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。     

空气雾化喷嘴在横向流动中的喷雾特性研究

采用激光雾滴粒径分析仪(Malvern)测试不同方案结构的空气雾化喷嘴单元在横向流动中的喷雾特性,并测试了基础双环预混旋流结构和加装空气雾化喷嘴改进结构的喷雾特性。结果表明:空气雾化喷嘴在横向流动中的喷雾特性随工况条件改变而产生的变化趋势符合雾化的基本原理;基础结构和改进形式双环预混旋流结构的对比显示改进结构在各个工况下喷雾的液滴索太尔平均直径SMD明显减小,在出口附近液滴分布更加均匀。说明当主燃级采用空气雾化喷嘴时,可以明显的提高其雾化性能,有利于改善油气混合。     

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。     

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。     

拟用于污泥喷雾干化的喷嘴雾化特性的比较

试验研究了单相喷嘴、双通道外混式喷嘴、双通道内混式喷嘴、三通道外混式喷嘴的雾化特性随液体压力、气液比、轴向距离和径向距离的变化规律。研究结果表明单相喷嘴液滴平均直径随液体压力的增大而减小,随轴向距离和径向距离的增大而增大;双通道外混式喷嘴和双通道内混式喷嘴液滴平均直径随气液比的增大而减小,随轴向距离的增大而增大;三通道外混式喷嘴液滴平均直径随气液比的增大而减小,随轴向距离的增大呈现先减小后增大的变化趋势。根据试验结果,可用于污泥喷雾干化的雾化喷嘴的优先顺序依次为双通道外混式喷嘴、单相喷嘴、双通道内混式喷嘴、三通道外混式喷嘴。     

柴油/二甲氧基甲烷混合燃料喷雾特性的研究

开展了柴油/二甲氧基甲烷(DMM)混合燃料喷雾特性的研究。研究结果表明,在相同环境压力和喷嘴直径下,随着燃料中二甲氧基甲烷掺混比例的增加,喷雾锥角增大,贯穿距离减小;环境压力的增加使得燃油喷雾锥角增大,贯穿距离度减小。对于不同燃油,喷雾锥角与环境压力均呈现θ∝p0a.15的关系;随着喷孔直径增加,喷雾锥角增大,贯穿距离增长;在非破碎段区间内各种燃料的贯穿距离与时间均成正比关系;在破碎段区间内贯穿距离与时间呈现s∝tn关系,对于柴油n=0.6,而且随着DMM含量的增加n值逐渐减小,直至纯DMM时n=0.5。     

航空煤油/乙醇混合燃油旋转锥形液膜表面波波长研究

目前关于航空煤油旋转锥形液膜雾化特性研究较多,在航空煤油/乙醇混合燃油雾化特性方面研究较少．为此,本文主要研究了乙醇体积分数对于离心喷嘴出口处航空煤油/乙醇混合燃油液膜厚度和破碎处表面波波长的影响．基于数值模拟和经验公式相结合的新方法得到航空煤油/乙醇混合燃油在喷嘴出口处的液膜厚度,当压差为0.1～1.0 MPa,混合燃油中乙醇体积分数为0～30%时,液膜厚度随着乙醇体积分数和压差的增大而减小．然后,以喷嘴出口处的液膜厚度为特征长度,对液膜破碎处的表面波波长实验值进行无量纲化,并与根据圆孔射流模型计算得到的长波和短波波长的理论值进行比较,平均分别相差4.7%和7.8%,结果表明圆孔射流模型可预测航空煤油/乙醇混合燃油的表面波波长．     

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.     

