高背压下GDI油束喷雾特性的试验

在定容弹中,利用高速摄影和相位多普勒粒子测试技术(PDPA)研究了喷射压力、背压和喷射脉宽对汽油直喷(GDI)发动机多孔喷油器喷雾特性的影响,包括喷雾贯穿距、粒度和速度特性.结果表明:随着喷雾的发展,油束有往喷油器中心方向运动的趋势;在不同喷射压力和背压下,喷雾贯穿距均出现两阶段发展趋势;喷射压力和背压对喷雾的粒度和速度特性有着明显影响.提高喷射压力会明显降低索特平均直径(SMD),并会增加油滴速度.增加背压会导致SMD变大,并使油滴速度降低.SMD会随PDPA测量体位置远离喷油器而增大,这是由于在远离喷油器位置处,油滴间聚合作用占主导因素.在喷射脉宽大于0.8,ms时,喷射脉宽的变化对喷雾头部的速度影响不大,但是喷油脉宽的增加会导致SMD变大.     

真空闪蒸对R718旋流喷雾影响研究

为研究真空状态下闪蒸对于旋流喷雾的雾化角、轴向速度和液滴粒径的影响,搭建真空闪蒸试验台,采用高速摄影、相位多普勒粒子分析仪(PDPA)等进行流场测试。结果表明:当控制旋流喷嘴两端压差为常见值时(0.5～0.7 MPa),通过降低喷嘴出口背压或升高液相温度引起闪蒸,雾化角显著增加,增幅超过20。;闪蒸使喷雾轴向速度由3.06 m/s增加至6.79 m/s;闪蒸工况下雾化角与出口背压和液相温度均呈二次方关系,而在一定范围内轴向速度与液相温度呈线性关系,闪蒸对液滴粒径影响不大。     

喷嘴结构对喷雾特性的影响

为了解高压共轨喷嘴结构对喷雾的影响,试验采用三维相位多普勒粒子分析仪(PDPA),在高喷射压力条件下研究了不同的喷嘴结构的喷雾粒径空间分布情况.结果表明:高压燃油喷雾的粒径分布呈现轴线大、两边小的趋势,并在喷雾边缘稍微增加;同时随着喷射压力的增加,喷雾索特平均直径(SMD)的分布呈现粒径减小的趋势,小粒径区域逐渐向喷嘴顶端靠近,喷雾雾化效果随喷射压力增加而改善.随着喷孔直径的减小,喷雾总体SMD呈减小趋势;当喷孔直径减小到一定程度时,进一步减小喷孔直径对喷雾雾化效果的影响逐渐减弱.孔径为0.18,mm的喷嘴,喷雾SMD随着长径比(L/D为3.89~5.00)的增加而增大;孔径为0.13,mm的喷嘴,喷雾SMD随着长径比(L/D为5.38~7.69)的增加而降低.     

棕榈油生物柴油掺混燃料宏观与微观喷雾特性

在定容弹内,利用高速摄影法和相位多普勒粒子测试技术(PDPA)对比研究了棕榈油生物柴油(PME)、柴油以及PME体积分数为30%,的掺混燃料的喷雾特性,探究了喷射压力、背压和燃料物性对喷雾的宏观和微观特性的影响.结果表明:随着喷射压力提高,DV90显著降低,而DV10和DV50略有下降,说明喷射压力的提高促进了油滴的破碎;随着背压升高,DV10和DV50大幅上升,而DV90略有升高,表明背压的提高促进了油滴的聚合;在研究的工况范围内,油滴粒径分布与Rosin-Rammler函数吻合良好;随着喷射压力和背压的提高,粒径分布的离散程度逐渐降低;相比于柴油,PME的索特平均粒径(SMD)较大,DV10、DV50和DV90较大,粒径分布的离散程度较高.     

高压共轨燃油喷雾特性数值模拟研究

利用FLUENT软件,基于DPM模型建立了高压共轨单孔喷油器燃油喷雾特性计算模型,并验证了模型的准确性。在此基础上,进行了高压燃油喷雾微观特性数值模拟研究。研究结果表明,喷射压力越大,液滴粒径越大,气体背压越大,液滴粒径越大。     

压力式螺旋型喷嘴二次雾化特性的试验研究

空气与液滴之间良好的接触是增湿室增湿换热的关键技术,因此有必要对喷嘴进行雾化特性试验研究。该研究选用工程上常用的压力式螺旋型喷嘴TF6进行雾化特性试验,TF6喷嘴雾化特性的研究包括喷嘴背压对雾化液滴尺寸的影响,分析距离TF6喷嘴下方不同位置各种液滴直径、比表面积、分布跨度值的变化。研究发现,雾化液滴的直径随喷雾压力的增大而减小,但喷雾压力有其临界范围。通过对距离喷嘴下方不同位置雾化特性的分析得到二次雾化的发生位置,该位置更有利于空气与液滴的热质交换。在二次雾化区内,利用最小二乘法拟合出喷嘴雾化液滴的经验关联式,整理成韦伯数和雷诺数的函数关系,可用来预测喷嘴出口粒子的直径。     

