定容彈內(nèi)汽油摻混酒精燃料的噴霧特性分析大學(xué)畢業(yè)論文

1、定容彈內(nèi)汽油摻混酒精燃料的噴霧特性分析院 系動(dòng)力與能源工程學(xué)院專 業(yè)熱能與動(dòng)力工程班 級(jí)學(xué) 號(hào)姓 名指導(dǎo)教師負(fù)責(zé)教師目 錄1 緒論11.1課題的背景及研究意義11.2研究的現(xiàn)狀4 1.3本文主要研究的內(nèi)容.52霧化機(jī)理及模擬計(jì)算62.1霧化機(jī)理62.2噴霧特性82.3噴霧過(guò)程中的其他特性102.4cfd模擬仿真軟件介紹123定容彈噴霧仿真計(jì)算及分析133.1參數(shù)設(shè)置133.2酒精摻混汽油燃料的噴霧13 3.3溫度對(duì)噴霧貫穿距的影響.15 3.4缸內(nèi)壓力對(duì)噴霧貫穿距的影響.18 3.5噴油壓力對(duì)噴霧貫穿距的影響.194結(jié)論21參 考 文 獻(xiàn)22致 謝241 緒論1.1課題背景及研究意義內(nèi)燃機(jī)是機(jī)

2、動(dòng)車輛的心臟，它的出現(xiàn)促進(jìn)了汽車的發(fā)展，汽車的大發(fā)展又帶動(dòng)了內(nèi)燃機(jī)的飛速發(fā)展。而內(nèi)燃機(jī)工業(yè)的發(fā)展也極大地促進(jìn)了人類社會(huì)的文明與進(jìn)步，給人類創(chuàng)造了許多行業(yè)和就業(yè)機(jī)會(huì)。然而內(nèi)燃機(jī)的大量使用也嚴(yán)重影響到了我國(guó)的能源安全，目前汽車耗油約占整個(gè)石油消費(fèi)量的1/ 3，預(yù)計(jì)2020年中國(guó)汽車石油消費(fèi)比例將上升到 57%，同時(shí)向大氣排放的有害物質(zhì)成為我國(guó)城市環(huán)境的主要污染源。在石油資源逐漸枯竭、環(huán)保意識(shí)日益增強(qiáng)的情況下，人們迫切要求提高內(nèi)燃機(jī)的動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性和排放性能。傳統(tǒng)汽油機(jī)采用進(jìn)氣節(jié)流方式對(duì)負(fù)荷進(jìn)行“量調(diào)節(jié)，相比缸內(nèi)直噴“質(zhì)調(diào)節(jié)”的柴油機(jī)，具有較高的泵氣損失；并且其壓縮比為9-11較低（柴油機(jī)為16-2

3、2），熱效率比柴油機(jī)低15%左右；當(dāng)前主流汽油機(jī)采用電控進(jìn)氣道燃油噴射(pfi)和三效催化器(twc)后處理技術(shù)，但是，twc高效轉(zhuǎn)化要求發(fā)動(dòng)機(jī)必須燃用化學(xué)計(jì)量比的混合氣，使燃油經(jīng)濟(jì)性高于使用稀混合氣的柴油機(jī)。綜上所述，降低汽油機(jī)的油耗顯得更迫切。在汽油機(jī)中，把混合氣的實(shí)際空燃比a/f大于化學(xué)計(jì)量比14.7的燃燒稱為稀薄燃燒，而采用該項(xiàng)技術(shù)也是提高汽油機(jī)燃油經(jīng)濟(jì)性的眾多技術(shù)中一項(xiàng)重要措施。傳統(tǒng)均質(zhì)混合氣燃燒的稀燃空燃比上限為22，穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)即不發(fā)生失火的空燃比上限為18，因而提高汽油機(jī)燃油經(jīng)濟(jì)性的能力有限。近些年來(lái)，一種非均質(zhì)、充量濃度分層、稀薄燃燒為特征的汽油機(jī)缸內(nèi)直噴（gdi）技術(shù)可以極大地

4、提高汽油機(jī)的燃油經(jīng)濟(jì)性，因而該種汽油機(jī)成為行業(yè)研究和開(kāi)發(fā)的熱點(diǎn)。gdi技術(shù)出現(xiàn)于上世紀(jì)30年代，但受到當(dāng)時(shí)內(nèi)燃機(jī)技術(shù)水平的限制，沒(méi)有得到實(shí)際地應(yīng)用。直到20世紀(jì)90年代，隨著電子控制技術(shù)的發(fā)展和廣泛應(yīng)用、燃油經(jīng)濟(jì)性法規(guī)和排放法規(guī)的日益嚴(yán)格，gdi才重新得到快速地發(fā)展。日本三菱汽車公司自1996年率先向市場(chǎng)投放第一臺(tái)gdi發(fā)動(dòng)機(jī)以來(lái)，先后又開(kāi)發(fā)出了多種不同類型的gdi發(fā)動(dòng)機(jī)，即2.4l四缸機(jī)、3.0l六缸機(jī)和3.5l六缸機(jī)，它們分別裝用于四種中、大型轎車投放市場(chǎng)。近年來(lái)，該公司又推出多種gdi新機(jī)型：4.5l的v8機(jī)、1.5l的直列四缸機(jī)和0.66l的直列三缸機(jī)。三菱公司稱其1.8l的gdi發(fā)動(dòng)