正丁醇/柴油调和燃料的蒸发雾化特性研究

将正丁醇和柴油以一定比例进行调和,测定了燃料的运动黏度、馏程、密度、闭口闪点、十六烷值、热值等蒸发雾化特性,并根据试验数据及三维数值模拟,分析了燃料射流在内燃机燃烧室内的雾化液滴直径、喷雾穿透距离及射流的湍流动能和耗散率,并进行了雾化特性之间的相关性分析。研究结果表明:调和燃料的蒸馏特性中10%馏点出现大幅提前,95%馏点相差不大,密度、低热值与掺混比例呈现线性下降趋势,运动黏度、闭口闪点、十六烷值在掺入少量正丁醇时下降明显,随着掺混比增大下降趋势趋于平缓。雾化特性的雾化液滴直径和湍流动能随掺混比例增加呈现减小趋势,而射流的高速扩展区面积及平均耗散率增大。蒸发雾化特性中运动黏度、密度和50%蒸馏点对燃料的雾化结果影响较大,而雾化结果中的液滴直径受燃料特性的影响较大,闭口闪点、十六烷值、热值对雾化的影响相对较弱。     

启喷压力对柴油雾化质量的影响

使用马尔文激光粒度仪研究了喷嘴的启喷压力对柴油雾化质量的影响。结果表明,随启喷压力的增大,喷雾液滴的索特平均直径D32和德布鲁克平均直径D43均减小,累积体积分布曲线向左偏移,到达某一累积体积的液滴直径减小,液滴的相对尺寸范围和发散边界均呈减小的趋势。这说明随启喷压力的增大,大颗粒液滴有所减少,小颗粒的液滴增多,雾化质量有明显地改善。     

丙酮-丁醇-乙醇(ABE)/汽油混合燃料对高速发动机性能影响的试验研究

以发动机4000r/min、节气门开度35%为试验工况,对纯汽油及不同掺混体积分数丙酮-丁醇-乙醇(acetone-butanol-ethanol,ABE)与汽油混合物开展了不同点火提前角和喷油量的试验研究。分析了不同ABE混合比、点火提前角和过量空气系数对发动机性能的影响,并对每种燃料发动机最大功率工况的性能参数进行了比较。结果表明：点火提前角和过量空气系数相同时,混合燃料中ABE含量越高,燃油流量越大,发动机功率越大,有效热效率越高;燃油流量的总热量增大和热-功转换效率提高是促使发动机功率增大的主要原因;随ABE掺混比增加,NO比排放明显降低,CO比排放略有增加,碳氢化合物比排放先增后减。浓混合气工况增加ABE含量比在当量空燃比状态下增加ABE含量,发动机的有效热效率增大更明显,发动机的NO比排放降低更加明显。研究表明高速汽油机掺混ABE燃料具有较好的应用前景。     

Nozzle flow and atomization characteristics of ethanol blended biodiesel fuel

This study was conducted to investigate the injection and atomization characteristics of biodiesel–ethanol blended fuel. The injection performance of biodiesel–ethanol blended fuel was analyzed from the injection rate characteristics using the injection rate measuring system, and the effective injection velocity and effective spray diameter using the nozzle flow model. Moreover, the atomization characteristics, such as local and overall SMD distributions, overall axial velocity and droplet arrival time were analyzed and compared with these from diesel and biodiesel fuels to obtain the atomization characteristics of biodiesel–ethanol blended fuel.It was revealed that ethanol fuel affects the decrease of the peak injection rate and the shortening of the injection delay due to the decrease of fuel properties, such as fuel density and dynamic viscosity. In addition, the ethanol addition improved the atomization performance of biodiesel fuel, because the ethanol blended fuel has a low kinematic viscosity and surface tension, then that has more active interaction with the ambient gas, compared to BD100.     

基于Hartmann哨超声喷嘴的谐振腔结构仿真研究

为便于用试验方法研究汽轮机除湿问题,设计了一种新型大流量、高雾化度的喷嘴,在喷嘴设计中融入类似Hartmann哨的谐振腔结构,并通过超声波效应增强对水滴的雾化效果。采用Fluent流体仿真软件,对湿蒸汽环境下不同Hartmann哨谐振腔结构尺寸的流场速度、压力脉动以及谐振频率进行数值模拟,得到最佳谐振腔结构尺寸。研究结果表明：喷嘴入口压力一定时,改变谐振腔与喷嘴出口的角度（谐振腔夹角）,速度脉动会随谐振腔夹角的增大而增大,而压力脉动随谐振腔夹角增大呈先增大后减小的趋势,在125°夹角下出现峰值;125°夹角下速度脉动最大值区域及谐振频率随谐振腔直径增大而减小;最终确定谐振腔的结构参数,其夹角为125°、直径为3.4 mm、深度为6.4 mm,该结构参数下谐振频率为21 kHz,符合所需频率。     

