含铝汽油/空气多相爆轰机理仿真计算

为了探究含铝汽油/空气多相爆轰的作用机理,建立了气、液、固多相流动与燃烧的数学物理模型,并采用守恒元与求解元计算方法对其进行了数值模拟。基于数值计算结果,分析了含铝汽油燃料的燃烧转爆轰过程,比较了不同液滴初始半径和铝质量分数下含铝汽油的爆轰参数。计算结果表明,含铝汽油液滴初始半径越小,形成稳定爆轰所需距离越短,爆轰过程中累积的铝粉体积分数越大;当液滴初始半径大于约100μm时,不能形成自持传播的爆轰波;随着铝质量分数增加,形成稳定爆轰所需距离更长,爆轰压力、温度和速度均增大,但增幅减小。研究结果对含铝液体燃料推进剂特性研究和应用具有重要意义。     

GDI喷油器超高压乙醇喷雾微观特性试验

为系统研究超高喷射压力下缸内直喷(GDI)喷油器乙醇喷雾的微观特性,采用相位多普勒粒子分析(PDPA)系统对10~50,MPa喷射压力下的喷雾进行了测试,并结合纹影法所获取的喷雾图像分析了喷雾形态发展、液滴粒径粒速的空间分布及随时间的变化规律.研究结果表明:提高喷射压力,枝状结构形成时刻提前,喷雾破碎过程加快;提高喷射压力,喷雾头部粒速增加,贯穿距变大;喷雾锥角随喷射压力的提高小幅度上升;提高喷射压力,乙醇液滴的索特平均直径(SMD)、DV90和DV50明显下降,但DV10下降幅度相对较小,处于剧烈破碎区的液滴粒径减小;超高压喷射有效抑制了25,μm以上大粒径液滴生成,降低粒径分布的离散程度,粒径为5,μm左右的液滴数量比例最大;超高压喷射下,在同一水平面不同测点位置,SMD的差异较小;随着测点距喷孔距离的增大,小液滴聚合现象会导致SMD变大.     

有限通道内热空气顺流掺混NaCl水溶液喷射闪蒸的数值模拟

为实现高浓度含盐废水的高效脱盐,开展了对有限通道内NaCl水溶液在喷射闪蒸和顺流掺混热空气共同作用下的蒸发性能研究。在实验研究的基础上,从该过程中过热度控制的非平衡蒸发到对流控制的平衡蒸发建立了贯通的数学物理模型,计算结果与实验结果的主体偏差小于5%。使用该模型在液滴群初始粒径为30～110μm、初始温度为120℃、初始盐质量分数为0～0.1、初始速度为20 m/s、掺混热空气速度为5～15 m/s、温度为100～200℃的范围内开展了数值模拟。结果表明：液滴群的温度、速度、粒径以及盐质量分数的分布均呈现雾羽边缘变化快、喷射轴线处变化慢的特点;随着喷射距离的增大,液滴群粒径、速度、温度的截面平均值均降低,而平均盐质量分数升高;液滴初始盐质量分数的增大对上述参数的沿程变化无明显影响。定义蒸发效率为给定喷射距离内液滴群总蒸发质量与初始质量之比,减小液滴初始粒径、提高掺混热空气温度的同时降低热空气流速是提高蒸发效率、强化液滴浓缩的有效途径。蒸发效率的半经验计算数值与模拟值主体误差小于±15%。该研究结果可为工业脱盐装置的设计和运行提供一定的参考。     

T形微流控芯片液滴成形与细胞封装的理论

连续相与离散相的速度取值是影响T形微流控芯片产生液滴的关键因素.细胞在T形微流通道的液滴包裹和细胞封装成为基因测序的研究热点,因此本文结合水平集与流体动力学方法,分析了液滴尺寸与红细胞封装的动态输运问题.在离散相和连续相通道宽度分别为50μm和80μm的T形微流控芯片内部,以水和正十二烷油为目标溶液进行计算仿真.计算结果表明水溶液初始速度0.012m/s,表面张力5mN/m,接触角165°时,毛细数C_a从0.008增大至0.1,会使液滴的尺寸降低,液滴成形频率加快.同时,黏滞力大于两相流表面张力会导致直径5μm红细胞的封装效率变低,使其紧贴通道墙壁作直线运动.     