5、機(jī)不僅可節(jié)省燃油20、降低排放20，而且還可把發(fā)動(dòng)機(jī)的功率和扭矩提高10；繼三菱之后，豐田公司研制出一種d4型2.0l的gdi發(fā)動(dòng)機(jī)，并已批量裝車使用。隨后，豐田公司又開(kāi)發(fā)出1.6l、1.8l和2.0l的gdi發(fā)動(dòng)機(jī)。據(jù)該公司說(shuō)其d4型gdi發(fā)動(dòng)機(jī)可降低油耗30左右、功率提高約10。除上述兩家公司外，日本其它廠家也有多種gdi發(fā)動(dòng)機(jī)上市，如日產(chǎn)3.0l和2.5l的v6機(jī)、富士重工2.5l的臥式對(duì)置四缸機(jī)、馬自達(dá)2.0l的直列四缸機(jī)本田1.0l的直列三缸機(jī)；克萊斯勒汽車公司開(kāi)發(fā)的四沖程gdi汽油機(jī)在采用了其兩沖程汽油機(jī)科研成果后，使燃油經(jīng)濟(jì)性提高了20-30，該公司稱目前所獲得的這種燃油經(jīng)濟(jì)性(

6、5.2l/100km)可以與小排量的直噴式柴油機(jī)相媲美；德國(guó)奔馳汽車公司于上世紀(jì)末投資近億馬克，開(kāi)始全面啟動(dòng)gdi研究項(xiàng)目；奧迪公司也于上世紀(jì)末推出了其1.2l三缸gdi發(fā)動(dòng)機(jī)(每缸5氣門)，據(jù)介紹，該機(jī)的油耗較同等功率(56kw)的傳統(tǒng)發(fā)動(dòng)機(jī)低15-20；寶馬公司前不久推出了采用第二代汽油直噴技術(shù)（高精度噴油）的兩款四缸和六缸燃油分層燃燒自然吸氣發(fā)動(dòng)機(jī)，無(wú)論是在歐洲行駛循環(huán)還是在客戶端實(shí)際運(yùn)行中都達(dá)到了明顯的節(jié)油效果。在參照工況點(diǎn)，其3l六缸發(fā)動(dòng)機(jī)以295g/kwh的油耗取得了比已經(jīng)是非常節(jié)能的valvetronic發(fā)動(dòng)機(jī)降低油耗大約14%的成績(jī)，而且比傳統(tǒng)的以節(jié)流方式調(diào)節(jié)扭矩的汽油機(jī)低20

7、%。搭載其四缸發(fā)動(dòng)機(jī)的118i轎車以其5.9l/100km的歐洲行駛循環(huán)試驗(yàn)油耗(對(duì)應(yīng)于140g/km的co2排放值)成為油耗非常突出的車型，從而在該車所屬的功率等級(jí)和轎車等級(jí)中樹(shù)立了新的范例。目前市場(chǎng)上的gdi汽油機(jī)存在兩種主要工作模式：1）非均質(zhì)、充量分層的稀薄燃燒；2）均質(zhì)當(dāng)量混合氣燃燒。大多數(shù)采用充量分層稀薄燃燒的gdi發(fā)動(dòng)機(jī)根據(jù)工況不同采用混合燃燒模式：中小負(fù)荷時(shí)，為了獲得較好的燃油經(jīng)濟(jì)性，gdi發(fā)動(dòng)機(jī)的節(jié)氣門保持全開(kāi)，燃油在壓縮沖程后期噴入燃燒室，形成非均質(zhì)的混合氣，在火花塞周圍的混合氣較濃，遠(yuǎn)離火花塞區(qū)域?yàn)橄”』旌蠚?，全局空燃比?540，為分層稀薄燃燒，燃油消耗下降率高達(dá)35%

8、；在大負(fù)荷時(shí)，為了得到較高的動(dòng)力性，采用化學(xué)計(jì)量的混合氣，燃油在進(jìn)氣沖程早期噴入燃燒室，燃油與空氣在燃燒室內(nèi)充分的混合，為均質(zhì)當(dāng)量燃燒，此時(shí)動(dòng)力性比pfi提高10%左右；當(dāng)gdi發(fā)動(dòng)機(jī)全部采用均質(zhì)當(dāng)量混合燃燒模式時(shí)，它可以使用目前pfi發(fā)動(dòng)機(jī)上廣泛使用的、技術(shù)成熟的twc滿足嚴(yán)格排放法規(guī)的要求，從而避免了使用技術(shù)尚未成熟、對(duì)汽油硫含量要求較高的稀燃nox催化轉(zhuǎn)化器，盡管均質(zhì)當(dāng)量gdi發(fā)動(dòng)機(jī)的節(jié)油效果不如分層稀燃的gdi，但在與其它先進(jìn)技術(shù)結(jié)合下，也能獲得較好的節(jié)油效果，因而成為目前國(guó)際上gdi發(fā)動(dòng)機(jī)的發(fā)展主流。從2000年以后，歐洲開(kāi)始采用均質(zhì)當(dāng)量混合氣燃燒為特征的技術(shù)路線。2003年，歐洲新

9、開(kāi)發(fā)并上市了5款轎車gdi發(fā)動(dòng)機(jī)，其中3款采用均質(zhì)當(dāng)量燃燒模式；而同年日本新開(kāi)發(fā)并上市的4款轎車gdi發(fā)動(dòng)機(jī)仍然采用分層稀薄燃燒模式。2005年，歐洲新開(kāi)發(fā)并上市的7款轎車汽油機(jī)中有4款是gdi，日本新開(kāi)發(fā)并上市的8款轎車汽油機(jī)有2款是gdi，這6款gdi全部采用均質(zhì)當(dāng)量燃燒方式。而對(duì)于分層稀燃的gdi，從2006年起，主要依靠適當(dāng)噴霧特性的分層燃燒系統(tǒng)也開(kāi)始投放市場(chǎng)，并被公認(rèn)為是性能最好的分層燃燒系統(tǒng)。而上面所列舉的寶馬公司最近推出的發(fā)動(dòng)機(jī)就是采用了適當(dāng)噴霧特性的分層燃燒系統(tǒng)，也就是后面所說(shuō)的噴霧誘導(dǎo)方式的燃燒系統(tǒng)。為了研究直噴汽油機(jī)缸內(nèi)噴霧及混合氣的形成，研究者們做了很多試驗(yàn)和分析工作：在

