内燃机跨临界/超临界燃料喷雾混合过程的机理与模型

高密度低温燃烧等内燃机燃烧新概念的提出,使得跨临界/超临界燃料喷射与喷雾混合成为内燃机研究者面临的一个重要课题.跨临界/超临界下的液体射流与喷雾形成具有与亚临界工况本质不同且极其复杂的机理.首先对跨临界/超临界液体射流喷雾的特征与机理做了简要介绍;然后,对迄今国内外在该领域的研究进展进行了比较系统全面的评述,同时指出了其局限与不足.在全面审视前人关于直喷式内燃机燃料喷雾混合过程的机理与模型研究的基础上,提出一个新的跨临界/超临界环境下液体燃料喷射与混合气形成的数理模型——"混合层回缩"(MLR)模型;并进而建议,采用微观、介观与宏观研究相结合的5步策略,构建直喷式发动机亚临界/跨临界/超临界燃料喷雾混合过程的全工况统一模型.     

高温高压环境下正己烷喷射燃烧的现象学

基于定容燃烧弹研究了亚临界状态的正己烷喷射到近临界点的亚/超临界环境时的喷射燃烧过程,并利用高速摄像机和光学测试系统采集图像信息,探究相同超临界温度、不同亚/超临界压力下正己烷喷射燃烧过程的差异.结果表明:亚临界环境压力下,随着环境压力的增加,喷射正己烷的滞燃期呈先减小后增大的趋势,在临界压力处出现峰值,而进入超临界环境压力后,又呈现出减小的趋势.燃烧着火始点的位置随着环境压力的增加逐渐靠近油嘴,但在临界点附近,着火点位置沿喷射轴线方向离油嘴的距离呈先增大后减小的趋势.超临界环境下的喷射火焰相比于亚临界环境下的喷射火焰拥有较大的火焰锥角,这是由亚/超临界环境下燃油喷射、汽化及燃烧过程的差异所致.     

基于AMESIM/SIMULINK的天然气喷射器仿真研究

运用AMESIM/SIMULINK仿真软件对天然气喷射器进行联合仿真,再现了喷射器内流体的运动过程、喷射体积和时间的关系、喷射流量和时间的关系,对天然气和汽油两种燃料的喷射过程进行了对比,结果表明:天然气喷射会出现延迟现象,通过改变控制电路可以有效地避免喷射延迟现象的出现。     

亚/超临界环境下燃料的喷雾燃烧特性研究

采用高温高压定容燃烧弹系统对亚/超临界环境下燃料在纯氧中的喷射燃烧现象进行试验研究,通过高速相机和阴影法进行燃烧图像信息的采集,研究在相同的超临界温度下,正己烷和乙醚两种燃料喷射燃烧火焰特性随环境压力和喷油脉宽的改变而呈现的差异性。试验结果表明:在亚临界压力下,两种燃料在不同喷油脉宽下的燃烧时间均随着环境压力的升高而升高,火焰发展后期基本保持较为稳定的形态和亮度,符合传统的喷射燃烧过程。正己烷在临界压力点下火焰长度最短,形态较为规则;超临界压力下,火焰形态有稳定趋势但仍有轻微波动,且火焰长度略短于亚临界;喷油脉宽改变时,燃烧时间在临界压力附近呈现出不同的趋势。乙醚的燃烧时间随压力的升高而增大,在临界压力处达到最大值,后随着压力的继续升高而下降,不同压力条件下火焰形态略有差别。燃烧现象存在差异性主要是由于亚/超临界坏境下燃料的物性参数和破碎蒸发机理不同。     

基于双直喷策略的低负荷下活性控制压燃燃烧特性的数值研究

采用流体仿真软件CONVERGE开展了基于双直喷策略的低负荷工况下二代生物柴油/汽油活性控制压燃(reactivity controlled compression ignition,RCCI)燃烧模式的数值模拟研究,对比了常规进气道喷射汽油RCCI和双直喷RCCI的燃烧特性,并探讨了双燃料喷射时刻对双直喷RCCI燃烧的影响。结果表明:相比常规进气道喷射汽油RCCI,双直喷RCCI能够有效控制缸内汽油混合气分布,改善不完全燃烧现象;随着汽油直喷时刻的推迟,分层燃烧减弱,燃烧持续期缩短,燃烧效率降低,热效率先减小再增大后又减小,NO_x排放减少而碳烟排放增加;随着二代生物柴油喷射时刻的推迟,分层燃烧加剧,燃烧持续期延长,燃烧效率升高,热效率先增大而后减小,NO_x排放增加而碳烟排放减少。     