小流量旋流喷嘴喷雾性能影响因素的试验研究

在超高压燃油喷雾试验台上测试分析了不同环境背压及喷射流量对适用于斯特林发动机的小流量压力旋流喷嘴燃料喷射性能的影响。结果表明:喷嘴的喷雾形态受燃烧室背压的影响最明显,背压升高,喷雾锥角减小;喷射流量的影响受背压的限制,中高背压下,流量增大到一定程度后锥角开始变小,流量继续增大,雾化效果变差。喷嘴设计流量的影响为:增大设计流量,相同工况下的喷雾锥角有增大的趋势,但有效雾化的最小临界流量值变大;设计锥角的影响和设计流量类似:较大喷射流量工况下,大设计锥角喷嘴对高背压的适应性较好。研究认为:小流量工况只能采用小设计流量的喷嘴,且对高背压的适应性较差;在大流量工况下,设计流量和设计锥角均较大的喷嘴对高背压工况具有更好的适应性。     

柴油机SCR系统尿素溶液喷雾特性的试验研究

应用多普勒粒子动态分析仪(PDA)研究了SCR系统尿素溶液喷雾的粒径及其分布特征。试验对比了有、无空气辅助喷射系统的喷雾粒径分布特征;测量了空气辅助喷射系统尿素溶液喷雾在垂直喷雾轴线不同截面上的粒径分布;研究了空气压力及喷嘴的喷孔结构对喷雾粒径的影响。通过高速摄影得到空气辅助喷射系统尿素溶液喷雾的发展过程。试验结果表明:空气辅助喷射系统沿喷雾轴向喷雾粒径的大小及粒径分布变化不大,大直径液滴所占比例随着辅助空气压力的减小而增大,有倒角喷孔较无倒角喷孔更有利于喷雾雾化;无空气辅助喷射系统喷雾雾化效果较差,大直径液滴所占的比例明显增大。     

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.     

DPF主动再生柴油喷雾氧化的试验及模拟研究

综合可视化试验和数值模拟手段,研究分析了柴油机颗粒捕集器(DPF)主动再生时柴油氧化催化器(DOC)上游柴油喷雾特性及柴油在DOC内的氧化过程。利用高速摄影装置拍摄了柴油喷雾图像,分析了喷雾贯穿距和喷雾锥角,并利用相位多普勒粒子分析仪(PDPA)对喷雾粒径进行了测量。标定了DOC内的柴油氧化模型和喷雾模型,在此基础上对柴油喷雾及燃油在DOC内的氧化过程进行了模拟。试验结果表明:柴油喷射速率越高,喷雾贯穿距和喷雾锥角越大;喷射速率对喷嘴出口处喷雾粒径分布有较大影响,沿喷雾轴线方向液滴的索特平均直径(SMD)随大粒径液滴数的变化而变化。模拟结果表明:柴油喷雾特性决定了排气管路和DOC入口处的碳氢(HC)分布;DOC出口处温度分布与DOC入口处HC分布具有密切的对应关系;碰壁及重力作用使得HC向排气管路底部集中,HC质量浓度接近2%;管路底部柴油过浓使得DOC出口截面底部的对应区域温度较低,低于450℃;增加排气管路长度可促进喷雾与气体的混合均匀性,缓解管路底部的柴油过度集中现象。     

汽油机缸内直喷喷嘴结构参数对雾化特性的影响研究

为了改进缸内直喷汽油机用电磁涡旋式喷嘴的喷雾特性,对喷嘴孔径、螺线管电阻和涡旋片等结构参数进行了优化设计,并在喷雾试验台上对燃油质量流量、喷雾发展过程、喷雾锥角、喷雾贯穿距、针阀延迟和喷雾粒径分布进行了试验验证。结果表明:优化设计后的喷嘴的质量流率大于原商用喷嘴的质量流率,而质量流率的线性度接近原商用喷嘴。在相同喷射时间5ms及喷油压力9.5MPa下,当喷嘴孔径由0.55mm增大为0.70mm时,喷雾发展过程较为快速,燃油流量增加约56%,喷雾锥角增加10°,但喷雾不稳定性也随之提高,雾化粒径增大。不同喷油压力下的喷雾锥角变化较大,靠近喷嘴的喷雾轮廓与孔口设计有关。喷油压力增大时,其质量流率会随之增大,雾化粒径分布在10μm～20μm范围内的喷雾液滴体积分数也会随之上升,从而提高雾化程度。     

