环境气体对氢气喷射与卷吸特性的影响

基于RANS方法对氢气在氩气和氮气氛围下的高压喷射过程进行仿真,研究了压力、温度和激波对氢气射流喷射和卷吸特性的影响.研究表明:射流贯穿距由于马赫盘的存在而呈现三阶段变化.在不同喷射压力下,射流前期卷吸能力随着喷嘴压力比(NPR)的增加而增大,而后期呈现相反趋势.在相同密度下,激波影响射流前期卷吸效果,但随着射流发展效果逐渐减弱.温度升高,氢气射流的贯穿距明显增大,但射流卷吸能力也显著降低.此外,氢气射流在氮气氛围下的卷吸环境气体物质的量和卷吸能力均强于氩气氛围.     

甲烷高压射流动量特征

以甲烷为研究气体,采用测量板、弹簧一阶振动系统来测量高压甲烷在圆柱形单孔喷嘴的射流特性,开展了不同喷射脉宽、不同喷射压力和沿射流方向、不同位置的高压甲烷气体射流动量测量试验.结果表明:高压甲烷射流冲击测量板是非定常动态过程,测量板最大位移量与喷射脉宽、喷射压力以及沿射流方向测量板的位置有关.高压甲烷射流冲击最大动量沿射流方向发生变化,可分为初始区域和主体区域.初始区域:甲烷射流冲击最大动量先急剧减小后逐渐增加,且初始区域的长度与喷射压力存在对数关系.主体区域:甲烷射流冲击最大动量基本保持不变,随着喷射压力的升高,主体区域射流冲击最大动量线性增加.     

缸内直喷天然气射流混合过程的数值模拟

采用数值模拟的方法,研究了天然气缸内直喷自由射流、撞壁射流以及涡旋结构在直口、缩口和敞口3种燃烧室形状中的形成过程,并在此基础上设计了适用天然气缸内直喷混合气形成的新型燃烧室.结果表明:采用较小的喷射夹角可以改善射流撞壁过程,提高混合气形成质量;喷射夹角为80°时,缩口燃烧室中,附壁射流脱壁后涡旋结构中燃料不易扩散,天然气混合速度较低,直口燃烧室和敞口燃烧室天然气混合速度接近.3种燃烧室形状中天然气射流混合过程会经历3个重要转折点:自由射流撞壁、附壁射流脱壁以及涡旋结构生长和扭曲阶段,其中在涡旋结构生长和扭曲阶段气体燃料与空气快速混合.最后,根据天然气射流在缸内混合过程设计出脱壁型燃烧室(SACC),大大增加形成可燃混合气的燃料比例,并能提高混合气的均匀度.     

基于三维PDPA的旋流式GDI喷油器喷雾特性

搭建了一套基于三维相位多普勒测试技术(PDPA)的开放式喷雾试验台,对旋流式汽油缸内直喷(GDI)喷油器的喷雾特性进行了研究.对不同时刻横、纵两个截面上喷雾的流动状态和粒径分布进行了耦合分析.结果表明:在喷雾充分发展阶段,喷雾内部近喷嘴区域发生空气卷吸,粒径较小的油滴以20,m/s左右的速度朝喷嘴运动;受空气卷吸的影响,喷雾方向在距喷嘴为10,mm附近发生明显偏转,下游的喷雾锥角减小.喷雾充分发展阶段,在距喷嘴为10,mm的横截面上半径r=2,mm附近,油滴以较低的速度沿法向向外运动;随着半径增大,油滴运动方向逐渐转变为切向.喷雾轴线附近索特平均粒径(SMD)较低,为10~15,μm,随着测量点向外移动,SMD呈现先增大后减小的趋势,最大值约为25,μm.     

天然气发动机供气方式及其特点分析

对天然气发动机的供气系统进行研究。阐述供气系统可分缸外喷射和缸内直喷两种,缸外喷射又可细分为进气道混合器供气和缸外进气门处喷射供气;缸内直喷又可细分为气体燃料缸内直接低压喷射、电热塞助燃缸内高压直接喷射、油气共用泵喷嘴缸内高压直接喷射。介绍了各种供给系统的结构和工作原理,在充气效率以及动力性和排放方面对各种方式的优劣进行了比较分析,提出今后的研究方向。     