亚/超临界压力下碳氢燃料液滴的燃烧特性

建立了一个适用于超临界压力下包括能够正确描述跨临界迁移现象的液滴燃烧模型,提出了跨临界迁移时刻液滴表面处燃料质量流束有限的新观点.利用开发的计算模型,以碳氢燃料液滴自燃着火为研究对象,研究了亚临界和超临界压力下单液滴的燃烧特性,并从传热传质过程出发,阐明了跨临界迁移前、后液滴燃烧过程的热质输运机理及物理控制因素.结果表明:在亚临界压力下,液滴燃烧不会发生跨临界迁移现象,燃烧过程始终受燃料在液滴表面处相变的控制,液滴的燃烧速度取决于传热过程,并且液滴温度受该压力下燃料沸点的限制而增长缓慢.而在超临界压力下,液滴着火之后很快发生跨临界迁移现象,此后燃料向燃烧反应区域的扩散不存在相变,液滴的燃烧速度取决于传质过程,并且液滴温度不再受燃料沸点的限制而持续升高.     

内燃机燃烧过程多维模型计算机仿真平台开发及应用

利用喷射、射流破裂、蒸发、油气相互作用、扩散、油滴阻力、油壁相互作用、点火、燃烧、排放、活塞环和缸内流动等子模型综合成多维模型,进行软件设计以构建仿真平台。该平台的输入是缸内几何形状、物理、运动、化学等各种客观因素,输出是反映燃烧过程的热力学、排放、湍流和喷射等大量时空数据与图形。试验表明:仿真平台能准确反映客观物理因素对燃烧的影响规律,仿真结果符合实际,但在不同的工况下,存在不同程度的误差。     

带喷射器的跨临界CO2热泵系统仿真研究

利用自行搭建的跨临界CO₂热泵实验台对系统的整体热力性能进行了相关的实验研究,分析比较了气冷器CO₂出口温度、蒸发温度对跨临界CO₂热泵系统(SBC)制热系数(C_oph)的影响。在此基础上建立了带喷射器的跨临界CO₂热泵系统(SEC)对应的热力学模型,利用Matlab编写系统循环程序,对系统性能进行数值模拟,分析当改变工作流体压力、工作流体温度和蒸发温度等参数时,喷射系数、喷射器出口工质干度和C_oph的变化规律。结果表明：仿真值与实验值较为吻合,建立的系统热力学模型准确性高;在工作流体温度由31℃升高到38℃时,SEC的最大C_oph比SBC的最大C_oph高出24.8%;在蒸发温度由5℃升高到13℃的过程中,SEC的最大C_oph比SBC的最大C_oph高出28%,喷射器大大减少了CO₂工质在膨胀过程中所产生的节流损失,对系统性能的提升有显著作用。     

环境压力对超临界流体喷雾特性影响的数值分析

基于大涡模拟方法对超临界喷射进行数值分析,使用真实气体状态方程SRK计算流体的热物性和输运特性.研究对象是定容弹内低温液氮超临界喷射,假定初始入口条件不变,重点考察了不同环境压力对超临界喷雾特性的影响.结果表明:由于射流流体与周围流体之间存在较大密度比,射流表面形成显著的密度分层,并起到限制射流流体向径向扩展的作用.随着环境压力的提高,由于射流和周围环境的密度比降低,射流表面不稳定增加,比较容易形成不稳定涡,从而更有利于射流与周围气体的混合,因而液核长度也比较短,表明随着压力的增大,射流与周围气体的混合效果更好.进一步分析发现,环境压力对热物性和输运特性的影响较大,而对湍动能和速度场的影响不大.     