10、定容彈或光學(xué)發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)利用激光多普勒方法測(cè)量噴霧液滴的速度和直徑；用高速數(shù)字照相機(jī)攝下噴霧的形狀；利用激光誘導(dǎo)熒光法測(cè)量燃油的霧化等等。由于缸內(nèi)直噴汽油機(jī)噴油器的多樣性及發(fā)展時(shí)間不長(zhǎng)，商業(yè)軟件中目前還沒(méi)有現(xiàn)成的缸內(nèi)直噴汽油機(jī)噴霧的計(jì)算模型。用計(jì)算流體力學(xué)方法直接模擬噴油器內(nèi)的燃油流動(dòng)及將噴油器出口的燃油液柱分解為大的液滴計(jì)算代價(jià)太大，現(xiàn)在比較多的做法是在定容彈或光學(xué)發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)測(cè)量噴霧的特性，然后用單缸機(jī)驗(yàn)證發(fā)動(dòng)機(jī)的性能或用cfd標(biāo)定好模型后再計(jì)算缸內(nèi)的混合及燃燒。隨著國(guó)際原油價(jià)格的攀升以及國(guó)內(nèi)外節(jié)能減排呼聲的日益高漲,代用燃料的推廣和普及對(duì)緩解我國(guó)石油資源不足具有重要意義。醇類燃料作為最有前途的汽

11、車發(fā)動(dòng)機(jī)代用燃料已經(jīng)越來(lái)越引起國(guó)內(nèi)外科研機(jī)構(gòu)和政府部門的重視。醇類燃料與汽油相比具有更高的辛烷值、 更寬泛的著火范圍、 更高的火焰?zhèn)鞑ニ俣纫约案叩钠瘽摕嶂怠⒋碱惾剂匣蛘哂痛蓟旌先剂蠎?yīng)用在發(fā)動(dòng)機(jī)( 進(jìn)氣道噴射和缸內(nèi)直噴)上, 對(duì)減少 co2 以及其他燃燒排放物有一定的作用。影響噴霧霧化效果的因素主要有三方面: 外界控制條件、 燃油物性以及噴油器結(jié)構(gòu)。目前, 對(duì)于醇類代用燃料發(fā)動(dòng)機(jī),研究的重點(diǎn)主要集中在解決冷起動(dòng)、 燃料腐蝕性等問(wèn)題,而并沒(méi)有重點(diǎn)考慮燃料物理化學(xué)屬性的變化對(duì)噴霧及燃燒過(guò)程的影響。大部分的代用燃料發(fā)動(dòng)機(jī)都只是采用原來(lái)的、 適用于汽油燃料的噴霧燃燒系統(tǒng), 這樣勢(shì)必影響代用燃料發(fā)動(dòng)

12、機(jī)的性能。而部分針對(duì)代用燃料發(fā)動(dòng)機(jī)噴霧與燃燒系統(tǒng)的研究也只限于通過(guò)優(yōu)化燃燒室的結(jié)構(gòu)使其適應(yīng)噴霧以提高燃燒的質(zhì)量, 這是被動(dòng)的,沒(méi)有考慮從控制燃燒過(guò)程的源頭( 噴霧霧化)來(lái)解決問(wèn)題。相對(duì)于高壓直噴系統(tǒng), 低壓直噴系統(tǒng)擁有低成本、 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單等優(yōu)勢(shì),而當(dāng)油醇混合燃料用于低壓直噴系統(tǒng)時(shí)噴霧霧化效果會(huì)降低, 這時(shí)就需要優(yōu)化噴嘴結(jié)構(gòu)以削弱低噴射壓力對(duì)霧化效果的負(fù)面作用。 本研究通過(guò)對(duì)乙醇汽油物性的測(cè)量、 計(jì)算及在高壓定容容器中乙醇汽油的噴霧特性閃光燈測(cè)試試驗(yàn),研究乙醇汽油物性與噴霧特性的關(guān)系,并利用計(jì)算機(jī)仿真來(lái)探索噴嘴內(nèi)部結(jié)構(gòu)對(duì)霧化效果的影響,為乙醇汽油在直噴發(fā)動(dòng)機(jī)尤其是低壓直噴發(fā)動(dòng)機(jī)上的應(yīng)用提供基礎(chǔ)

13、研究。1.2研究現(xiàn)狀液體的噴霧與霧化過(guò)程在國(guó)民經(jīng)濟(jì)許多部門都有著廣泛的應(yīng)用，加之其重要的理論和學(xué)術(shù)意義，國(guó)內(nèi)外對(duì)該領(lǐng)域的研究都十分重視。國(guó)際上也專門成立了液體霧化與噴霧系統(tǒng)學(xué)會(huì)（ilass：institute for liquid atomization &spray systems）定期召開(kāi)國(guó)際會(huì)議討論各種液體噴射霧化問(wèn)題。以致噴霧與霧化近年已逐漸形成了流體力學(xué)加工程熱物理的一個(gè)新的分支。對(duì)噴霧的研究主要集中在實(shí)驗(yàn)測(cè)試法和數(shù)值計(jì)算仿真法上。利用實(shí)驗(yàn)，可以用同步閃光照相法、高速攝影法和高速攝像法測(cè)量噴霧錐角和噴霧貫穿度及油束的空間形態(tài)；可以用激光法、熱線法、導(dǎo)線法、液滴固化法、攝影法等測(cè)量液滴