液化天然气饱和单液滴蒸发模型及其吹拂效应的影响

采用计算流体动力学方法,基于液滴界面能量守恒原理建立了液化天然气饱和单液滴蒸发模型,以对不同的温差、相对速度及液滴粒径的液滴在同种蒸气中的蒸发过程进行模拟,并分析了吹拂效应的影响.结果表明:增大温差、相对速度及液滴粒径,均会使得液滴界面换热量增大;随着温差增大,温度边界层厚度及其比值逐渐增加,但考虑与未考虑液滴蒸发时液滴界面换热量之比呈现出分段变化特征,液滴的运动使得其分段点提前,且吹拂效应的影响增大;随着相对速度增加,吹拂效应对液滴蒸发的影响减弱,当相对速度大于18 m/s时,吹拂效应的影响可以忽略;随着液滴粒径增加,吹拂效应的影响基本保持不变.     

蒸发环境下液滴初始粒径对煤油喷雾模拟预测的影响

采用Eulerian-Lagrangian方法分别在非蒸发、蒸发环境中完成了煤油破碎、雾化过程模拟,分别采用索特直径、贯穿长度等实验数据对预测结果进行了对比分析。假设离散相的液体颗粒粒径在喷嘴出口处满足RosinRammler分布,通过在喷嘴出口处设定不同的初始液体粒径分布参数,得到了不同算例的预测结果。通过与实验数据的对比发现,在非蒸发环境下液体初始粒径对于预测结果影响较小,而在蒸发环境下其对于计算结果存在比较明显的影响,较小的初始液滴粒径会降低喷雾的贯穿长度、会造成液滴在离开喷嘴之后的速度偏快。     

甲醇/正辛醇/加氢催化生物柴油单液滴蒸发与微爆特性研究

为了研究理化特性强烈互补的甲醇/加氢催化生物柴油(HCB)混合燃料的单液滴蒸发微爆特性,本文针对纯加氢催化生物柴油M0以及两种不同甲醇体积比的三元混合燃油M15(15%甲醇、17%辛醇和68%HCB)和M25(25%甲醇、17%辛醇和58%HCB)在不同环境温度下进行了详细的试验研究。首先,通过微观几何形态和热重试验对混合燃油的理化属性进行了分析。然后,在一个恒温加热炉中采用挂滴法结合高速显微成像技术,获得了液滴在蒸发过程中的形态、平方直径和气泡比等蒸发特性。研究得出:随着甲醇含量增加,混合燃油中分散相液滴粒径增大、数目增多,蒸发速率加快;随着甲醇比例的增加,混合燃油液滴内部出现更加剧烈的醇相气泡膨胀并发生微爆现象,且微爆后喷射出的子液滴粒径大大提高,显著缩短了母液滴的寿命;随着环境温度的增加,微爆频率增加,更显著地加快了液滴的蒸发速率。本文结果将对甲醇/HCB混合燃料喷雾燃烧特性以及该混合燃料的发动机适用性研究提供理论参考。     

柴油喷雾粒径空间分布特征理论与实验研究

为研究小型柴油燃烧器压力雾化喷嘴在喷雾外流场空间内的柴油喷雾粒径分布特征,采用激光粒度仪测量沿喷嘴出口轴向方向各截面处的液滴粒径分布。分别测试了不同配风量,不同喷油压力,不同喷雾锥角和油量条件下在 5 ~ 50 cm截面处的粒径分布,对其液滴平均索特尔直径进行分析,用分散指数表征液滴分布的均匀性。研究表明,喷雾粒径在空间的整体分布是在喷雾出口处区域最小,在浓雾区粒径最大但分布均匀。随风量和油压的减小,平均粒径增大,喷雾锥角对粒径影响不大,而油量对全局的空间分布影响较大。液滴在风量大的浓雾区分布均匀,但油压超过 1.2 MPa,初始破碎区的均匀度反而下降。初始破碎区的液滴粒径受液滴间相互作用影响,结合实验结果,引入液滴群整体作用系数B对理论推导的临界破碎粒径公式进行修正,平均误差5%。     

MgO溶液混气式喷涂过程的数值模拟

基于欧拉多相流模型和颗粒动力学理论,对MgO溶液混气式喷涂气液两相耦合过程进行数值模拟,研究了辅助雾化压力和喷涂压力对气雾流场中MgO液相分布、液滴粒径分布及涂料沉积分布的影响。结果表明,在辅助雾化空气冲击作用下,涂料沿Z轴的扩散范围要大于沿X轴的扩散范围,并且同一喷涂压力下,辅助雾化压力越大,涂料雾化越充分;随着喷涂压力的增大,喷涂流场中MgO液滴粒径逐渐减小,但小粒径液滴在流场中易受气流影响发生逸散,成膜区大粒径液滴撞击壁面后会破碎成小液滴并附着在壁面形成涂膜;当喷涂压力从6 MPa增至12 MPa,涂层厚度减小39.7%,涂层有效覆盖面积增大26.9%,涂层沉积分布形态呈圆形→椭圆形→椭圆环形的变化趋势。     