天然气发动机燃气射流特性的可视化

基于纹影法,对不同孔径的单孔喷嘴在多种气源压力和背压条件下的高压燃气射流宏观结构特性进行研究.结果表明:即使在很小的压力差条件下,喷孔出口处仍然会形成不充分膨胀气体射流,而气体在出口处的膨胀、加速过程和诱导激波是区别于液体喷雾的主要特征.背压变化对气源与背压比的影响明显,其对射流贯穿距及锥角的影响要大于气源压力和孔径带来的影响.虽然甲烷和氮气的密度差别较大,但在相同条件下贯穿距结果无明显区别,壅塞现象对高压燃气喷射具有重要影响.由此,初步提出了针对高压燃气喷射的射流贯穿距经验公式.喷孔出口处的膨胀过程使燃气射流的近场锥角要明显大于远场锥角,同时使气体速度达到超声速,但对射流前锋面速度无明显影响,在喷射时间T_(ASOI)=1,ms之后,前锋面速度便降低到了50,m/s以下.在低背压条件下,燃气射流表现出较强的空间拓展和分布能力,但随着背压增加,气体射流的面积和体积明显减小.     

流线形喷嘴时射流泵流场的数值模拟

为分析流线形喷嘴时射流泵的水力特性,采用紊流数值模拟方法,对流线形喷嘴时射流泵流场进行了三维计算。结果表明,随着流量比的增大,工作液流核区衰减得越慢,在喉管入口段工作液提升被吸液的区域有所减小;流量比越大喉管内紊动能最大值出现的位置会靠后且其数值会降低,两股液体混掺作用会变弱;喉管内压力随流量比的增大而逐渐降低且负压区范围有所扩大,最低负压发生在喉管壁处。同一流量比下,流线形喷嘴时射流泵的压力比略微高于圆锥形喷嘴时,但差别很小。流线形喷嘴时射流泵流场的计算成果,可为研究射流泵水力特性提供参考。     

高压甲烷气体碰壁射流扩散与卷吸特性的试验

在定容装置上利用高速摄影纹影法开展了不同冲击高度和冲击角度下的甲烷高压碰壁射流扩散和卷吸特性试验.通过纹影照片得到了不同冲击高度和冲击角度下的射流贯穿距离随时间变化的规律,计算得到了射流卷吸空气质量随时间变化的规律.结果表明:碰壁射流发展分两个阶段,碰壁之前贯穿距离和卷吸空气质量与自由射流基本相同;碰壁之后,由于壁面阻力的作用,其贯穿距离和卷吸空气质量的增加速率低于自由射流.随着冲击高度的增加,碰壁射流贯穿距离和卷吸空气质量增大;随着冲击角度的减小,碰壁射流贯穿距离和卷吸空气质量增大.最后对Poreh碰壁射流贯穿距离和卷吸空气质量经验公式进行修改,使其适用于一般碰壁射流贯穿距离和卷吸空气质量的特性计算.     

高背压下GDI发动机多孔喷嘴油束间的相互作用

在一定容弹中,利用高速摄影和相位多普勒粒子分析仪(PDPA)研究了某5孔直喷汽油机喷嘴在不同喷射压力与背压下的喷雾形态和液滴特性.结果表明:在高背压条件下,喷雾形态在近喷嘴区域受到挤压,而在喷雾远端发生卷吸.油束间的相互作用使得油束包裹区域内产生了低压区,导致喷雾受到挤压.随着喷射压力与背压的升高,喷雾挤压更为明显.将挤压与卷吸之间的过渡位置定义为转折位置,随着背压的增加与喷射压力的降低,转折位置向喷嘴方向靠近.利用PDPA测量喷雾粒径以及速度分布,结果进一步验证了喷雾的偏转现象.由于喷雾挤压,喷雾内侧液滴聚合概率增加使得内侧出现较大粒径的液滴.     

高压甲烷射流对层流火焰作用的试验

高压气体燃料射流与引燃的层流火焰间的相互作用决定了天然气直喷发动机的着火稳定性．在定容燃烧弹中,用点火针点燃预混甲烷形成层流火焰,并在不同火焰半径时刻进行高压甲烷射流．采用高速纹影法测试了甲烷不同喷射延时τ对预混层流火焰的影响．结果表明：甲烷喷射延时τ决定了预混层流火焰等效半径R的发展,随着τ增大,预混层流火焰等效半径R增大;射流对层流火焰发展的影响与其作用于层流火焰时火焰等效半径有关,存在一个临界火焰等效半径R₀,当R0时,射流吹熄火焰;R=R₀时,甲烷射流吹熄预混层流火焰后仍可被引燃,火焰传播速度加快;R>R₀时,甲烷射流更容易引燃成湍流燃烧火焰,同时预混火焰未受射流干扰区域仍旧保持层流火焰,此时层流火焰、湍流燃烧火焰并存,火焰传播速度加快．     

