直喷汽油机中空锥形燃油喷雾的雾化和蒸发模型

高压旋流中空燃油喷雾日益广泛地应用于缸内直喷(GDI)汽油机中，为此发展了一种适合于模拟这种燃油喷雾雾化过程的薄膜喷雾模型．燃油薄膜的破碎过程采用表面波破碎理论来模拟．对Spalding蒸发模型和油滴阻力模型进行了改进，用来计算油滴的蒸发和阻力变形过程，同时引入初始喷雾液团的计算模块．在多维内燃机计算程序KIVA3的基础上建立了改进的数值计算模型，并对不同喷射条件下的定容压力容器中空旋流燃油喷雾过程进行了数值计算，对计算和实验所得的喷雾特性包括油束外形结构，油束喷雾贯穿度和油滴粒径进行了详细的比较，同时对单液滴的蒸发过程也进行了数值计算，油束模型的计算结果与实验结果吻合良好。     

基于欧拉-拉格朗日方法的高压喷雾过程数值模型

为评估不同湍流模型和液滴破碎模型在高压喷雾雾化过程模拟的准确性,基于欧拉-拉格朗日方法,参照Sandia国家实验室ECN研究组的Spray A正十二烷喷雾试验,开展高压喷雾过程的数值模拟研究。不同湍流模型和液滴破碎模型的仿真结果表明：对高压喷雾雾化过程进行数值仿真时,湍流模型中标准k-ε模型和Realizable k-ε模型的数值模拟结果与试验结果更加接近,其中标准k-ε模型能更准确地预测液相贯穿距,Realizable k-ε模型能更准确地预测气相贯穿距;液滴破碎模型中KH-RT模型与Wave模型的模拟结果与试验结果都比较接近,且KH-RT模型的模拟结果准确性更高。     

针阀启闭过程近场射流破碎机理的研究

设计搭建了喷油器试验平台,采用数码相机和高放大倍数、高分辩率的长距离显微镜成像技术,对燃油近场区域射流破碎进行可视化试验.并以试验工况下的流动为研究对象,基于开源计算流体动力学(CFD)软件OpenFOAM对针阀启闭过程近场射流破碎进行了数值模拟.结果表明:喷油初期,针阀开启后燃油撞击喷孔内初始气泡造成近场初始射流不同破碎形态,初始气泡大小以及位置导致近场初始射流头部不同结构形态;射流表面形成不稳定的表面波以及表面波的增长导致了近场区射流初始破碎、射流与环境气体的交互作用,加速射流破碎以及液丝、液滴的形成,在射流表面液丝和液滴剥离处存在较强的微尺度湍流,该区域具有较高的湍动能和亚网格涡黏系数;喷油末期,随着针阀关闭射流逐渐收缩,最终形成较粗液丝状,并呈非轴对称摆动.     

启喷阶段高压柴油射流雾化机理的大涡模拟

采用气液两相流大涡模拟(LES)方法,结合VOF模型对高压柴油射流在启喷阶段的雾化过程进行数值求解.LES与实验结果(喷雾结构和贯穿距离)具有较好的一致性.然后结合LES模拟的流场信息(速度场、压力场和亚网格黏度场)对雾化过程进行分析.同时通过对比LES结果、实验结果和线性不稳定理论结果对启喷阶段的雾化机理进行了探讨,并提出了新的喷束结构(比Hiroshi Hattori提出的喷束结构更准确地描述了喷束迎风面结构).最后,研究了环境背压对喷雾结构的影响.研究表明,对于无空泡射流,启喷阶段射流头部迎风面存在的RT不稳定机制分裂的液滴是液滴的主要来源.     

基于多组分蒸发模型的柴油喷雾燃烧的LES研究

采用大涡模拟方法结合多组分蒸发模型对定容燃烧室内的柴油喷雾和燃烧过程进行了数值模拟研究.在大涡模拟中,采用动态结构模型模拟亚网格应力项,基于反褶积方法在湍动能的输运方程中增加了源项,表征燃油液滴与环境气体在亚网格尺度的相互作用;在多组分蒸发模型中,采用Gamma函数描述柴油液滴组分的摩尔分布,推导了基于连续热力学方法的气相组分控制方程的大涡模拟形式.将上述模型写入到多维CFD程序KIVA-4中,通过与无蒸发燃油喷雾和有蒸发喷雾燃烧过程相关实验数据的对比,计算得到了更为真实的喷雾形态和碳烟分布等结果,表明了该模型对提高柴油喷雾燃烧过程仿真性能具有巨大潜力.     

