氩-氧氛围中氢气射流喷射与混合特性的研究

氩气循环氢燃料发动机以氩-氧(Ar-O_2)混合气代替空气作为工质气体,可提高发动机效率,并避免NO_x的产生.基于纹影法研究了氩-氧氛围中不同压力边界下氢气射流喷射与混合特性,结果表明:氢气射流锥角总体上随着喷射过程的发展逐渐减小,然后趋于稳定,且受压力边界的影响较小,稳定在28.5°～33.5°;射流截面积随着喷射过程的发展近似呈线性增长;提高喷射压力以获得大贯穿距离是提高射流截面积及体积的有效方法;射流内部过量氧气系数φ_o随着喷射过程的发展呈上升趋势,选取高喷射压力有助于增大射流内部过量氧气系数,且对于一定的喷射压力,存在实现最大过量氧气系数的最佳环境压力.通过对不同压力边界下射流贯穿距离与喷射时间的关系拟合分析,获得一种基于压力边界预测气体射流贯穿距离的方法.     

高压燃油喷射诱导激波对喷雾特性的影响

为了研究诱导激波对喷雾特性的影响,采用纹影法和仿真模拟的方法对不同喷射压力、不同环境介质条件下的喷雾和激波特性进行研究.结果表明:在相同喷射压力和环境密度下,在燃油喷射初期,存在激波条件下的喷雾贯穿距小于无激波条件下喷雾贯穿距,从仿真结果来看,在燃油喷射初期激波为附体激波,激波后环境气体密度和压力均大于激波前,激波后具有更大密度和压力的环境气体会阻碍喷雾的发展,从而导致贯穿距变小.在燃油喷射中后期激波与喷雾分离之后,存在激波条件的喷雾贯穿距则要高于无激波条件下的喷雾贯穿距.激波还可以增强燃油与空气混合程度,对增大喷雾体积有一定的促进作用,且促进效果会随着激波强度的增大而更加明显,有利于油、气混合气的形成.超高压喷射仿真结果表明,当喷射压力达到240 MPa和320 MPa时,喷射初期斜激波的末端会产生弓形激波,可以加剧湍流运动促进油、气混合,此外激波的产生使激波处环境气体温度升高,当喷射压力达到320 MPa时,激波处温度最多可升高16%,这有利于燃油的雾化蒸发.     

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.     

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.     

柴油引燃天然气发动机天然气射流特性

在定容弹上利用纹影法开展了不同喷射压力和喷射间隔下的天然气/柴油双燃料喷射中天然气射流特性研究,并结合PIV试验得到的天然气射流环境流场探讨了天然气射流和柴油喷雾相互作用过程.结果表明:天然气射流头部、中部、底部周围空气有不同的运动状态;天然气射流在贯穿柴油喷雾时会受其阻碍,使得射流贯穿距和锥角均减小;天然气喷射压力的提高会减弱柴油喷雾对天然气射流的影响;随着喷射间隔增大,柴油喷雾与天然气射流的相互作用减弱,柴油喷雾对天然气射流贯穿距和锥角的影响也随之减小.     

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.     

直流双阳极等离子体特性的研究

利用高性能数字示波器、发射光谱法以及热力学方法,对直流双阳极等离子体发生器的伏安特性、射流的温度与射流的比焓特性进行了实验研究.结果表明,当等离子体的工作气体为纯氩气时,其弧压随电流的增加显著升高,且不随气体流量的增加而单调地变化;当工作气体为氩氮混合气体时,弧压随氮气的比例增加而急剧增大;氩等离子体射流的比焓随着电流的增大而增大,随着氩气流量的增加而减少;在相近的条件下氩氮等离子体射流的比焓远大于纯氩等离子体射流的比焓;氩等离子体射流在出口处的温度超过10000 K.     

利用高速摄影纹影法研究天然气高压喷射射流特性

在定容弹上利用高速摄影纹影法开展了不同喷射压力和背压下的天然气高压喷射射流特性试验研究。通过纹影照片得到了不同喷射压力和背压下的射流贯穿距离、射流锥角和射流体积随时间变化的规律,计算得到了射流内整体过量空气系数随时间变化的规律。结果表明:射流发展分两个阶段,射流初期阶段和射流主体阶段。在射流初期阶段,射流贯穿距离快速增加;在射流主体阶段,射流贯穿距离随时间呈线性增加趋势。射流贯穿距离、射流体积和射流内整体过量空气系数随时间而增加,射流发展过程中射流锥角基本保持不变。随着喷射压力的提高,射流贯穿距离和体积增加,射流锥角减小,射流内整体过量空气系数增大。随着容弹背压的增加,射流贯穿距离和射流体积减小,射流锥角增加,射流内整体过量空气系数增大。     