航空重油发动机气助雾化喷嘴雾化机理仿真

对具有拉瓦尔喷管结构特点的某二冲程点燃式航空重油发动机气助雾化喷嘴进行雾化机理的研究.在喷嘴结构确定的情况下,随实际气相压比的改变,拉瓦尔喷管内气体会呈现不同的流动状态.依据拉格朗日关于两相流的计算理论,通过改变气助雾化喷嘴的进口压缩空气压力,利用CFD软件Fluent进行了拉瓦尔喷管内气体不同流动状态下的两相流仿真.结果表明:若拉瓦尔喷管内气相压比达到6.5时,气体以超声速从喷嘴射出,其膨胀作用使得喷嘴出口下方出现负压区,并形成对称双涡环,在喷嘴出口超声速辅助气体及涡环卷吸气流的共同作用下,气动力克服液滴表面张力,形成喷雾的SMD较低,且雾化质量对燃油种类不敏感;气相压比增大到7.5时,粒径分布及液滴SMD变化较小,但过高的气相压比会增大辅助空气质量,消耗空气压缩机更多的功率.     

高海拔(低介质密度)下燃油喷雾与燃烧特性

通过可视化喷雾与燃烧试验台,研究了不同海拔、低介质密度条件下燃油的喷雾和燃烧特性,并分析了各介质密度条件下不同喷射压力对燃油喷雾和燃烧特性的影响.结果表明:模拟不同海拔的发动机在高、中、低3个转速工况的缸内热力边界条件下喷雾的发展过程中,液相贯穿距先增加然后保持在相对稳定的数值,随模拟海拔高度增加,最大喷雾液相贯穿距明显增加,海拔3,000,m以上出现撞壁现象,喷雾锥角有小幅度减小,卷吸空气体积明显增大,但燃空当量比增加;海拔从0,m升高到4,500,m,着火滞燃期增加了0.2,ms,着火位置开始远离喷嘴,燃烧重心逐渐靠近壁面区域;在相同的喷孔直径下,随喷射压力升高,油束液相达到准稳态时刻提前,最大液相贯穿距基本不变,喷雾锥角略微增加,喷雾体燃空当量比减小且在高海拔变化明显,燃烧过程的滞燃期变化不大,着火位置后移.     

柴油机瞬态喷雾特性及喷油器后滴油现象试验研究及分析

采用高速摄影技术对某型国产喷油器分别在有背压条件和自由喷雾情况下进行了喷雾宏观特性测试,获得了不同喷油压力和背压条件下油束的宏观形态;在高速摄影技术基础上使用长焦显微镜头捕捉到该喷油器喷雾末期的后滴油现象并探究产生此现象的原因。研究结果表明:喷油压力或喷射背压的提高可以显著增加喷雾锥角,增大喷雾场在燃烧室中的分布范围,更有利于油气混合;燃油喷雾过程的喷雾锥角曲线呈明显的双波峰形状;电磁阀阀芯落座的响应时间过长造成喷油器断油不干脆是产生后滴油现象的原因之一。     

高压燃油喷雾诱导激波产生机理及频率特性

基于纹影法对不同工况下的燃油喷雾诱导激波产生机理及频率特性进行了试验,结果表明:喷雾周围的激波主要分为前导激波和伴生膨胀波,其产生原因以及对喷雾的影响均不同.喷射初期喷孔出口处喷雾前锋面马赫数大于1直接导致了前导激波的产生,根据喷雾前锋面马赫数的大小不同,前导激波又分为斜激波和弓形激波两种形态.喷雾体的周围是伴生膨胀波的产生位置之一,且喷雾周围的伴生膨胀波为膨胀马赫波,伴生膨胀波强度与喷雾锥角相互联系,在低背压下不明显;喷孔出口处喷雾剪切层也可能是激波产生位置之一,且为弱激波.另外,对激波的频率特性进行了研究,结果表明:低频激波频率平均值约为111.11,kHz,当背压相同时,激波的平均频率大小与喷射压力呈正相关关系;当喷射压力相同时,激波平均频率大小与背压呈正相关关系.激波频率的增加促进了缸内的混合气扩散,喷雾的雾化效果更好.     

喷嘴安装角对横向气流中雾化液滴粒径影响的研究

建立了旋流喷嘴雾化的数值计算模型,将计算结果与静止大气环境下液滴粒径的试验数据进行了对比,证明该数值计算模型的准确性.利用数值计算方法,研究了旋流喷嘴在不同安装角下,喷雾进入横向气流场后液滴Sauter直径(SMD)的变化规律,给出了喷嘴出口下游矩形管道中不同截面上雾化液滴粒径的分布情况.结果表明:对于压力旋流喷嘴,安装角与液滴统计粒径呈多值关系;随着喷嘴安装角的增大,液滴粒径的分布变宽.     

