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.     

利用PLIEF技术研究超高压燃油喷雾雾化和混合过程

采用复合激光诱导荧光(PLIEF)技术,对燃烧室内自由发展阶段超高压喷雾的贯穿距离、锥角及气液相浓度分布情况进行了研究.实验中喷油压力从160 MPa升高到220 MPa,环境气体密度由3.7 kg/m3变化到7.4 kg/m3.研究发现,随着喷油压力升高,气相喷雾不均匀度在喷油定时T=42°CA RTDC时减小了36.7%,而在喷油定时T=-6°CA BTDC时仅减小28.4%.同时,气、液相喷雾锥角显著增大,贯穿距离小幅度减小.根据实验数据,提出了一个喷雾贯穿距离修正公式.研究还发现,当L/d0≥90时,喷雾已得到充分发展,比传统压力研究结果小很多.     

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.     

小型直喷式柴油机喷雾特性的试验研究

为了掌握喷雾的结构物特性,利用高速摄像装置和高压容器拍摄了喷雾的逆光图像,并研究了喷雾周围介质压力对喷雾贯穿距离、喷雾锥角以及蒸发等喷雾特性的影响。在液滴数密度较大的条件下,燃料液滴的蒸发速率传热过程和雾化质量的影响;喷射妆期喷雾的贯穿距离和贯穿速度几乎不受介质物影响;喷雾的贯穿跨离受喷油压力的影响不大,但随着喷油压力的提高,喷雾锥角增大,喷雾质量得到改善。     

复合激光诱导荧光定量标定技术及其对喷雾特性研究的应用Ⅱ:喷射参数和环境参数对喷雾特性的定量分析

在改变喷射控制参数和环境参数的喷雾特性研究中,应用定量标定的试验结果深入开展了喷油压力、喷孔孔径、环境密度和环境温度对喷雾各个特性参数影响的研究。研究中发现,提高喷射压力能提高喷雾动能,加速液相喷雾的破碎、促进液相蒸发形成气相喷雾,提高贯穿速率,有利于喷雾的扩散和蒸发。小孔径的喷油嘴,虽然能够减少贯穿距离,但也同时减弱了喷雾和空气的混合空间范围;由于小孔径促进了喷雾的破碎和蒸发,气相喷雾分布均匀程度明显提高。环境密度高的条件下明显减小了喷雾的贯穿距离,这样虽然导致喷雾的扩散速率降低,但由于单位体积内气体量的大幅增加,加快了环境气体和喷雾之间的互相作用,更容易形成气相。环境温度对喷雾的蒸发速率起关键作用,液相喷雾贯穿距离随温度升高而减小,同时,气相最大当量比出现时间提前,这些说明环境温度升高,加速了环境气体和喷雾间的热交换,提高了喷雾的蒸发速率,最终促进气相快速形成。     

利用PLIEF技术对重型柴油机类似环境条件下柴油喷雾特性和浓度场的定量研究

利用复合激光诱导荧光技术在定容弹内定量研究了环境温度、环境密度、氧浓度等对重型柴油机类似环境条件下柴油喷雾特性和浓度场的影响。试验中,环境密度为20～100kg/m3,氧浓度为15%～21%,喷油压力为100～220MPa。研究发现,提高环境密度,最大液核长度显著缩短;减小喷孔直径,液核最大长度呈线性下降。降低环境温度或提高喷油压力可以弥补减小喷孔直径或提高环境密度对贯穿距离的影响。在增加充分发展期气相喷雾稀混区燃油比例方面,减小喷孔直径、降低环境温度、提高环境密度和提高喷油压力具有相互替代性。     

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。     

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。     

高温环境下二甲基醚(DME)喷雾特性的实验研究

对二甲基醚（DME）在高温条件下的喷雾特性进行了实验研究。结果结果表明：与常温条件相比，DME喷雾体喷雾核心面积变小，喷雾体呈薄雾状发展，DME蒸发极为迅速；高温条件下喷油前期DME的嘴端压力比常温下小；在所实验的温度范围内，环境温度对喷雾体的贯穿距离没有影响；环境密度对喷雾体贯穿距离的影响也较小，环境密度增大时，贯穿距离略有减小。     

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。     

柴油机高压喷雾雾场的温度测量

喷雾场的温度对燃油的蒸发，混合气的形成，着火以及火焰传播有着决定性影响。在进行数学模拟时，雾场温度是很重要但很难测量的参数，迄今尚少有直接测量结果的报道。本文用薄膜式热电偶测量了柴油机高压喷雾雾场内的温度随时间的变化。热电偶经氩离子脉冲激光器标定，其时间常数约为６０‘μｓ。燃油喷射压力为１０２ＭＰａ～１３４ＭＰａ。测量结果表明，在本实验条件下，雾场内的温度与环境气体温度相差只有８Ｋ～３０Ｋ左右，比预计值要小很多。而且，环境温度较高时，雾场内外温度差减小。这可能是由于热管效应的作用。喷油压力对雾场内外温差没有明显影响，雾场外围处比雾场中心处与环境的温差要小。近喷嘴处的温度测量值随时间单调下降，且与环境温度相差较大，表明此处燃油沉积作用比较明显。     

基于纹影法的高压柴油喷雾反射激波特性

使用某型柴油机燃烧室的截面拉伸模型,在其内部进行常温下的高压柴油喷射,通过纹影法研究诱导激波撞壁反射之后本身的运动特性以及对喷雾发展造成的影响,并与无燃烧室模型的试验数据对比.结果表明:诱导激波撞壁反射按照时间发展顺序主要分为3个类别;其中第一类反射激波主要影响喷雾横向扩散,会造成喷雾锥角相较于无激波工况减小,并且其抑制效果与喷射压力及背景压力均呈反比,同时,第一类反射激波两翼的运动不对称性也会造成喷雾明显偏离轴心,其偏轴程度与背景压力呈反比,与喷射压力无关.     