基于完全雾化法的缸内直喷汽油机喷雾雾化

通过定容弹自由喷雾试验分析了喷油压力、环境压力及环境温度对缸内直喷汽油机用6孔喷油器喷雾特性的影响.为获得适用于高压汽油喷雾破碎模拟的数值模型,基于喷孔出口处喷雾已完全雾化的假设,对喷雾初始粒径由2?-分布采样并结合喷雾贯穿距对喷雾液滴初始速度进行修正,二次破碎模拟采用Huh-Gosman模型对定容室内喷雾雾化过程进行了模拟.与喷雾试验结果相比,修正后的喷雾破碎模型无论是外观形态还是喷雾贯穿距以及索特平均直径(SMD)均与实际喷雾很好地贴合,为汽油喷雾破碎模拟探索出一条适用且便捷的途径.     

单液滴撞击薄液膜产生二次雾化过程的数值模拟

应用数值模拟方法研究单液滴撞击薄液膜的动力学行为.在二维轴对称坐标系内,采用VOF方法与网格局部瞬时加密技术相结合,跟踪液滴和液膜与空气间的气液两相界面.结果表明,液滴撞击薄液膜的演化行为主要受液滴初始动能、表面张力以及液体黏性的影响.初始动能越大,则形成的空间液膜最大高度越大,达到稳定状态越晚,飞溅开始时刻越早,飞溅生成的二次液滴数量也越多;在扩展后期及回缩阶段,空间液膜的形成主要受液体黏度影响,增加液体黏度会阻碍空间液膜飞溅;表面张力增大,形成的空间液膜高度减小、厚度增加,同时阻碍二次液滴的生成.     

基于VOF-DPM模型的离心喷嘴中的燃油流动及雾化特征研究

针对燃油在离心喷嘴中的内部流动及其外部雾化过程,采用VOF-DPM模型对其进行了数值模拟研究。分析了压力对喷嘴出口处空气芯大小和液膜厚度的影响,得到了液膜破碎长度和雾化锥角等雾化特性,应用实验测试结果对数值模拟进行了验证,并与流体体积函数法(VOF)和离散相追踪法(DPM)进行了对比。结果表明：VOF-DPM模型可以真实反映离心喷嘴的内部流动和外部雾化特性,研究发现了与实际雾化过程符合的液膜破碎存在孔洞破碎和边缘破碎两种形式;捕捉到了在液膜表面的波动及气动力共同作用下液膜失稳破碎形成液滴的过程;燃油流动及雾化特性随着压力增加发生变化,喷嘴内空气芯直径增大,出口处液膜厚度减小,液膜的破碎长度下降。     

燃油喷雾过程的大涡模拟研究

将大涡模拟湍流模型应用于定容弹中的柴油喷雾过程的数值研究,同时以试验结果作为参照,与RANS(RNG κ-ε)模型进行了对比分析,考察r网格密度对计算结果的影响.结果表明:使用RANS模型,网格疏密对喷雾贯穿距影响很小;而大涡模拟计算的贯穿距随着网格的加密而减小,且更接近于试验值.另一方面,液滴索特直径对湍流模型以及网格的密度均不敏感.大涡模拟预测的燃油喷雾的各项特性均优于RANS模型,而且大涡模拟可以捕捉到湍涡的小尺度随机结构,从而更精确地预测湍流特性.     