14、尺寸和速度。其中運(yùn)用較多的是激光法，包括：激光全息攝影法、干涉條紋光普法、散射光強(qiáng)比法、多元散射光法和馬爾文法等。燃油噴射后要經(jīng)歷油滴破碎、油滴碰撞和聚合、油束撞壁、燃油多組分蒸發(fā)等，而以上過(guò)程的發(fā)生的時(shí)間和空間尺度非常小，往往小于計(jì)算機(jī)所能劃分的最小網(wǎng)格，因此對(duì)噴霧過(guò)程的數(shù)值模擬是一個(gè)極其困難的課題。國(guó)內(nèi)外大量科研工作者通入了大量的時(shí)間和精力在上面。los alamos 實(shí)驗(yàn)室和英國(guó)帝國(guó)理工學(xué)院在 1980 年發(fā)展了離散液滴模型（ddm）。ranz研究了氣體密度對(duì)射流分裂的影響并提出液滴尺寸取決于最不穩(wěn)定波的波長(zhǎng)。林松飄提出氣動(dòng)力干擾理論在假定射流表面所受擾動(dòng)在各處以相同速度增長(zhǎng)存在缺陷。史

15、紹熙、李理光、成曉北和黃榮華等人對(duì)噴霧滴徑分布和霧化過(guò)程進(jìn)行了深入的研究。史春濤用 ldv 測(cè)定了高壓下柴油噴霧的速度場(chǎng)。許振忠用類似的方法測(cè)量了噴霧碰壁前后粒子的速度。隨著 cfd 計(jì)算方法的成熟，國(guó)外一些研究人員在計(jì)算模型和數(shù)值計(jì)算方面進(jìn)行了大量的研究工作，并取得了極大成功，已經(jīng)開(kāi)發(fā)出了一系列具有氣體流動(dòng)計(jì)算、缸內(nèi)燃油噴霧、燃燒等方面功能的商業(yè)軟件，例如日本西迪阿特公司的 star-cd 軟件、avl 公司的 fire 軟件、kiva 軟件和 ricardo 公司的 vectis 軟件等。其中star-cd 軟件件具備湍流模型( k-模型、rsm 模型)、噴霧燃燒模型(油滴爆裂模型、油霧蒸

16、發(fā)模型、壁膜模型、污染物生成模型等)以及燃燒等涉及的各種計(jì)算模型。其自帶的網(wǎng)格處理工具 es-ice 可以處理結(jié)構(gòu)化移動(dòng)網(wǎng)格，能模擬發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣噴霧燃燒的多個(gè)過(guò)程。本課題就是利用大型 cfd 模擬仿真軟件 star-cd 對(duì)內(nèi)燃機(jī)流礎(chǔ)場(chǎng)及缸內(nèi)流動(dòng)及燃油噴射進(jìn)行數(shù)值模擬研究。本文的燃燒始點(diǎn)定義為已燃燃油質(zhì)量分?jǐn)?shù)從負(fù)值變?yōu)檎?取燃燒 0. 1 %燃油)時(shí)所在曲軸轉(zhuǎn)角 ,燃燒終點(diǎn)定義為燃燒 90 %燃油質(zhì)量對(duì)應(yīng)的曲軸轉(zhuǎn)角 ,滯燃期定義為從點(diǎn)火開(kāi)始至燃燒始點(diǎn)的曲軸轉(zhuǎn)角 ,燃燒持續(xù)期為燃燒始點(diǎn)至燃燒終點(diǎn)曲軸轉(zhuǎn)角 ,火焰發(fā)展角定義為從點(diǎn)火開(kāi)始至燃燒 10 %燃油質(zhì)量對(duì)應(yīng)的曲軸轉(zhuǎn)角。定容燃燒彈( 容彈)主要

17、模擬活塞在上止點(diǎn)附近發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒狀況, 具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、 易于研究單一湍流參數(shù)的變化對(duì)燃燒過(guò)程的影響等優(yōu)點(diǎn), 因而被廣泛運(yùn)用于內(nèi)燃機(jī)燃燒研究。 實(shí)驗(yàn)時(shí)可根據(jù)研究的需要, 在容彈內(nèi)生成具有不同湍流特性的湍流場(chǎng)。本文采用傳統(tǒng)集平均和循環(huán)分辨分析兩種方法,對(duì)結(jié)果進(jìn)行分析比較,以便進(jìn)一步了解集平均脈動(dòng)、 平均速度的循環(huán)變動(dòng)和湍流脈動(dòng)的各自特征尺度以及它們之間的相互關(guān)系,為深入研究特定湍流參數(shù)對(duì)燃燒的影響做好準(zhǔn)備。1.3本文主要研究的內(nèi)容根據(jù)研究的任務(wù)和本文的選題，廣泛閱讀了一批國(guó)內(nèi)外相關(guān)的研究文獻(xiàn)，明確了國(guó)內(nèi)外在缸內(nèi)流動(dòng)和燃油噴霧領(lǐng)域內(nèi)所展開(kāi)的研究工作、已取得的研究成果、存在的問(wèn)題和不足等，為確定本文的

18、主攻方向和研究?jī)?nèi)容奠定了基礎(chǔ)。據(jù)此本文擬在下面的幾個(gè)方面展開(kāi)研究：1.使用avl fire軟件對(duì)某定容彈進(jìn)行三維瞬態(tài)數(shù)值模擬，進(jìn)行物理建模。2.運(yùn)用avl fire進(jìn)行仿真計(jì)算，與對(duì)應(yīng)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比驗(yàn)證。3.研究了噴油壓力，環(huán)境壓力及溫度對(duì)噴霧特性的影響。2.霧化機(jī)理及模擬計(jì)算2.1霧化機(jī)理噴射霧化過(guò)程可以分為初次霧化和二次霧化兩個(gè)過(guò)程。液體射流噴入氣體介質(zhì)后，在氣動(dòng)力，粘性力和表面張力等力的相互作用下回形成液膜和大量的大直徑液滴，這一過(guò)程成為初次霧化。但是，這一過(guò)程是不穩(wěn)定的，液膜和大直徑液滴會(huì)進(jìn)一步破碎，形成大量的細(xì)小液滴，成為二次霧化。同時(shí)，初次霧化后形成的液滴除了發(fā)生二次霧化外，還