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.     

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。     

燃油喷射系统参数对二甲醚闪急沸腾喷雾的影响

在环境温度293 K、环境压力0.1 MPa条件下,采用数字粒子图像速度场仪(DPIV)研究了喷嘴开启压力、喷孔直径对二甲醚(DME)闪急沸腾喷雾和柴油喷雾的影响。研究结果表明:与柴油喷雾相比,DME闪急沸腾喷雾具有较大的喷雾锥角、喷雾面积和较小的喷雾贯穿距;这3个参数均随喷嘴开启压力的提高而增大;当喷孔直径增大时,喷雾锥角和喷雾面积随之增加,而喷雾贯穿距可能增大也可能减小。     

柴油机高压喷雾碰壁前后粒子速度的LDA试验研究

利用3光束二维氩离子激光多普勒测速仪对柴油机高压喷雾碰壁前和碰壁后的粒子速度进行了试验研究。结果表明：喷雾中液体粒子速度分布范围很宽,在距离喷嘴70mm处,粒子速度仍可达100m/s左右,且沿径向分布平坦,与气体射流速度的分布不同。在喷雾可见边界之外测量到有高速粒子存在。喷雾碰壁后,反弹粒子速度的统计值大大衰减,且主要为沿壁面爬行。滴群的运动形态类似于碰壁后的气体射流而不同于碰壁反弹的固体颗粒。     

Evolution of liquid and gas phases in multi‐plume spray injection

In this study, the unsteady development of multi‐plume sprays has been investigated by large eddy simulations with Eulerian–Lagrangian multiphase approach for both global spray characteristics and local flow features. Multi‐plume sprays are injected at the injection pressures of 10 MPa and 15 MPa, and the temperature of T_s = 297.65 K into the ambient air at the atmospheric pressure and temperature of T_a = 293.15 K. Experimentally obtained global multi‐plume spray characteristics in terms of spray shape and penetration are used to validate the present numerical simulations. The present numerical predictions for Sauter mean diameter and its temporal variation agree well with the empirical correlations. The predicted droplet size distribution evolves temporally and spatially, and exhibits bimodal distribution, until eventually the mode for small droplet sizes dominates. The spray plumes are found to have limited interaction due to the relatively large orientation angles between the plumes. Because of the momentum transfer from the liquid to gas phase, spray‐induced air jets appear in the multi‐plume sprays. Using vorticity, pressure, and λ₂ − criterion fields, it is shown that the spray‐induced air jets form similar vortical structures as single phase jets. Similarities between the spray‐induced air jets and single phase jets in terms of the shear layer vortical structures such as hairpin‐like vortices improves our understanding of the entrainment and mixing processes in multi‐plume sprays. Copyright © 2016 John Wiley & Sons, Ltd.     

二甲基醚（ＤＭＥ）喷雾一般牧场生的试验研究

介绍了在高压环境下对二甲基醚（ＤＭＥ）喷雾一般特性的试验研究结果,并与柴油的喷雾特性进行了比较。试验研究是在定容燃烧弹上进行的,用阴影法通过高速数字摄影机拍摄了二甲基醚和柴油的喷雾发展过程,应用计算机图像处理进行喷雾过程图像再现。研究结果表明：ＤＭＥ的喷雾贯穿蹁距离比柴油小,喷雾锥角比柴油大;在喷雾自由发展过程中,ＤＭＥ的蒸发速度比柴油快;环境密度对ＤＭＥ喷雾特性的影响与柴油相似,即密度增大,锥角增大,贯穿距离减小。在燃烧室壁面附近,柴油的喷雾锥角迅速增大,而ＤＭＥ喷雾锥角几乎没有明显的变化。     

Vaporization and collision modeling of liquid fuel sprays in a co-axial fuel and air pre-mixer

Droplet collision occurs frequently in regions where the droplet number density is high. Even for Lean Premixed and Pre-vaporized (LPP) liquid sprays, the collision effects can be very high on the droplet size distributions, which will in turn affect the droplet vaporization process. Hence, in conjunction with vaporization modeling, collision modeling for such spray systems is also essential. The standard O’Rourke’s collision model, usually implemented in CFD codes, tends to generate unphysical numerical artifact when simulations are performed on Cartesian grid and the results are not grid independent. Thus, a new collision modeling approach based on no-time-counter method (NTC) proposed by Schmidt and Rutland is implemented to replace O’Rourke’s collision algorithm to solve a spray injection problem in a cylindrical coflow premixer. The so called “four-leaf clover” numerical artifacts are eliminated by the new collision algorithm and results from a diesel spray show very good grid independence. Next, the dispersion and vaporization processes for liquid fuel sprays are simulated in a coflow premixer. Two liquid fuels under investigation are jet-A and Rapeseed Methyl Esters (RME). Results show very good grid independence in terms of SMD distribution, droplet number distribution and fuel vapor mass flow rate. A baseline test is first established with a spray cone angle of 90° and injection velocity of 3 m/s and jet-A achieves much better vaporization performance than RME due to its higher vapor pressure. To improve the vaporization performance for both fuels, a series of simulations have been done at several different combinations of spray cone angle and injection velocity. At relatively low spray cone angle and injection velocity, the collision effect on the average droplet size and the vaporization performance are very high due to relatively high coalescence rate induced by droplet collisions. Thus, at higher spray cone angle and injection velocity, the results expectedly show improvement in fuel vaporization performance since smaller droplet has a higher vaporization rate. The vaporization performance and the level of homogeneity of fuel–air mixture can be significantly improved when the dispersion level is high, which can be achieved by increasing the spray cone angle and injection velocity.