亚网格湍动能及湍流弥散效应对燃油喷雾特性的影响

采用大涡模拟方法和不同的雾化模型对定容弹中燃油喷射和雾化过程进行数值分析.着重探讨亚网格尺度湍动能,特别是燃油喷雾所诱导的亚网格湍能源项对液滴运动和喷雾特性的影响,并进一步探讨了亚网格气相湍动能对液滴弥散速度乃至喷雾场的影响.通过对不同的工况条件的模拟计算对喷雾的影响因素进行了讨论并与相关的实验进行了比较.计算结果表明,KH-RT破碎模型要优于MTAB模型,湍流弥散效应和亚网格湍动能喷雾源项对燃油喷雾有着重要的影响,其作用均是减少喷雾贯穿距,使模拟结果更接近于实验.其中,湍流弥散效应的影响更为显著.     

燃油喷射2次雾化模型

本主要研究燃油喷入气体中的雾化过程。在假设雾化是由于气液之间气动相互作用导致液体射流表面不稳定波增长并最终导致细小液滴形成的基础上，把燃油雾化过程分为两个阶段：１次雾化和２次雾化。前只发生在气液交界面上，主要由不稳定波增长和破碎所引起；后则发生在气液渗混区，受１次雾化后形成的液滴在气体中进一步破碎和聚合控制。章最后分析了某些参数对雾化的影响，并把计算得到的喷雾贯穿距离和ＳＭＤ同实验进行了比     

基于气液两相流大涡模拟研究柴油喷射的雾化过程

采用气液两相流大涡模拟对燃油雾化过程进行数值模拟.通过建立不同的计算边界研究了喷油器结构对喷孔内流及近喷孔区域燃油雾化特性的影响.在对比分析射流结构和喷孔内外流计算结果的基础上,讨论了射流初始扰动的产生机理及燃油雾化机理.根据计算结果发现:喷油器结构对喷孔内流有重要影响,实际喷油器的复杂结构会使燃油在离开喷孔前发展为湍流,湍流是导致初始扰动具有复杂频率和振幅组成的原因.边界突变是产生喷孔出口区域轴对称初始扰动的原因,该类型初始扰动具有单一的频率和振幅.     

Modeling multiphase flow: Spray breakup using volume of fluids in a dynamics LES FEM method

Currently, all commercial software for engine modeling investigates the dispersed droplet phase of the injection process. Understanding the effect of geometry of the injector nozzle, initial jet conditions, fluid properties in the liquid film, breakup, resulting droplet sizes, and distribution are of primary importance to improve fuel efficiency and lower gas emissions. We have developed an innovative computational method and models to make this atomization process more predictive: a multiscale, multiphase fluid simulation, using a volume-of-fluid method implemented in a large eddy simulation algorithm found in the new KIVA-hpFE, a finite element method flow solver for all flow regimes.     

基于欧拉多流体模型对喷嘴内流和射流破碎的研究

在Open FOAM的框架下,采用多流体模型和大涡模拟方法研究不同背压对喷嘴内流和射流破碎的影响.利用已修正的空化模型考虑了空化现象,利用界面压缩法对两相界面进行捕捉,进而分析燃油的一次破碎过程.结果表明:降低背压有利于喷嘴内部空化的形成与发展,但会导致喷嘴喉部有效流通面积减小,流动阻力增加,质量流量降低.射流破碎中气/液相界面处气/液两相存在很大的速度差,导致产生很强的阻力,大大促进了一次破碎过程中主喷雾区和蘑菇头的破碎.背压越高,空气密度越大,则燃油受到的阻力越大,液柱破碎越剧烈且射流破碎角越大.因此,同时提高喷射压力和背压可以促进燃油与空气的混合,也可以有效抑制空化来避免空蚀现象以及流量系数降低,从而延长喷嘴的使用寿命.     

船用柴油机高压喷嘴空穴流动的瞬态数值分析

利用CFD软件对某型船用柴油机高压喷嘴内部的瞬态流动进行了数值研究,计算得到了不同喷孔参数和不同共轨压力下喷嘴内部的液相速度、压力、湍动能以及气相体积分数（空穴）的分布情况。结果表明,在相同轨压下小孔径喷孔可以加强液柱表面的初始扰动水平,增强液柱的初次破碎能力,有利于燃油雾化;高的共轨压力加大了气液两相间的相对速度,有助液柱的初次破碎。     

