天然气/柴油双燃料射流喷射及其相互作用试验

在定容弹上利用高速摄影纹影法开展了不同环境压力和喷射压力下的天然气/柴油双燃料高压喷射射流特性试验.通过纹影照片得到了不同喷射压力和环境压力下的射流贯穿距、射流锥角和射流面积随时间变化的规律.结果表明:随着环境压力增大,天然气贯穿距和射流面积减小,射流锥角增大;随着天然气喷射压力增大,天然气射流贯穿距与射流面积增大,气体射流锥角逐渐减小.在较高环境压力和喷射压力情况下,双燃料喷射中的柴油射流对天然气射流的发展具有促进作用.当环境压力达到0.9,MPa时,双燃料射流中的气体射流锥角比单燃料射流高出12%,,双燃料射流中的气体射流贯穿距比单燃料射流整体低了5%,左右.     

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.     

高压共轨燃油系统喷油诱导的压力波特征试验研究

在油泵试验台架上开展喷油为主动量诱导的高压压力波动特征的试验研究,分析靠近嘴端的高压油管内以及高压油轨的轨压传感器处压力波动规律。研究表明:柴油机高压共轨燃油喷射系统中,喷油引起的压力波不受油泵引起的压力波影响;喷油引起的嘴端压力波动比轨端要显著;嘴端压力波呈现明显的波动衰减,其压力波的频率与燃油属性有关,波动的最大振幅主要与喷射压力、喷孔大小有关;高压油轨处的压力波动特征不明显,单次喷油引起的轨压下降总量不仅与喷射压力、喷孔大小有关,还与喷射脉宽有关。     

天然气发动机燃气射流特性的可视化

基于纹影法,对不同孔径的单孔喷嘴在多种气源压力和背压条件下的高压燃气射流宏观结构特性进行研究.结果表明:即使在很小的压力差条件下,喷孔出口处仍然会形成不充分膨胀气体射流,而气体在出口处的膨胀、加速过程和诱导激波是区别于液体喷雾的主要特征.背压变化对气源与背压比的影响明显,其对射流贯穿距及锥角的影响要大于气源压力和孔径带来的影响.虽然甲烷和氮气的密度差别较大,但在相同条件下贯穿距结果无明显区别,壅塞现象对高压燃气喷射具有重要影响.由此,初步提出了针对高压燃气喷射的射流贯穿距经验公式.喷孔出口处的膨胀过程使燃气射流的近场锥角要明显大于远场锥角,同时使气体速度达到超声速,但对射流前锋面速度无明显影响,在喷射时间T_(ASOI)=1,ms之后,前锋面速度便降低到了50,m/s以下.在低背压条件下,燃气射流表现出较强的空间拓展和分布能力,但随着背压增加,气体射流的面积和体积明显减小.     

顶部浸没式气体射流初始冲击行为特征的数值模拟

采用数值模拟方法对冲击水浴式洗涤净化过程中顶部浸没气体射流冲击液体的气液流动过程进行了研究。着重揭示了在气体射流冲击液体初始阶段的冲击行为过程,获得了最大冲击深度等表征冲击流动的参数及其变化规律。数值模拟得到了与实验相同的结论。数值研究发现:冲击凹坑的发展变化经历了凹坑形成、凹坑长大、凹坑膨胀停滞和凹坑上浮运动4个阶段;气体射流动量的大小是影响最大冲击深度的重要因素之一;在气体射流动量一定的情况下,最大冲击深度随着喷口尺寸的增加而减小;管口浸没深度对气体射流最大冲击深度的影响不大。     

氩-氧氛围中氢气射流喷射与混合特性的研究

氩气循环氢燃料发动机以氩-氧(Ar-O_2)混合气代替空气作为工质气体,可提高发动机效率,并避免NO_x的产生.基于纹影法研究了氩-氧氛围中不同压力边界下氢气射流喷射与混合特性,结果表明:氢气射流锥角总体上随着喷射过程的发展逐渐减小,然后趋于稳定,且受压力边界的影响较小,稳定在28.5°～33.5°;射流截面积随着喷射过程的发展近似呈线性增长;提高喷射压力以获得大贯穿距离是提高射流截面积及体积的有效方法;射流内部过量氧气系数φ_o随着喷射过程的发展呈上升趋势,选取高喷射压力有助于增大射流内部过量氧气系数,且对于一定的喷射压力,存在实现最大过量氧气系数的最佳环境压力.通过对不同压力边界下射流贯穿距离与喷射时间的关系拟合分析,获得一种基于压力边界预测气体射流贯穿距离的方法.     