基于时间分割法的柴油机交叉孔喷油嘴喷雾场粒子特性

采用相位多普勒粒子分析仪(PDPA)对柴油机V形交叉孔油嘴和单孔油嘴的喷雾场粒子特性进行测量,通过时间分割法对测量结果进行深入分析.结果表明,在喷雾轴向Z=40,mm的位置上,靠近喷雾轴线的区域内两种交叉孔油嘴与单孔油嘴的粒径大小差别不大,但随着测量点的径向坐标增大,交叉孔油嘴的粒子直径逐渐小于单孔油嘴.在Z=60,mm位置上,与单孔油嘴的结果相比,两种交叉孔喷油嘴的粒子算术平均直径(AMD)和索特平均直径(SMD)更小.同时,交叉孔的交叉角增大会对液滴的进一步细化起促进作用,相比于单孔油嘴,交叉孔2喷油嘴的粒子AMD和SMD减小了近30%.对时间分割法划分的4个阶段粒子特性进行分析发现,F阶段的粒子速度高达70,m/s,喷射过程中的系统数据率较低,PDPA的大量粒子信息均来自于喷油结束的T阶段,此时粒子速度为零.交叉孔喷油嘴的扇状喷雾结构对油气混合的促进作用使粒子AMD随时间变化而不断减小.同时,与喷雾内侧相比,在喷雾外侧两交叉孔喷油嘴之间的粒径差异变小,相对于单孔喷油嘴,在粒径方面的优势变得明显.     

GDI发动机喷雾特性的数值模拟和试验

汽油直喷发动机高压燃油喷射系统与燃油经济性和废气排放等密切相关,通过试验和数值模拟对高压喷油系统和旋流喷油器的喷雾特性进行了研究.在不同喷射压力、背压压力条件下,利用高速摄像机对喷入定体积容器的喷雾进行了喷雾贯穿距离和喷雾锥角参数的测量.结果表明:在低背压压力下,喷雾呈现出空锥、较大范围的分布形态,有利于实现燃油与空气的均质混合;在高背压条件下,喷雾呈现出紧凑密集的分布形态,有利于实现燃油与空气的分层混合.获得的贯穿距离经验公式与试验测量值在一定范围内是一致的.基于AVL HYDSIM环境建立了一维高压喷油系统模型,模拟得到的针阀升程与试验获得的图像在时间上具有一致性.     

单孔和多孔喷雾近场形态的可视化研究

基于高速摄影数据,参考存在空气阻力时的斜抛运动轨迹方程对喷雾近场轮廓进行曲线拟合,对比了不同工况下多孔喷雾轮廓与同一位置单孔喷雾轮廓在近场相对位置关系.结果表明:对于常温、常压下的非闪沸正庚烷喷雾,多孔喷雾轮廓在单孔喷雾轮廓内侧;随着过热度的增加,多孔喷雾轮廓表现出向外扩展的趋势,过热度达到1附近时向外扩展程度达到最大;继续增大过热度时,多孔喷雾轮廓开始反向收缩.在极高的过热度下,多孔喷雾轮廓在单孔喷雾轮廓内侧.为解释试验现象,提出了多孔喷雾中心压力场类型模式图,并分析了压力场类型随过热度变化的演变模式.在多孔喷雾各油束中心区域,存在射流诱导低压区、挤压高压区和膨胀诱导低压区等若干类型的压力场.不同过热度下各类压力场大小、位置和强弱的变化是多孔喷雾轮廓与单孔喷雾在近场相对位置差异的主要原因.     

两次喷射柴油喷雾特性的定量研究

利用复合激光诱导荧光技术,在定容燃烧弹内,对单次喷射和两次喷射时柴油喷雾发展过程及喷雾特性进行研究,结果表明,喷雾发展伴随液滴蒸发和气体卷吸的相互竞争.喷雾发展初期气液相同时形成,液滴蒸发速率较小,气相大部分位于Φ<2区间.喷雾发展中期蒸发速率逐渐升高,喷雾内部形成Φ>2的过浓区.喷雾充分发展后气体卷吸占主导,过浓区减小.两次喷射时,停喷间隙可促进油气混合,降低过浓混合气的质量分数,从而改善碳烟排放;另一方面,两次喷射影响油气空间分布,减小喷雾前锋油气堆积,使过浓混合气与稀混合气燃烧区相分离,有效抑制碳烟的生成.