柴油机多阶雾化模型及动态喷雾模拟

本文在作者推导的有粘液柱３维不稳定弥散关系式的基础上，对柴油机喷注的雾化机理进行了分析，建立了燃油雾化的多阶不稳定模型，根据不稳定流的最大波幅增长点提出了初始雾化参数（如滴径及滴径分布，喷雾锥角）的具体算法，并考虑了液滴的２次雾化问题。以半波正弦喷油规律为例的动态喷雾模拟表明，本文的计算对蒸发量有明显的改进，从而有助于解决原ＫＩＶＡ计算中蒸发量不足的问题，更重要的是，初始雾化模型的建立把多维模型中缸内工作过程与缸外供油过程密切联系起来，有利于分析喷油系统对喷雾混合过程的影响。     

射流参数对旋流雾化的影响

本文利用线性不稳定性理论,分析了无粘旋转液体射流射入无界气体介质中的破碎机理。通过改变各项射流参数,着重分析了液体旋流数对射流分裂雾化的影响,同时也探讨了与各种射流条件相对应的射流分裂雾化的主导模式。其研究结果可为旋流在工程实际中的应用,特别是在直喷式汽油机中的应用提供了一定的理论依据。     

Liquid jet in a subsonic gaseous crossflow: Recent progress and remaining challenges

This article reviews published literature on the characteristics of a liquid jet injected transversally into a subsonic gaseous crossflow. The review covers the following aspects: (і) liquid jet primary breakup regimes, (іі) liquid jet trajectory and penetration, (ііі) liquid jet breakup length, and (іv) droplets features and formation mechanisms. The focus is on analyzing the role of different prominent parameters which include gaseous and liquid properties, and liquid injector geometry. The review revealed that gas Weber number plays a crucial role in defining non-turbulent primary breakup regimes, while liquid jet Weber number is of great importance for the transition to turbulent primary breakup. Jet-to-crossflow momentum flux ratio is the most important parameter for predicting the trajectory, penetration, and breakup length of a liquid jet in a crossflow. The characteristics of droplets disintegrated during the primary breakup are mostly influenced by the nozzle exit conditions, whereas the characteristics of droplets produced via the secondary breakup are strongly dependent on the velocity of cross airflow. Although the review revealed that substantial progress has been made in understanding this complex two-phase flow phenomenon, there still remain several shortcomings which require further research.     

柴油机不同类型喷嘴内部空化流动特性的研究

柴油喷嘴内部空化效应是燃油液体射流雾化的重要原因之一。针对目前发动机上广泛采用的SAC型和VCO型两种柴油机多孔喷嘴,运用基于欧拉多流体法的多相流模型,通过全自动网格生成技术,对二者进行了多维数值模拟。将空化模型应用于数值模拟中,全面分析了喷射压力、喷孔背压、喷孔入口圆角半径和喷孔倾斜角等参数对喷孔内部空化流动及出口流量的影响。结果表明,增大喷射压力容易促使空化的发生,压力较大时,SAC型喷嘴出口流量变化不如VCO型的大;出口压力对空化起到抑制作用,减小出口压力有利于空化的形成,有助于喷孔出口燃油的雾化;喷孔入口圆角半径和倾斜角的增大,使得孔内流动变得更加顺畅,燃油蒸气体积变小,出口流量增加。所以孔内空化效应对缸内喷雾过程尤其是燃油液体射流的初始破碎的影响不容忽视。     

低排放燃烧室空气雾化喷嘴射流破碎特性研究

针对当前广泛应用于低排放燃气轮机燃烧室中的空气雾化喷嘴,采用大涡模拟（Large Eddy Simulation,LES）和流体体积法（Volume of Fluid,VOF）研究了其在流动模糊（Flow Blurring,FB）和流动聚焦（Flow Focusing,FF）模式下射流一次破碎过程的差异。结果表明：两种模式的射流一次破碎过程均可分为3个阶段,气液交界面波动阶段、射流发展阶段和射流破碎阶段;喷嘴内部回流区的演变决定了气液交界面的波动程度,流动模糊模式下射流在后两个阶段的径向速度和形态变化程度均远高于流动聚焦模式,气泡回流过程在其射流破碎阶段占据主导地位,液体管道内气泡分布位置与涡的强度呈正相关。