19、會(huì)經(jīng)歷碰撞聚合，湍流擴(kuò)散，蒸發(fā)等過(guò)程或者還發(fā)生噴霧碰壁，從而逐步與空氣混合。2.1.1初次霧化過(guò)程ohneorge 提出應(yīng)用歐尼索數(shù)z和雷諾數(shù)re來(lái)定量地描述射流的分裂過(guò)程。 (2.1) (2.2) (2.3)式中， u射流的速度； 氣液交界面處的表面張力； 液體的密度； 液體的動(dòng)力粘度； 噴孔的直徑。 根據(jù)液體的歐尼索數(shù)z和雷諾數(shù)re的不同，可將射流分裂為四種破碎形態(tài)。 1)瑞利型分裂 分裂發(fā)生在射流下游距噴口相當(dāng)遠(yuǎn)處，形成直徑大于射流直徑的液滴。這種分裂是由于射流也面出現(xiàn)的軸對(duì)稱振蕩波在表面張力作用下增長(zhǎng)而引起的。 2)第一類風(fēng)生分裂 分裂發(fā)生在射流下游相當(dāng)遠(yuǎn)處，液滴直徑與射流直徑為同一量

20、級(jí)。其分裂原因是射流與周圍氣體的相對(duì)運(yùn)動(dòng)增強(qiáng)了表面張力的作用，而表面曲率的變化又使得內(nèi)部產(chǎn)生不均勻的靜壓力分布，壓力梯度使液體流向曲率大處，從而加速了液柱的分裂。此時(shí)表面張力起著不穩(wěn)定的作用，促進(jìn)分裂。 3)第二類風(fēng)生分裂 分裂發(fā)生在距噴口一定距離處，形成的液滴平均直徑遠(yuǎn)小于射流直徑。分裂原因是小波長(zhǎng)擾動(dòng)波得不穩(wěn)定增長(zhǎng)。該類型小波長(zhǎng)擾動(dòng)波也是由于射流與周圍氣體介質(zhì)間的相對(duì)風(fēng)所引起的。此時(shí)的表面張力卻抑制小擾動(dòng)波的增長(zhǎng)。 4)霧化液體一離開(kāi)噴口，在射流下游很微小一段距離處，射流表面就立即發(fā)生分裂，形成大量細(xì)微液滴，其平均液滴直徑遠(yuǎn)小于射流直徑。此種分裂方式是內(nèi)燃機(jī)噴射霧化研究的主要對(duì)象。對(duì)于從r

21、ayleigh區(qū)域過(guò)渡到空氣動(dòng)力模式作用區(qū)域，可以予以分區(qū)。從空氣動(dòng)力模式作用區(qū)域過(guò)渡到霧化模式加以標(biāo)識(shí)。2.1.2二次霧化過(guò)程離開(kāi)射流或液膜的液滴，同樣會(huì)由于高的氣液相對(duì)速度而受到空氣動(dòng)力的作用，液滴在表面非均勻分布的壓力擾動(dòng)下發(fā)生變形，當(dāng)這個(gè)作用力大到足以克服液滴表面張力的恢復(fù)力時(shí)，液滴就會(huì)分裂成更小的液滴。定義液滴破碎的一個(gè)有效指標(biāo)是氣體weber數(shù)： (2.4) 式中， 氣體的密度； 液滴與氣體間的相對(duì)速度； d液滴的直徑； 液滴的表面張力。根據(jù)數(shù)的不同，液滴表現(xiàn)出不同的破碎模式。在數(shù)較低時(shí)液滴發(fā)生啞鈴式振動(dòng)，并發(fā)展到破碎成兩個(gè)較小的液滴；當(dāng)數(shù)值增加是，袋形破碎發(fā)生，液滴變形成四周為液

22、體圓環(huán)，中間為薄膜的空心袋囊形狀；當(dāng)變形足夠大時(shí)，袋囊，隨后液體圓環(huán)破碎成許多細(xì)小液滴；再繼續(xù)增加數(shù)時(shí)，便產(chǎn)生袋形破碎的一種變形，叫做傘形破碎，它與袋形破碎的主要差別為在破裂之前形成一個(gè)中心桿；當(dāng)數(shù)繼續(xù)增加超過(guò)100時(shí)，形成剪切形破碎，這是破碎由氣流對(duì)液滴的剝離控制，在液滴周圍及其尾部形成許多細(xì)微的霧狀液滴；當(dāng)數(shù)大約超過(guò)350時(shí)，在液滴迎風(fēng)面上的表面波迅速增長(zhǎng)，在液滴發(fā)生明顯變形或剝離之前就會(huì)突然破碎，稱為爆炸式破碎。2.2噴霧特性2.2.1噴霧的宏觀特性宏觀特性主要是指噴霧的幾何輪廓形狀及其在空間的發(fā)展情況，是描述噴霧特性最基本最直觀的參數(shù)，直接影響到噴油系統(tǒng)和燃燒室的匹配設(shè)計(jì)。宏觀特性主要