引燃策略对天然气直喷发动机射流燃烧及排放的影响

基于计算流体力学（computational fluid dynamics, CFD）软件CONVERGE研究了天然气直喷发动机的高压天然气射流混合、引燃燃烧及排放物生成等基础过程,详细分析了引燃方式和引燃距离对这些基础过程的影响。结果表明：高压直喷天然气射流能够明显促进引燃柴油喷雾发展与混合,但引燃柴油喷射对天然气射流发展影响不明显。高压直喷天然气射流火焰中心存在温度较低而天然气浓度较高的火焰内陷区,该内陷区是碳烟的主要生成区域,碳烟高浓度区位于火焰内陷区中后部。与引燃方式相比,引燃距离对火焰浮起长度、火焰内陷长度及NO_x和碳烟排放有更明显影响。随引燃距离增加,火焰浮起长度和NO_x排放增加,火焰内陷长度和碳烟排放减小。柴油喷入天然气中引燃在3种引燃方式中具有最高的放热率峰值和最短的燃烧持续期,其NO_x和碳烟排放最低,但甲烷逃逸量最高。     

天然气/柴油双燃料射流喷射及其相互作用试验

在定容弹上利用高速摄影纹影法开展了不同环境压力和喷射压力下的天然气/柴油双燃料高压喷射射流特性试验.通过纹影照片得到了不同喷射压力和环境压力下的射流贯穿距、射流锥角和射流面积随时间变化的规律.结果表明:随着环境压力增大,天然气贯穿距和射流面积减小,射流锥角增大;随着天然气喷射压力增大,天然气射流贯穿距与射流面积增大,气体射流锥角逐渐减小.在较高环境压力和喷射压力情况下,双燃料喷射中的柴油射流对天然气射流的发展具有促进作用.当环境压力达到0.9,MPa时,双燃料射流中的气体射流锥角比单燃料射流高出12%,,双燃料射流中的气体射流贯穿距比单燃料射流整体低了5%,左右.     

高压喷射对直喷柴油机喷雾及燃烧特性影响规律的仿真研究

建立了2.0L型高压共轨直喷柴油机燃烧系统的仿真计算模型,以其试验结果为基础,仿真分析喷射压力的提高对雾化质量及混合气形成和燃烧过程的影响规律。研究结果表明:喷射压力低于140MPa时,提高喷射压力可以改善雾化质量,促进扩散燃烧过程;当喷射压力超过140MPa以后,高压喷射对喷雾质量基本无影响,但这种超高压喷射可有效缩短喷射持续时间,同时促进混合气的快速形成,有效控制缸内混合气浓度梯度的瞬态分布特性,从而提高扩散燃烧速度,有利于提高热效率,降低CO和碳烟排放。但提高喷射压力同时造成缸内平均燃烧温度升高,使NO排放相对缸内平均温度按自然对数规律增加。     

乙醇汽油沉积物生成与喷雾特性试验研究

为研究乙醇汽油在缸内直喷汽油机中的积碳生成问题及喷雾特性,选取5孔直喷喷嘴为研究对象,通过试验模拟缸内积碳生成环境,制备得到积碳喷油器。基于高速摄像技术和定容弹,对未积碳喷油器和积碳喷油器进行喷雾试验,得到5孔直喷喷嘴的喷雾图像,利用MATLAB程序对喷雾图像进行可视化处理。针对喷雾中可能出现的闪急沸腾现象,研究燃料温度与背景压力对乙醇汽油喷雾闪沸的影响,结果表明:乙醇汽油的使用会加重直喷喷嘴的积碳问题,导致喷嘴的喷油量减小,雾化质量恶化。     

Twin-orifice喷嘴的闪急沸腾喷雾特性

利用多阈值图像处理法对Twin-orifice喷嘴的闪急沸腾喷雾特性进行研究.通过高速照相机分析在喷射开始、发展及结束时喷嘴的内部流场和雾化形态,研究膨胀室内部形核、气泡生长等如何影响雾化特性.较大的膨胀室为液化R134a的气化和沸腾提供了更多的空间和时间,其射流被高气/液质量比的两相流稀释.进口孔径小的喷嘴喷射流量小,膨胀室中蒸发潜热消耗快并导致腔内温度迅速下降,使其过热度较低,最终导致喷雾锥角小,液滴空间分布浓度低.     