柴油机高压共轨喷射系统参数对燃烧和排放性能影响的研究

利用AVL-FIRE软件建立TBD234柴油机高压共轨燃烧过程仿真计算模型,通过仿真计算,系统分析了喷射系统主要参数对柴油机高压共轨燃烧和排放性能的影响。最后进行了试验验证,结果表明,仿真值与试验值基本吻合。研究结果为柴油机高压共轨喷射系统参数的优化设计提供了可靠依据。     

汽油在超临界环境下的喷雾特性

利用超临界平台和定容燃烧弹系统,将低亚临界态(low sub-critical state,LS-CS)、亚临界态(sub-critical state,S-CS)和超临界态(super-critical state,Sup-CS)等不同状态的汽油,喷入到超临界环境(super-critical environment,Sup-CE)。依托纹影系统,得到汽油在超临界环境中的喷雾特性,并与常温常压环境(ambient temperature and atmospheric pressure environment,ATAPE)汽油喷雾特性进行详细对比。研究结果表明:在超临界环境下,同一喷射时刻,随着喷油温度的升高,单孔喷油器的喷雾贯穿距先增加,后平稳下降,但在超临界态一直攀升;喷雾面积先上升,在亚临界态初段达到峰值后波动下降。5孔喷油器的喷雾贯穿距先平稳上升,后急速下降到低于初始值;喷雾面积先增加,在亚临界态缓慢下降,在超临界态初期达到峰值后下降。此外,在喷射条件相同时,超临界环境下和常温常压环境下的喷雾形态发展有明显区别,由于超临界环境下喷雾与环境的相互作用,塌缩现象及气泡微爆现象主导喷雾的发展,喷雾贯穿距和喷雾面积随时间的变化量远小于常温常压环境下的喷雾贯穿距和喷雾面积。     

Heat Transfer Enhancement of Spray Cooling on Flat Aluminum Tube Heat Exchanger

This study provides an experimental analysis on the heat transfer performance of a flat aluminum tube microchannel heat exchanger with spray cooling. The effects of water spraying rate, airflow rate, and relative humidity were investigated. The test results show that the heat transfer performance increased with increasing the water spraying rate but without the penalty of increased flow resistance at low spray conditions. This effect is further enhanced by increasing the water spraying rate. However, when the spraying rate is high, part of the nonevaporated drops attached to the fin surface and formed a liquid film, which caused the flow passage to become narrower. Further increase in the spraying rate resulted in part of the flow passages being blocked by the nonevaporated water drops and caused a region of poor heat transfer. The friction coefficient jumped drastically at this condition. This phenomenon deceased gradually with increasing airflow rate. High inlet air humidity resulted in the water accumulation phenomenon appearing at lower water spraying rates. The evaporative cooling effect decreased and flow friction increased. The test results just described show that the water spray is able to significantly improve the air-side heat transfer performance. The optimum spray rate for each airflow rate must be carefully determined.     

柴油－甲醇－水复合乳化燃料喷雾特性的研究

本文介绍了柴油一甲醇一水复合乳化燃料的喷雾特性的研究。作者采用４ｆ十字光路激光全息法，在一台拉径为１００ｍｍ、冲程为１２０Ｙｎｍ、加长活血直喷式单缸试验机上研究了不同配比复合乳化燃料的喷雾发展过程和燃烧室内空气运动对喷雾发展的形响，以及它的喷雾油滴粒度大小及其分布特性。该项研究为进一步研究柴油机燃用这种新型乳化燃料的燃烧特性和合理组织燃烧过程提供了依据。     

等温压缩空气储能系统液气传热特性研究

等温压缩空气储能（I CAES）无需补燃、能源利用率高且碳排放低,在大规模储能领域具有重要应用前景。在建立喷雾的I CAES系统的液气传热模型基础上,通过数值方法分析了喷雾流量对I CAES液气传热特性的影响规律。结果表明：采用喷雾方法能够有效抑制压缩和膨胀过程的温度变化、强化液气传热并实现理想I CAES过程;增大喷雾流量能够降低压缩功耗、提高膨胀做功并降低停机储气过程压损,可提高系统指示效率和储能效率。     

