90N5和E10D85N5,其中E、D、N分别代表燃料中的乙醇、柴油和助溶剂正丁醇,下标表示各成分的体积分数。试验结果表明:随着燃料中乙醇含量的增加,E0D100N0、E5D90N5和E10D85N5的空化初生及超空化对应的阈值喷射压力依次降低,空化发展期逐渐缩短,超空化期相应延长;在无空化和空化初生期乙醇含量的改变对近场喷雾锥角的影响并不明显,在空化发展期和超空化期,3种燃料近场喷雾锥角随乙醇含量的提高而增大,在柱塞流阶段,3种燃料近场喷雾锥角均接近0°;在同等喷射压力下,E0D100N0、E5D90N5和E10D85N5对应的流量系数和雷诺数依次增大,在柱塞流阶段,3种燃料对应的流量系数和雷诺数均急剧下降。     

可控热氛围中喷雾的雾化特性和粒径分布

基于可控热氛围燃烧器提供的均匀温度场,使用高速摄像机和激光衍射粒度仪对300~673K协流温度范围内的柴油喷雾进行测量.结果表明,随协流温度升高,相同时间内的喷雾贯穿距减小,喷雾锥角先增大后减小.在300K协流下,索特平均直径处于10~20μm之间,随轴向高度升高而略有增加,大尺寸液滴的直径在离开喷孔20~40mm过程中下降了17%.各粒径参数随径向距离的增大而减小.粒径一致性随着轴向和径向距离的增加而提高.在协流温度从300K上升至673K的过程中,索特平均直径从15μm上升到24μm,粒径一致性提高,蒸发使得小尺寸液滴大量消失.     

酸化油生物柴油喷雾特性试验

燃油的物理特性对喷雾过程有着重要的影响,本文利用高压共轨燃油喷射系统、定容弹（CVB）、纹影仪和高速摄像机,从贯穿距离和喷雾锥角等方面来探究酸化油生物柴油和普通柴油在高背压下喷雾特性的不同。研究结果表明：喷射背压为2 MPa 时,相同喷油压力下酸化油生物柴油的贯穿距离小于普通柴油;而在1 MPa背压时,其大于普通柴油。酸化油的喷雾锥角在两种背压下均小于普通柴油,而喷雾头部宽度大于普通柴油且相对较不规则。     

超高喷射压力下GDI喷油器喷雾宏观特性

为了探究在超高喷射压力下GDI(gasoline direct injection)喷油器喷雾的宏观特性,采用阴影法对喷射压力为5~60 MPa的喷雾进行测量,分析喷射压力对油束发展历程、贯穿距离、喷雾锥角、喷雾面积以及喷油器尾喷现象的影响,并通过对DENT经验公式进行修正,得到超高喷射压力下汽油的贯穿距离计算公式。研究结果表明:喷射压力的提高能够促进喷雾外围"分支状结构"的生成;喷射压力的提高使贯穿距离明显增大;喷雾面积随喷射压力的提高有所增加,但增幅逐渐减小;喷射压力每增加10 MPa,喷雾锥角峰值平均增加1.5°;当喷射压力达到30 MPa及以上时,喷油器尾喷现象基本消失;随着喷雾发展,贯穿距离和喷雾面积均呈现一定程度的线性增大;喷雾锥角呈先上升后下降,最后稳定在82°左右的趋势。     

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.     

挤压研磨对喷油器流量及雾化性能的影响

为了研究挤压研磨工艺对喷油器喷孔流量和雾化的影响,采用喷雾试验台、高速摄像机、喷油器性能试验台和EFS单次喷射测量仪,在不同挤压研磨加工时间和系统压力的工艺条件下,拍摄了喷油器的喷雾图片,测量了喷孔的流量.分析了喷油器喷孔喷雾的喷雾锥角、喷雾贯穿距、初次和二次破碎、喷雾差异度等的变化规律.结果表明:随着挤压研磨加工时间和系统压力的增加,喷孔的挤研增量逐渐增加;当挤研增量从5%增加到20%时,喷雾锥角从14.8°减小到12.6°,喷雾贯穿距从36.20 mm增加到44.20 mm,一次破碎区域的贯穿距由3.93 mm增大到22.20 mm,一次破碎的贯穿距在整个喷雾贯穿距中的占比增大;随着挤研增量的增大,喷雾差异度增大,不利于燃油在燃烧室的均匀分布.     

LPG喷雾特性的试验及数值模拟

在定容室内,采用高速摄影技术对液态LPG喷雾的宏观特性进行了研究,并与柴油进行了对比.试验结果发现,在相同喷射条件下,由于LPG较好的蒸发和雾化特性,其喷雾贯穿距离较柴油的短,喷雾锥角较柴油的小.采用KIVA3V2和KHRT破碎模型对LPG和柴油的喷雾特性进行的模拟计算结果表明,在喷雾初期贯穿距离的计算值和试验值符合较好,而在喷雾后期,由于高速摄影不能记录喷雾前端细微油粒的运动,喷雾贯穿距离的计算值和试验值之间存在一定的偏差.通过计算还发现,LPG喷雾的索特平均半径rSMR比柴油的要小;喷雾体外围液滴的rSMR比喷雾体中心的要小.     

空气喷射量对空气辅助喷射喷雾特性的影响

利用激光粒度仪分析了空气辅助喷射喷雾索特平均直径(Sauter mean diameter,SMD)的变化规律,并且分别在定容弹及光学发动机上开展了喷雾特性(喷雾锥角和贯穿距离)的试验研究,引入喷雾半锥角(α角和β角)的概念用以分析在有进气气流时空气喷射量对喷雾特性的影响.结果表明,增加空气喷射量可以改善燃油的雾化效果,特别是当喷雾燃空比γ小于0.8时,喷雾的SMD会有明显降低;在定容弹内空气喷射量的增大会使喷雾锥角减小,但对贯穿距离的影响不大;在光学发动机内由于进气气流的影响,空气喷射量的增加会使喷雾锥角增大,贯穿距离变小,同时喷雾锥角随时间的变化趋势也明显不同于定容弹内的试验结果.     

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。     

含稀相粒子的纳米燃油喷雾特性模拟研究

为了探究稀相纳米异质粒子对燃油射流喷雾特性的影响,基于纳米燃油喷雾可视化试验结果,应用计算流体力学软件建立含稀相纳米粒子的燃油喷雾模型,依据试验结果验证模型的准确性,并通过该模型研究喷油压力、环境温度和粒子质量浓度对CeO_2纳米燃油的喷雾特性的影响。研究结果表明:在相同喷射压力下,不同喷雾发展时刻,纳米燃油的油束贯穿距和索特平均直径(Sauter mean diameter, SMD)比柴油的大,喷雾锥角比柴油的略小。随着喷射压力提高,纳米燃油与柴油在喷雾贯穿距、喷雾锥角和SMD上的差异增大,且差异与纳米粒子质量浓度呈正相关。当射流环境温度上升时,纳米燃油与柴油在喷雾贯穿距和SMD上的差异均有所增加,且在高温环境下,纳米燃油的贯穿距和SMD会逐渐比柴油的小,纳米粒子质量浓度越高,该现象越明显,而喷雾锥角的差距有所减小。