柴油喷雾撞壁形态和油束发展特征

在一台高温、高压定容燃烧弹上研究了不同撞壁距离、喷射压力和环境温度与压力条件下,柴油油束撞壁后近壁面区域的喷雾特性.利用高速摄像测量了自由喷雾和撞壁喷雾的油束发展历程,并结合仿真对燃油气相浓度和流场特性进行分析.结果表明:在环境温度为500~900,K、环境压力为1~4,MPa时,喷射压力对喷雾锥角影响较小;环境温度达到700,K及以上时,喷射压力对喷雾贯穿距的影响较小,特别当撞壁距离减小到30,mm和20,mm时,出现喷雾贯穿距随喷射压力增大而略微减小的趋势;相对于撞壁喷雾,环境温度对自由喷雾贯穿距的影响更大;随着撞壁距离减小,喷雾贯穿距逐渐减小,喷雾锥角逐渐增大,而喷雾高度则呈现先增大后减小的趋势.在上述4种边界参数中,撞壁距离对撞壁油束发展特征影响最大.     

基于平面激光Mie散射技术的乙醇喷雾特性研究

采用平面激光Mie散射技术,利用直喷式发动机的多孔喷油器,研究了喷射压力、环境压力对乙醇喷雾特性的影响,并与汽油喷雾进行对比.试验结果表明:乙醇喷雾的贯穿距随着喷射压力的升高和环境压力的降低而增大;喷雾锥角随着环境压力和喷射压力的升高而增大.乙醇喷雾的初速度和贯穿距小于汽油喷雾,其喷雾锥角与汽油无明显差别.     

船用电控喷油器喷雾宏观特性研究

利用定容弹及高速摄影,采用阴影法拍摄了喷雾图像,研究了喷射压力、环境气体密度对喷雾贯穿距及雾化锥角的影响。试验结果表明:随着喷射压力增大,喷雾贯穿距增大,雾化锥角变化不明显;随着环境气体密度的增大,喷雾贯穿距减小,雾化锥角增大。     

热氛围下水喷射雾化特性试验

发动机缸内喷水在抑制爆震、拓宽工作边界和提高热效率方面有很大优势,而缸内喷水喷雾的宏观喷雾特性对缸内喷水相关研究有重要意义.利用热氛围试验系统,对高温环境下水的雾化特性进行了研究.结果表明:在未达到闪急沸腾的情况下,液相喷雾贯穿距与喷射水的密度、环境介质密度和喷射压力正相关,破碎长度内液相喷雾贯穿距主要受喷射水的密度影响,破碎长度外液相喷雾贯穿距受喷水密度的影响减小.给出了环境温度在350℃以下(包含350℃)、喷水温度在125℃以下(包含125℃)的液相喷雾贯穿距经验公式.液相喷雾锥角随喷射压力增加而减小.喷水温度和环境温度的增加都加快喷雾蒸发,使液相喷雾锥角减少,当二者增加到一定程度时,喷雾的液相锥角趋于稳定.试验条件下,喷水温度达到120℃后,液相喷雾锥角稳定维持在11°左右.     

当量比和射流压力对激波聚焦起爆性能的影响

为研究当量比和射流压力对激波聚焦起爆性能的影响,以氢气和空气作为工质,在不同当量比和射流压力下对凹面腔中激波聚焦起爆爆震波的过程进行了数值模拟。结果表明,在产生稳定爆震的当量比范围内,激波聚焦的起爆性能随当量比的增大先提高,后降低,在当量比1.1时取得最佳值。射流压力的增大能提高激波聚焦的起爆性能,但提高程度呈下降趋势;它同时有助于扩大产生稳定爆震的当量比范围,计算表明在入口射流压力1.350、0.950、0.550MPa条件下产生稳定爆震的当量比分别为0.4~5.2、0.5~4.7、0.5~3.9。     

汽油/柴油掺混燃油两段喷射喷雾特性试验研究

基于定容燃烧弹与超高速数码相机搭建的LED-Mie散射喷雾试验台,研究了不同参数对柴油、汽油质量占比20%的柴汽混合油(记为G20)单段与两段喷射主喷液相喷雾特性的影响。结果表明,单段喷射喷雾贯穿距与喷雾锥角随喷射压力的增大而增大,G20喷雾贯穿距略小于柴油喷雾贯穿距,G20喷雾锥角略大于柴油喷雾锥角。将环境温度由300K升高到850K,喷雾贯穿距变小且喷雾很快达到稳定。冷态环境下(300K),两段喷射主喷喷雾贯穿距起始阶段与单段喷射喷雾贯穿距基本一致,但随着喷雾发展200μs左右后,两段喷射主喷喷雾贯穿距变得略小于单段喷射喷雾贯穿距。两段喷射主喷喷雾锥角略大于单段喷射喷雾锥角,预主喷间隔时间对喷雾锥角影响较小。     