燃气轮机燃烧室液雾自燃延迟时间预测方法

为减少一体化加力燃烧室内支板火焰稳定器高度与进口试验参数较高所导致的昂贵基础试验成本,采用经试验数据验证的数值计算方法,对不同高度的一体化模型加力燃烧室燃烧性能进行数值模拟,分析模型加力燃烧室高度变化和侧壁边界层效应对一体化加力燃烧室回流区、总压恢复系数以及燃烧效率的影响。在保持空间油雾场分布均匀与阻塞比一致的前提下,简化扇形加力燃烧室模型为矩形加力燃烧室模型,其中模型加力燃烧室高度H分别为200,150和100 mm,总长L=1 480 mm,宽B=125 mm。结果表明：模型加力燃烧室高度的降低对燃烧性能影响较小,其中回流率最大降幅为0.16%,总压恢复系数最大降幅为0.15%,燃烧效率的最大降幅为1.9%;模型加力燃烧室侧壁面边界的引入对燃烧性能影响较小,回流率、总压恢复系数最大降幅均小于1%,燃烧效率的最大降幅仅为0.7%;可以采用单支板火焰稳定装置降低高度的方法简化试验件设计。     

半封闭狭窄通道内甲烷/空气预混火焰传播不稳定性实验研究

针对贫油预混预蒸发燃烧室主燃级中横喷液雾现象进行研究,综合考虑RP-3航空煤油横喷液雾的雾化、蒸发和自燃过程构建自燃预测模型,基于CH基团随时间的变化规律对自燃延迟时间进行预测。结合试验测试结果对模型进行校验,并进一步分析温度、压力、流速、射流动量比等变量对自燃延迟时间的影响规律。结果表明：对于直射式喷嘴形成的横喷液雾,其下游的油气分布主要受射流动量比和流动速度的影响,射流动量比决定了液雾的总体油气比,流动速度则主要影响液滴的粒径及其蒸发时间;随着压力、射流动量比及气流速度的增加,自燃延迟时间均会缩短,相比于预混燃料液雾的自燃延迟时间受负温度效应的影响较弱。     

燃油温度对船用柴油机喷雾及燃烧特性影响的仿真研究

以某型船用柴油机为研究对象,通过对不同燃油温度下喷油嘴内部的流动仿真分析,对喷嘴内部的流动和空穴现象进行了研究,得到合理的喷孔出口处油滴的初始状态;通过喷雾和缸内燃烧的耦合计算,分析不同的燃油温度对柴油机燃烧及排放特性的影响规律。研究结果表明:燃油进机温度直接影响燃油喷雾、破碎、蒸发及燃烧过程,对NOx排放影响更为明显;燃油进机温度须作为柴油机燃烧系统开发试验时的试验基准之一。     

直喷柴油机燃烧的现象学快速预测模型

为了快速且准确地预测直喷柴油机的放热及排放情况,提出了直喷柴油机燃烧的现象学快速预测模型。该模型基于气相射流喷雾模型,将柴油机的燃烧过程分为预混燃烧、喷射中的扩散燃烧及喷射后的扩散燃烧三个阶段进行燃烧计算,并将喷雾区域分为已燃区和未燃区进行排放计算。该模型相较于多区模型,简化了分区,考虑了喷油产生湍动能的影响。在额定转速下,基于90%负荷标定的模型预测结果和潍柴WP7柴油机其它负荷的试验结果相比,最高燃烧压力和平均压力误差均小于5%;中高负荷的放热率趋势基本相同,10%累计放热对应的曲轴转角误差小于0.6℃A,90%累计放热时对应的曲轴转角误差小于5℃A;高负荷的排放预测误差在5%左右;且各工况计算可在数秒内完成。表明:所提出的模型能快速且较准确地预测直喷柴油机中高负荷工况下的燃烧情况。     

基于FIRE的柴油机燃烧过程模拟分析

应用AVL的FIRE软件,对6105柴油机最大扭矩工况和标定工况时的缸内喷雾及燃烧过程进行了三维模拟计算,根据计算结果,分析了燃烧室内燃油喷雾的流场分布和燃烧进程.模拟计算及分析结果可为柴油机燃烧过程的完善提供有价值的参考依据.     

射流碎裂过程的不稳定性理论研究

喷雾的应用领域非常广泛,在汽车、航空航天、军事装备等动力装置的燃烧室中,液体雾化能够明显增大液体与气体接触的表面积,使随之发生的燃烧、传质传热过程大为加强.因此,雾化机理的研究对于实际喷雾和燃烧系统的设计和改进是十分重要的.喷射射流的一级碎裂是当今国际流体与燃烧学界研究的热点和难点,对其进行不稳定性研究异常繁复,每进展...