23、由貫穿距離s和噴霧錐角等集合參數(shù)來(lái)衡量。其中，貫穿距離s是噴霧體在完全蒸發(fā)前所能達(dá)到的最遠(yuǎn)距離，在燃燒室內(nèi)決定噴霧是否發(fā)生碰壁行為:噴霧錐角則反映了燃油在徑向上的分布情況。這兩個(gè)參數(shù)均與噴射壓力，噴孔幾何參數(shù)，燃油及介質(zhì)氣體性質(zhì)有關(guān)。在下圖中角度稱作初始噴霧錐角，是燃油離開(kāi)噴嘴出口時(shí)所成角度，此時(shí)并未考慮液滴與空氣之間的相互作用。圖2.1高壓旋流噴霧結(jié)構(gòu)示意圖2.2.2噴霧的微觀特性微觀特性主要是指噴霧的內(nèi)部結(jié)構(gòu)及分布情況，主要包括霧化粒度，液滴尺寸分布等。1)燃油霧化后所產(chǎn)生的油滴大小是評(píng)定霧化質(zhì)量的一個(gè)重要指標(biāo)，這一指標(biāo)稱為霧化粒度。在噴霧場(chǎng)中，液滴的大小是不均勻的，最大的與最小的可能相差

24、50-100倍，因此只能用平均直徑來(lái)表示霧化粒度。通常采用兩種方法表示液滴的平均直徑：a.質(zhì)量中間直徑法所謂質(zhì)量中間直徑是一個(gè)假設(shè)的直徑，大于這一直徑的所有液滴的總質(zhì)量正好等于小于這一直徑的液滴的總質(zhì)量，即= （2.5）很顯然，質(zhì)量中間直徑越小，霧化粒度越小，霧化質(zhì)量越好。b.索特平均直徑它是將不同直徑的液滴組成的噴霧假象成由單一直徑即索特平均直徑的液滴組成，而液滴的總表面積和總體積保持與實(shí)際噴霧相同，即 （2.6） （2.7） （2.8）式中，n噴霧場(chǎng)中液滴的總數(shù)目；直徑為的液滴的數(shù)目。從式中可以看出，索特平均直徑越小，則液滴的表面積越大，這對(duì)于液體燃料的蒸發(fā)汽化是有利的。2）液滴尺寸分布液

25、體經(jīng)過(guò)霧化后產(chǎn)生的液滴使不均勻的，因此僅使用液滴的平均直徑來(lái)評(píng)價(jià)霧化質(zhì)量是不夠全面的。比較完善的表達(dá)方法，應(yīng)該既能表示出液滴直徑的大小，又可以表示出不同直徑液滴的數(shù)量和質(zhì)量，可惜至今還沒(méi)有從理論上得到液滴尺寸分布表達(dá)式。目前，所采用的液滴分布表達(dá)式均屬于經(jīng)驗(yàn)公式，其中最為常用的有以下兩個(gè)：a.分布： （2.9）式中，d液滴的直徑；尺寸常數(shù)，等于/3；v(d)液滴的體積積分分布，表示直徑小于d的液滴占噴霧液滴總體積的百分?jǐn)?shù)。b.rosin-rammler分布：v(d)= （2.10）式中，d液滴的直徑；尺寸常數(shù)，等于/3；q均勻分布指數(shù)，其值越大，液滴尺寸分布越均勻；v(d) 液滴的體積積分分布

26、，表示直徑小于d的液滴占噴霧液滴總體積百分?jǐn)?shù)。2.3噴霧過(guò)程中的其他現(xiàn)象2.3.1液滴的蒸發(fā)噴霧過(guò)程形成的液滴在運(yùn)動(dòng)的過(guò)程中，通過(guò)與周圍環(huán)境氣體交換能量，使其溫度升高，從而在液滴表面發(fā)生汽化，形成蒸汽?？梢?jiàn)，液滴的蒸發(fā)是一個(gè)同事伴隨著傳熱和傳質(zhì)的過(guò)程。該過(guò)程是內(nèi)燃機(jī)混合氣形成的一個(gè)重要環(huán)節(jié)?？梢?jiàn)，液滴的蒸發(fā)是一個(gè)同事伴隨著傳熱和傳質(zhì)的過(guò)程。該過(guò)程是內(nèi)燃機(jī)混合器形成的一個(gè)重要環(huán)節(jié)，因?yàn)樗苯佑绊懙交旌掀鞯臐舛确植?，從而影響到發(fā)動(dòng)機(jī)的著火滯燃期，燃燒率乃至排放特性。2.3.2液滴的碰撞/聚合噴霧越稠密，液滴碰撞的幾率就越大。碰撞若導(dǎo)致破碎，就會(huì)伴隨許多小液滴生成，增強(qiáng)霧化作用；反之，碰撞若導(dǎo)致聚合

27、則降低霧化作用。但不管如何，都會(huì)改變液滴粒徑分布，因而碰撞對(duì)噴霧的微觀特性有重要影響。根據(jù)近年來(lái)關(guān)于液滴碰撞試驗(yàn)和直接數(shù)值模擬的研究結(jié)果，液滴碰撞后發(fā)生的現(xiàn)象可以分為四種類型：反彈；聚合；反射分離；摩擦分離。見(jiàn)下圖： 圖2.2 液滴碰撞的類型 在聚合液滴分離的過(guò)程中，在兩分離液滴之間一般伴隨有拉絲現(xiàn)象，在相對(duì)速度較高時(shí)，拉絲將分裂為許多細(xì)小的衛(wèi)星液滴，即所謂碰撞破碎現(xiàn)象，如上圖(e)所示。2.3.3液滴的湍流擴(kuò)散氣相湍流渦團(tuán)的無(wú)規(guī)則運(yùn)動(dòng)必然使液滴在其運(yùn)動(dòng)過(guò)程中不斷受到一種隨機(jī)的干擾力。液滴愈小，這種隨機(jī)干擾運(yùn)動(dòng)愈明顯，因而液滴的運(yùn)動(dòng)軌道并非光滑的曲線，二是充滿曲折和脈動(dòng)的不光滑曲線。由湍流脈動(dòng)