三组元W／O乳化液的表面张力和雾化特性

研究了W/O型乳化液的表面张力,压力雾化喷嘴的乳化液雾化特性与乳化液的组分、乳化剂的黏度以及喷油压力的关系.实验结果表明:乳化液的表面张力接近柴油,但喷雾滴径均大于柴油,而且喷嘴的启喷压力、乳化液组分和乳化剂黏度对乳化液平均滴径均有显著影响.随着启喷压力升高,喷雾滴径明显减小;若启喷压力相同,随着乳化液中水相含量增加(不高于50%),乳化液喷雾滴径随之增加;采用高黏度、低HLB值乳化剂配制的乳化液的喷雾滴径相对较大;内相界面特性和界面上的乳化剂会对滴径分布有重要影响.     

乙醇/柴油混合燃料喷雾粒度分布特性研究

采用激光粒度分析仪对乙醇/柴油混合燃料稳态自由喷雾粒度分布进行了试验研究,并就不同喷油压力、喷孔直径对乙醇、柴油及乙醇/柴油混合燃料稳态自由喷雾粒度分布的影响进行了对比研究。试验结果表明:各种燃料喷雾索特平均直径(SMD)的空间分布沿喷雾轴线均呈逐渐减小的趋势,其中柴油喷雾的SMD在20～40μm范围内变化,乙醇喷雾较柴油喷雾具有更小的SMD,且其空间分布较为均匀;随着乙醇含量的增加,乙醇/柴油混合燃料喷雾的SMD不断减小,其SMD大小和空间分布均匀性介于柴油喷雾和乙醇喷雾之间。     

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。     

Mechanistic study on spraying of blended biodiesel using phase Doppler anemometry

Droplet size and dynamics of blended palm oil-based fatty acid methyl ester (FAME) and diesel oil spray were mechanistically investigated using a phase Doppler anemometry. A two-fluid atomizer was applied for dispersing viscous blends of blended biodiesel oil with designated flow rates. It was experimentally found that the atomizer could generate a spray with large droplets with Sauter mean diameters of ca. 30 μm at low air injection pressure. Such large droplets traveled with a low velocity along their trajectory after emerging from the nozzle tip. The viscosity of blended biodiesel could significantly affect the atomizing process, resulting in the controlled droplet size distribution. Blended biodiesel with a certain fraction of palm oil-based FAME would be consistently atomized owing to its low viscosity. However, the viscosity could exert only a small effect on the droplet velocity profile with the air injection pressure higher than 0.2 MPa.     

用激光全息术研究轴针式喷油嘴的早期喷雾特性

作者利用同轴全息照相术研究了ZS4S1轴针式喷油嘴的早期喷雾机理和油滴空间分布。作者在常温、常压、无涡流条件下,拍摄了不同喷油压力下油雾场的全息照片。通过再现全息片并对已微粒化油滴的直径大小和数目进行判读后发现,在早期喷雾中,油注的头部区域就发生破碎;中心液注则一直持续到外围完全微粒化。本研究对加深喷雾过程的理解和建立轴针式喷油嘴精确的喷雾模型具有一定的价值。     

旋流式气液同轴式喷油器在加压空间中流量特性的试验研究

在增压条件下对一种旋流式气液同轴喷油器的流量特性进行试验研究.在不同的环境背压条件下,分别研究了气液比、环境背压对燃油流量系数、雾化空气流量系数的影响.结果表明:本喷油器的燃油流量系数稳定在0.2971,不受气液比、环境背压等因素的影响;雾化空气流量系数随环境背压与喷油器雾化空气通道进口压力的压力比的增大而减小,与气液比无关.根据试验数据整理出雾化空气流量系数拟合公式,能够对试验数据作出准确的预测.