初始压力对爆轰波在管道内传播的影响

建立爆轰管道研究不同初始压力下爆轰波在管道内传播规律.选用CH4+2O2气体,采用光纤探针测量爆轰波在管道内的传播速度,采用烟迹法记录爆轰波胞格结构.结果表明:爆轰波在管道内传播时出现5种不同传播模式,分别为稳态式、快速波动式、结巴式、驰振式与失效模式.在稳态传播模式下,爆轰波局部速度波动很小且平均速度接近理论爆轰CJ速度,并呈现多头胞格结构.随着初始压力的降低,爆轰波局部速度波动增加且其平均速度产生衰减.在驰振式爆轰解耦处,爆轰波胞格结构消失,过载爆轰时,重新形成胞格结构.进一步降低初始压力至爆轰失效时,则无胞格结构.     

微小型气液两相脉冲爆轰发动机试验研究与数值模拟

为探索微小型脉冲爆轰发动机(Small-scale pulse detonation engine,SPDE)的工作特性,采用试验和数值模拟相结合的方式对SPDE进行了研究。设计了一台内径30 mm、总长900mm的火箭式气液两相SPDE。试验以汽油为燃料,研究了在不同点火频率下SPDE的工作情况。试验结果表明,SPDE能在1040 Hz频率下多循环稳定工作,爆轰波平均压力在23 MPa之间;随着频率的提高,峰值压力和平均压力均有所降低。数值计算采用二维守恒元/求解元方法(CE/SE)模拟了爆轰波在气液两相SPDE内的传播特性,计算结果与试验结果符合较好。研究结果对SPDE的雾化、掺混以及高频率的实现具有重要意义。     

初始条件对管道内爆轰波传播特性影响研究

实验研究了C_2H_2+2.5O_2+nAr气体爆轰波传播特性随初始条件变化规律。采用光电二极管测量爆轰波传播速度,烟迹法记录爆轰波胞格结构。结果表明:随初始压力降低,爆轰波在管道内出现稳态式、快速波动式、失效式传播模式。稳态式传播时爆轰速度局部波动小于平均速度的5%,初始压力对爆轰速度几乎无影响;快速波动式传播时爆轰速度局部波动增大,平均速度发生衰减,衰减幅度随初始压力降低而增大。随Ar稀释浓度增加,爆轰速度逐渐减小,且Ar稀释浓度对爆轰速度的影响显著。胞格尺寸随初始压力的降低而增大;稳态气体胞格结构规整;而非稳态气体胞格结构杂乱。     

高压匀质过程中油相液滴破碎的数值模拟

利用CFD(computational fluid dynamic)技术和PBM(population balance model)模型对高压匀质过程中油相液滴破碎的行为进行了数值模拟。得到了乳剂中油相液滴粒径大小随压力和湍流动能变化的关系,总结了粗略估计多次匀质之后液滴粒径的经验公式,并用实验对模拟结果进行了验证。结果表明,PBM模拟得到的液滴粒径随匀质压力变化的趋势与实验结果相一致,增大匀质压力获得的乳剂液滴粒径更小。     

二甲醚发动机复合燃烧爆震特性

将柴油机改造为二甲醚(DME)气道-气缸喷射发动机,研究DME复合燃烧缸内压力的频谱,探讨其爆震特性.结果表明:DME复合燃烧爆震频率带为5～10 kHz;当转速增加时,爆震频率带及爆震段变宽;如果进气道喷射燃料中添加液化石油气(LPG),则爆震频率带及爆震段变窄,且接近上止点;将直喷燃料改为LPG,则爆震频率带变宽,爆震段变窄并接近上止点;当转速增加、进气道燃料添加LPG、直喷燃料改为LPG时,复合燃烧爆震时缸内压力的功率谱密度均增大.     