28、作用而在運(yùn)動(dòng)液滴上增加的這種附加運(yùn)動(dòng)就是液滴的湍流擴(kuò)散，如下圖所示。 圖2.3液滴的湍流擴(kuò)散示意圖 一般認(rèn)為湍流的作用只取決于液滴在湍流渦團(tuán)內(nèi)的滯留時(shí)間和湍流渦團(tuán)的脈動(dòng)時(shí)間，實(shí)際上，還取決于液滴直徑與湍流渦團(tuán)尺寸之比，液滴與湍流速度之比，液滴分布密度等因素。2.3.4液滴的碰壁由于燃燒室空間的限制，噴霧與壁面發(fā)生碰撞是常見(jiàn)的現(xiàn)象。與自由噴霧相比較，其運(yùn)動(dòng)特性，濃度分布都有很大的不同，特別是在近壁面區(qū)域。這是因?yàn)閲婌F液滴碰壁后，可能出現(xiàn)集中不同的形態(tài)變化，如粘附，反彈，鋪展，飛濺。如下圖所示。 粘附 反彈 鋪展 飛濺 圖2.4液滴碰壁后的形態(tài)變化 本章詳細(xì)闡述了燃油噴霧初次霧化過(guò)程和二次霧化過(guò)程

29、的主要機(jī)理，并且對(duì)評(píng)價(jià)噴霧特性的一些重要指標(biāo)如貫穿距離，噴霧錐角和索特平均直徑進(jìn)行了充分的論述。此外，還對(duì)噴霧過(guò)程中伴隨的液滴蒸發(fā)和湍流擴(kuò)散等物理現(xiàn)象進(jìn)行了介紹。2.4cfd模擬仿真軟件隨著cfd技術(shù)的日趨成熟，著名的商業(yè)cfd軟件如fluent,cfx,star-cd,fire等在熱能，航空航天，化工等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。這些軟件具有以下特點(diǎn)：（1）功能比較全面，適用性搶，幾乎可以求解工程界中的各種復(fù)雜問(wèn)題。（2）具有比較易用的前后處理系統(tǒng)和與其他cad及cfd軟件的接口能力，便于用戶快速完成造型，網(wǎng)絡(luò)劃分等工作。（3）具有比較完備的容錯(cuò)機(jī)制和操作界面，穩(wěn)定性高。（4）可在多種計(jì)算機(jī)，多種

30、操作系統(tǒng)，包括并行環(huán)境運(yùn)行。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展，這些商用軟件在工程界正在發(fā)揮著越來(lái)越大的作用。本文使用的fire軟件是由奧地利avl公司開(kāi)發(fā)的用于模擬內(nèi)燃機(jī)流動(dòng)、噴霧、燃燒過(guò)程的cfd軟件。它由前處理，求解器和后處理三部分組成，擁有網(wǎng)格和動(dòng)網(wǎng)格生成能力，包含了全自動(dòng)，半自動(dòng)以及手動(dòng)網(wǎng)格生成功能，能夠?qū)M(jìn)氣道等的復(fù)雜結(jié)構(gòu)輕松實(shí)現(xiàn)快速優(yōu)質(zhì)的網(wǎng)格劃分。同時(shí)，fire包含了豐富的湍流，燃燒和排放預(yù)測(cè)模型，湍流模型有k-湍流模型，rsm模型和avl-htm模型等，燃燒模型有ebu模型，小火焰模型，pdf模型，擬序模型和特征時(shí)間尺度模型。排放模型包含了zeldovich no預(yù)測(cè)模型、kennedy

31、-hiroyasu-magnussen碳煙模型、kennedy-hiroyasu-magnussen-rad 碳煙模型以及高級(jí)碳煙模型。同時(shí)fire還有預(yù)留給用戶自定義模型。用戶可以非常方便的根據(jù)不同的求解對(duì)象和環(huán)境選擇各類不同的計(jì)算模型，以實(shí)現(xiàn)模擬計(jì)算與實(shí)際情況的一致性。 3定容彈噴霧仿真計(jì)算及分析 根據(jù)上文的描述，通過(guò)fire軟件對(duì)噴霧進(jìn)行仿真計(jì)算，并通過(guò)計(jì)算結(jié)果分析定容彈內(nèi)汽油摻混酒精燃料的噴霧特性。3.1參數(shù)設(shè)定由于實(shí)驗(yàn)硬件條件所限，因此下表中數(shù)據(jù)皆來(lái)源于書籍，根據(jù)此數(shù)據(jù)用fire軟件進(jìn)行運(yùn)算，計(jì)算分析燃料的噴霧特性。表3.1參數(shù)數(shù)據(jù)表燃料90%酒精+10%汽油噴嘴數(shù)6噴嘴0.23mm

32、外半錐角10deg噴油定時(shí)0-1.5ms噴油質(zhì)量3.3mg燃料溫度293.15k蒸發(fā)模型dukowicz破碎模型wave3.2酒精摻混汽油燃料的噴霧3.2.1噴霧云圖下面兩個(gè)圖，分別從y向和單獨(dú)某一截面兩個(gè)視角進(jìn)行截圖。 圖3.1噴霧云圖（a） 圖3.2噴霧云圖（b） 3.2.2噴嘴噴霧的切面圖 圖3.3液滴噴霧圖(a) 圖3.4液滴噴霧圖（b）說(shuō)明：圖3.3（a）y向切面，小液滴未完全霧化；圖3.3（b）單獨(dú)某一切面，小液滴未完全霧化。3.3溫度對(duì)噴霧貫穿距的影響 圖3.5液滴和噴霧貫穿距說(shuō)明:圖3.5在25-1bar-10bar條件下，液滴和噴霧的貫穿距。 圖3.6液滴和噴霧貫穿距說(shuō)明：圖