燃油温度和环境温度对甲醇低压喷雾的影响

通过一台高速摄像机,在定容弹内分别对15、25、35、50、60、70和80,℃的液体甲醇,在20、30、40、50和60,℃的环境温度下开展了喷雾特性研究,并使用三维激光多普勒技术,测量了不同甲醇温度下喷雾的粒径大小.结果表明:随着甲醇温度的升高,其雾化质量提高,喷雾液滴直径减小,喷雾锥角增大,甲醇温度为80,℃时,出现超临界闪蒸喷雾现象.另外,当甲醇温度低于60,℃时,贯穿距随喷醇压力的增加而增大;甲醇温度高于60,℃时,随着喷醇压力的增加,喷雾贯穿距先增大后减小.与此同时,随着环境温度的升高,甲醇雾化质量提高,喷雾贯穿距先增大后减小,而喷雾锥角则逐渐增大.     

GDI多孔喷油器喷雾特性的试验与仿真研究

利用工程分析软件AVL FIRE在不同进出口压力、燃烧室温度、长径比及喷孔倾角等变量条件下,对GDI喷油器流量特性、雾化形态、贯穿距离及雾化颗粒进行仿真分析,并采用高速摄影技术对仿真结果进行验证。研究结果表明:仿真与试验结果相吻合;随着喷射压力增大,雾束的贯穿距增大,雾化效果显著提高;燃烧室压力增大会使喷雾雾化粒径减小;燃烧室温度提高可使喷雾液滴蒸发加快,有利于混合气的形成;较小的喷孔直径使得孔内流速较高,雾化效果更理想;喷孔长度变化对喷雾的影响并不显著;喷孔倾角增大,喷雾粒径也相应增大。     

高压共轨燃油喷射雾化特性试验研究

基于GS-1000型高压共轨试验台和定容容器,利用高速摄影技术对高压共轨燃油喷射的雾化特性进行了研究。通过计算机采集多种工况下的喷雾雾化图像,并利用C#语言编制的图像处理软件对喷雾图像进行了精确处理,测取了喷雾贯穿距、喷雾锥角等喷雾特性参数。试验结果表明：喷雾贯穿距随喷射压力的升高而增大,喷射压力对喷雾锥角的影响不明显。燃油喷雾贯穿距随背压的升高而减小,喷雾锥角随背压的升高而增大。     

高压共轨燃油喷射雾化特性试验研究

基于GS-1000型高压共轨试验台和定容容器,利用高速摄影技术对高压共轨燃油喷射的雾化特性进行了研究。通过计算机采集多种工况下的喷雾雾化图像,并利用C#语言编制的图像处理软件对喷雾图像进行了精确处理,测取了喷雾贯穿距、喷雾锥角等喷雾特性参数。试验结果表明:喷雾贯穿距随喷射压力的升高而增大,喷射压力对喷雾锥角的影响不明显。燃油喷雾贯穿距随背压的升高而减小,喷雾锥角随背压的升高而增大。     

高压甲烷圆形喷嘴的射流特性仿真

天然气缸内直喷是当前的热点技术之一,研究其射流特性及射流卷吸规律对优化直喷天然气发动机有重要意义.建立了三维模型,开展了高压甲烷气体在圆形单喷孔中的射流特性三维仿真研究,并结合质量流量和贯穿距离试验结果验证了模型;研究了入口压力为5、10和20 MPa、背压为2 MPa时喷嘴内流动以及气体射流的变化规律.结果表明:喷嘴出口处射流速度达到音速时,出现速度雍塞;根据气体射流平均速度发展趋势,喷嘴外气体射流可分为两个区域:喷嘴近端区域,气体离开喷嘴迅速膨胀,形成马赫盘,导致该区域气体射流速度迅速下降;喷嘴远端区域,马赫盘消失,气体膨胀作用较小,气体射流速度趋于平缓;在近喷嘴端区域,射流天然气对背景气体的卷吸能力较强,气体射流区域的质量流量增加率较大,而在喷嘴远端区域,卷吸能力减弱,射流区域的质量流量变化不大.因而可知高压甲烷射流特性及其对背景气体的卷吸影响作用有助于研究直喷天然气缸内混合过程.     

柴油蒸发喷雾瞬态液相贯穿距模型及试验验证

考虑喷射初期喷嘴压力室内部压力建立过程,推导了适用于喷射初期的液相贯穿距模型。随后在定容燃烧弹内营造柴油机上止点附近高温高压氛围条件,采用背景光散射法试验研究了喷射压力、环境温度及环境密度对蒸发喷雾液相贯穿距发展历程的影响,并将试验结果与模型进行对比。模型与试验结果表明:在喷射初期,液相贯穿距并非按照Hiroyasu模型预测的随时间t线性变化,而表现出一个加速过程,与t1.5成正比;随后由于喷雾破碎和喷嘴压力室内部建压完成,液相贯穿距与t0.75和t0.5成正比。