可调节双介质外混式喷嘴雾化特性的数值模拟

以采用蒸汽工质的某双介质喷嘴为研究对象,通过构建离散相模型,开展不同工况下的喷嘴雾化数值模拟计算,研究不同蒸汽入口压力与不同针阀开度对喷嘴雾化特性的影响。结果表明：雾化液滴的空间分布受喷嘴非对称进气结构的影响,在滚筒腔体内呈现非对称分布;雾化液滴粒径随空间位置变化显著,在雾化范围外部的液滴粒径最大,在雾化空间内部液滴粒径较小,约为1μm;随着蒸汽入口压力的增大,雾化液滴平均粒径减小;随着气液相对速度的增大,液滴最大粒径与平均粒径均减小,雾化效果显著改善。     

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.     

正十二烷单液滴在含乙醇氛围中的蒸发特性

考虑液滴与环境气流物性瞬态变化的单液滴非平衡蒸发,建立了模型,研究正十二烷液滴在含乙醇氛围中的对流蒸发过程,获得环境参数(环境温度、压力、对流强度、环境气体中乙醇蒸气和水蒸气质量分数)对液滴蒸发特性的影响规律.计算结果表明:环境因素中影响液滴蒸发的主要因素是环境温度、环境压力和对流强度,乙醇蒸气和水蒸气质量分数对液滴蒸发特性几乎没有影响;环境温度和对流强度的增加,有利于液滴蒸发;对初始温度较低的燃料液滴,环境压力对蒸发的影响与环境温度、气流相对速度相关;在一定的热环境参数下,压力效应发生逆转;增加液滴周围气体中乙醇蒸气质量分数和降低水蒸气质量分数,会加速液滴蒸发,液滴寿命略微缩短.     

初始压力对狭缝内爆轰传播特性影响的实验研究

在高度H=1 mm,宽度W=20 mm的狭缝内,实验研究了不同初始压力(P_0=10~40 k Pa)下化学恰当比的C_2H_4/O_2预混气的爆轰传播特性。采用烟迹法记录爆轰胞格结构,同时采用高速摄影捕捉火焰面。实验结果表明,随着初始压力降低,爆轰波的化学反应诱导区距离增大,壁面条件(如摩擦、导热)的影响增强,导致火焰传播的速度震荡加剧,爆轰波传播从多头模式向单头模式过渡,并可出现多次起爆或者熄爆等复杂现象。此外,稳定自持传播爆轰波的速度亏损会随初始压力降低而增大,但详细规律还需进一步研究。     

不同燃料自由喷雾及喷雾撞壁特性试验研究

运用相位多普勒(phase Doppler anemometry,PDA)系统对甲醇、乙醇、异辛烷、甲苯参比燃料(toluene reference fuels,TRF)和汽油5种燃料缸内直喷(gasoline direct injection,GDI)喷油器喷雾撞壁后的粒径粒速进行了全面的试验研究.结果表明:与汽油相比,甲醇、乙醇和TRF燃料自由喷雾的液滴速度更小,而液滴粒径更大.与自由喷雾相比,喷雾撞壁的入射液滴粒径较大,反弹液滴粒径较小;入射液滴的法向速度变小,喷雾撞壁后反弹液滴的法向速度变小,且不同燃料之间反弹液滴法向速度的差别变小.具有较大入射液滴直径和较高K值的乙醇和异辛烷燃料中,乙醇喷雾撞壁后反弹液滴的粒径(refD)小于异辛烷喷雾撞壁后的,其破碎效果好于异辛烷的,Mundo的模型需做修改.不同燃料喷雾撞壁后的反弹角度均在0°~90°范围内变化,而不是Stanton和Mundo模型中的65°~90°,因此模型中反弹角度的变化范围应增大至0°~90°.     

丙烷自燃特性及爆震机理的试验研究

为了深入揭示丙烷自燃和爆震燃烧机理,基于一台新型快速压缩机试验平台,开展了不同初始压力、当量比条件下丙烷-空气混合气自燃和爆震燃烧的试验研究,并通过瞬态压力和高速相机同步测试方法进行了缸内燃烧过程研究.结果表明:爆震压力振荡强度随着初始压力的提升显著增强,压力振荡的产生与着火方式无绝对关系,其振荡强度主要取决于自燃发生前末端混合气的状态.轻微爆震和弱爆震由末端自燃导致,自燃时未燃混合气区域越大,爆震强度也越高.超级爆震的形成是由于超声速自燃火焰的传播导致压力波在火焰面前方的汇聚,并最终导致爆燃向爆轰模式转变所致,从而形成峰值极高的压力振荡.