33、3.6在100-1bar-10bar條件下，液滴和噴霧的貫穿距。 圖3.7液滴和噴霧貫穿距說(shuō)明：圖3.7在150-1bar-10bar條件下，液滴和噴霧的貫穿距。圖3.8液滴和噴霧貫穿距說(shuō)明：圖3.8在200-1bar-10bar條件下，液滴和噴霧的貫穿距。上面四組圖片是用fire計(jì)算的結(jié)果，圖中分別表示的是液滴和噴霧的貫穿距。其中每條線代表一個(gè)噴嘴曲線，實(shí)現(xiàn)是計(jì)算的結(jié)果，虛線是實(shí)驗(yàn)的結(jié)果（實(shí)驗(yàn)結(jié)果均為參考文獻(xiàn)內(nèi)容）。由上面四組圖片可以看到，幾條曲線合為一條曲線，說(shuō)明計(jì)算結(jié)果和實(shí)驗(yàn)結(jié)果大致上時(shí)一致的。（相同噴油壓力，相同缸內(nèi)壓力，不同溫度對(duì)噴霧貫穿距的影響。）3.4環(huán)境壓力對(duì)噴霧貫穿距的影響圖

34、3.9液滴和噴霧貫穿距說(shuō)明:圖3.9在25-1bar-10bar條件下，液滴和噴霧的貫穿距。 圖3.10液滴和噴霧貫穿距說(shuō)明：圖3.10在25-3bar-10bar條件下，液滴和噴霧的貫穿距。上面兩組圖片是用fire計(jì)算的結(jié)果，圖中分別表示的是液滴和噴霧的貫穿距。其中每條線代表一個(gè)噴嘴曲線，實(shí)現(xiàn)是計(jì)算的結(jié)果，虛線是實(shí)驗(yàn)的結(jié)果（實(shí)驗(yàn)結(jié)果均為參考文獻(xiàn)內(nèi)容）。由上面兩組圖片可以看到，幾條曲線合為一條曲線，說(shuō)明計(jì)算結(jié)果和實(shí)驗(yàn)結(jié)果大致上時(shí)一致的。從上圖可以看出，隨著環(huán)境壓力的升高，噴霧貫穿距離減小。在噴射壓力不變的情況下，環(huán)境壓力的升高，一方面導(dǎo)致噴孔兩端的壓力差減小，引起噴霧液滴的初始速度減??；另一方

35、面引起環(huán)境氣體介質(zhì)的密度增大，噴霧液滴與氣體介質(zhì)間動(dòng)量交換增加，造成噴霧的動(dòng)能損失增加，迎風(fēng)阻力增大，液滴運(yùn)動(dòng)的速度進(jìn)一步減小，從而導(dǎo)致貫穿距離的減小。同時(shí)從參考文獻(xiàn)中了解，環(huán)境壓力會(huì)對(duì)噴霧油束形狀產(chǎn)生很大的影響：當(dāng)環(huán)境壓力較低時(shí)，噴霧基本呈中空?qǐng)A錐形結(jié)構(gòu)，油束分布寬廣且噴霧錐角比較大；而當(dāng)環(huán)境壓力較高時(shí)，整個(gè)噴霧油束呈現(xiàn)出實(shí)心圓錐形結(jié)構(gòu)，噴霧在空間分布逐漸收縮，油束分布緊密，噴霧錐角明顯減小。3.5噴油壓力對(duì)噴霧貫穿距的影響 同上面兩類分析一樣，討論噴油壓力對(duì)噴霧貫穿距的影響，必須在保證其他兩個(gè)條件不變的情況下，才能得出準(zhǔn)確的結(jié)果。圖3.11液滴和噴霧貫穿距說(shuō)明：圖3.11在25-3bar-

36、10bar條件下，液滴和噴霧的貫穿距。 圖3.12液滴和噴霧貫穿距說(shuō)明：圖3.12在25-3bar-10bar條件下，液滴和噴霧的貫穿距。上面兩組圖片是用fire計(jì)算的結(jié)果，圖中分別表示的是液滴和噴霧的貫穿距。其中每條線代表一個(gè)噴嘴曲線，實(shí)現(xiàn)是計(jì)算的結(jié)果，虛線是實(shí)驗(yàn)的結(jié)果（實(shí)驗(yàn)結(jié)果均為參考文獻(xiàn)內(nèi)容）。由上面兩組圖片可以看到，幾條曲線合為一條曲線，說(shuō)明計(jì)算結(jié)果和實(shí)驗(yàn)結(jié)果大致上時(shí)一致的。貫穿距離隨著燃油噴射壓力的提高而增大，這是因?yàn)槿加碗x開(kāi)噴孔時(shí)的速度與噴孔兩端壓差的平方根成正比，保持燃燒室壓力不變，提高燃油噴射壓力意味著增大了噴孔兩端的壓差，從而增大了噴霧液滴的速度，貫穿距離因此而增大。噴霧錐角

37、隨噴射壓力的提高有所增大，但其變化遠(yuǎn)不如貫穿距離那么明顯。從參考文獻(xiàn)?？梢郧逦乜吹絿婌F油束的兩側(cè)邊緣存在兩個(gè)相對(duì)旋轉(zhuǎn)的渦流結(jié)構(gòu)，形成空氣卷吸。隨著噴射壓力的升高，噴霧場(chǎng)中液滴的速度逐漸增大，加強(qiáng)了與周圍空氣之間的動(dòng)量交換，使得空氣的運(yùn)動(dòng)速度增大，并且渦流的范圍也越來(lái)越大，加快了燃油和空氣的混合。因此，提高噴射壓力對(duì)混合氣的形成是有利的。 4結(jié)論本研究通過(guò)對(duì)乙醇汽油的物性測(cè)量、 計(jì)算及噴霧特性測(cè)試試驗(yàn)和 cfd 仿真,研究了在不同條件下乙醇汽油的噴霧特性，本文針對(duì)噴霧特性的一個(gè)重要性質(zhì)-貫穿距做了大量的分析與計(jì)算，并得到了一下結(jié)論：1. 注入壓力越大，貫穿距離越大。2. 參考文獻(xiàn) 1 macl