柴油/天然气双燃料发动机燃烧过程数值模拟

通过建立三维计算流体动力学(CFD)柴油/天然气双燃料喷射模型,研究不同EGR率对高压直喷(HPDI)发动机燃烧和排放特性的影响.结果表明:高温区主要是由柴油引燃的天然气射流燃烧形成.另外,由于喷射的天然气与燃烧室边缘碰撞,高温区域被分成两个部分:一部分进入燃烧室凹坑区并形成顺时针旋转的滚流;另一部分进入挤流区与新鲜空气进一步混合燃烧.NO的形成区域与天然气射流中心线形成的高温区基本重合.在挤流区,由于燃料的氧化速率和停留时间有限,因而产生了较多的CO.此外,HPDI发动机的颗粒物(PM)形成区域与CO形成区域大致相同,这是由燃料的低氧化率造成的.随着EGR率增加,NO排放降低,而CO和PM排放随之增加.     

大缸径预混气体机燃烧过程仿真研究

采用发动机缸内CFD专业分析软件Converge对某大缸径预混燃烧天然气发动机工作过程中缸内三维流动、气体混合以及燃烧过程进行仿真计算。通过与试验结果中缸压曲线以及放热率曲线的对比,验证本次三维仿真计算模型的合理性和准确性;通过本次计算得到了大缸径天然气发动机流场分布的详细信息,为后续的发动机机型优化奠定了一定的基础,并且为疲劳强度和温度场的计算提供热力学边界条件。分析结果表明,我们的研究对象某预混气体机的预燃室内在点火前可以形成均匀的甲烷质量分数约为3.5%的混合气,并且可以稳定点火,借助预燃室喷孔形成火焰射流点燃主燃室混合气使燃烧扩散至整个气缸。     

天然气/柴油双燃料发动机燃料喷射及着火特性

基于计算流体动力学(CFD)软件CONVERGE模拟了缸内高压直喷式柴油微引燃液化天然气(LNG)发动机的燃料喷射混合以及着火过程,校核和验证了湍流模型对模拟结果的影响,分析了天然气喷射正时、天然气喷射持续期及柴油与天然气射流中心轴线的夹角对缸内柴油和天然气射流发展、混合和着火的影响.结果表明:Smagorinsky大涡模拟湍流模型更适用于缸内高压直喷式LNG发动机的模拟;柴油与天然气射流中心轴线夹角越大,火核倾向于在天然气喷束的两侧形成从而点燃天然气;天然气喷射正时提前,天然气喷入缸内时与柴油的距离更近,利于天然气被引燃;天然气循环喷射量不变,天然气喷射持续期越短,天然气喷孔处压力更大,对柴油油束的冲击更强,促进了柴油的燃烧从而有利于天然气射流的着火.     

甲烷/空气预混射流火焰的大涡模拟

在不同射流速度条件下,对甲烷/空气预混射流火焰进行了大涡模拟.甲烷/空气预混射流气体按化学当量比混合,计算采用两步简化反应机理和WALE亚格子湍流输运模型,3个算例下流场特征和火焰结构计算结果与前人实验结果一致,中心线轴向速度和温度场结果与实验数据相符.通过对不同Karlovitz数条件下甲烷/空气预混射流火焰结构进行分析,并计算Takeno指数,研究了湍流涡对预混火焰的影响.研究发现:在Ka100(Ka=37)条件下,预混射流火焰会出现预热区的增厚,放热区保持完整,湍流火焰保持为预混燃烧;在Ka100(Ka=112)条件下,湍流火焰进入分布反应区模式.Takeno指数显示,由于卷吸和小尺度涡的作用,湍流火焰出现局部的部分预混燃烧.甲烷/空气预混射流湍流火焰的大涡模拟证实了湍流火焰分布反应区模式的特点:未燃气体与燃后气体之间不再有明显的界面,火焰面模型不再适用;反应区增厚,放热区展宽,放热率降低;由于卷吸和小尺度涡对火焰的作用,湍流火焰局部出现部分预混燃烧;湍流火焰温度降低,放热区附近温度场趋向均匀.     

可压缩气体中的三维黏性液体射流雾化机理

建立了可压缩气体中的三维黏性液体射流雾化数学模型,在射流雾化过程中起控制作用的参数主要有气液速度、气液密度、气液界面表面张力、液体黏性、喷嘴直径及音速.采用线性空间稳定性分析方法详细分析了这些参数在高速射流雾化过程中不稳定性的作用.结果是：增加液体射流速度、气体密度及喷嘴直径;减少液体密度、液体黏性及表面张力,可使射流不稳定性增强.此外,当气流与液体射流反向时增加气体流速也可以使流动不稳定性增强,但当气流与液体射流同向时结果相反.气体可压缩性的增加使流动变得不稳定,但它的影响是很小的.