环境气体对氢气喷射与卷吸特性的影响

基于RANS方法对氢气在氩气和氮气氛围下的高压喷射过程进行仿真,研究了压力、温度和激波对氢气射流喷射和卷吸特性的影响.研究表明:射流贯穿距由于马赫盘的存在而呈现三阶段变化.在不同喷射压力下,射流前期卷吸能力随着喷嘴压力比(NPR)的增加而增大,而后期呈现相反趋势.在相同密度下,激波影响射流前期卷吸效果,但随着射流发展效果逐渐减弱.温度升高,氢气射流的贯穿距明显增大,但射流卷吸能力也显著降低.此外,氢气射流在氮气氛围下的卷吸环境气体物质的量和卷吸能力均强于氩气氛围.     

激光诱导荧光法研究柴油机新概念燃烧中的喷雾混合过程

建立了一套基于激光诱导荧光法的光学试验装置，用高压共轨式电控喷射器喷射燃油，其喷射压力达120MPa。此喷射器能在微机控制下实现预喷射和分段喷射。定容燃烧弹预先充上气体，其主要成分是氮气，还有一部分是乙炔和氧的混合气。在燃油喷射之前，点燃乙炔和氧的混合气，使燃烧室内的压力上升至6MPa，温度上升至1000K。试验结果与前期的气体射流模型结果吻合，在燃烧室壁面设置限流沿后，所产生的二次射流可以形成稀薄的混合气区。因此，使用限流沿的新概念混合气形成过程有望用于降低柴油机的碳烟和NOx排放。     

高压甲烷圆形喷嘴的射流特性仿真

天然气缸内直喷是当前的热点技术之一,研究其射流特性及射流卷吸规律对优化直喷天然气发动机有重要意义.建立了三维模型,开展了高压甲烷气体在圆形单喷孔中的射流特性三维仿真研究,并结合质量流量和贯穿距离试验结果验证了模型;研究了入口压力为5、10和20 MPa、背压为2 MPa时喷嘴内流动以及气体射流的变化规律.结果表明:喷嘴出口处射流速度达到音速时,出现速度雍塞;根据气体射流平均速度发展趋势,喷嘴外气体射流可分为两个区域:喷嘴近端区域,气体离开喷嘴迅速膨胀,形成马赫盘,导致该区域气体射流速度迅速下降;喷嘴远端区域,马赫盘消失,气体膨胀作用较小,气体射流速度趋于平缓;在近喷嘴端区域,射流天然气对背景气体的卷吸能力较强,气体射流区域的质量流量增加率较大,而在喷嘴远端区域,卷吸能力减弱,射流区域的质量流量变化不大.因而可知高压甲烷射流特性及其对背景气体的卷吸影响作用有助于研究直喷天然气缸内混合过程.     

高压甲烷射流冲击预混火焰过程中涡量的变化

基于CONVERGE软件开展三维仿真计算，分析了定容燃烧弹内高压甲烷射流撞击当量比为1的预混气体燃烧过程中的涡量变化特征．根据射流前锋面与火焰的位置关系，将火焰发展全过程分为射流前峰面未接触火焰阶段、进入火焰阶段和离开火焰阶段3个阶段．相比于自由射流贯穿速度，在射流进入火焰阶段射流燃烧平均贯穿速度显著增加，并大于自由射流的贯穿速度和预混燃烧速度之和．产生此结果的原因是此阶段动量参数涡量的大幅增加；在轴向距离为40 mm处、火焰发展时间为1.6 ms时，射流燃烧模式平均涡量值与自由射流模式差值最大，约为260 s-1，是此时此截面预混燃烧模式平均涡量值6 s-1的43倍．     

电控组合泵低压系统压力动态特性研究

电控组合泵是集机械、液力和电磁于一体的系统,是一种满足柴油机排放和经济性的新型电控单体泵喷油系统。其低压系统压力动态特性影响了高压系统各缸循环喷射特性的一致性。试验研究表明,在工作时低压系统燃油压力一直处于脉动的循环波动,压力波动范围从最小接近表压0MPa到最大2MPa,波动效应幅值随着喷油脉宽的增加而增大,并且不同测试位置压力波动特性存在微小的不同,压力波形时域曲线与喷油缸数有一一对应关系。对其进行傅里叶变换得出随着工作缸数增加,高压系统对低压系统的影响主要表现在基准频率的倍频部分;对其小波变换得出随着喷油缸数增加,低压压力信号同时向小波变换信号低频和高频方向移动。为了分析低压压力波动对高压喷射特性的影响,采用AMESim软件建立数值模型,计算结果表明各缸低压系统燃油压力和高压系统喷射压力处于循环波动状态,并且各缸存在差别,导致各缸循环喷油量存在微小差别,在1.5mm3内波动,均方差在0.5mm3范围内。     

基于LIBS的定容燃烧弹内乙醇直喷局部当量比测定

基于激光诱导击穿光谱,在定容燃烧弹内研究了乙醇直喷在不同喷射压力、喷射脉宽和预混喷射比下容弹中心位置局部当量比随时间的变化关系.实验结果表明,在全局当量比相同的情况下,容弹中心位置局部当量比在不同喷射压力下均随时间呈先增后减的趋势,在喷射压力越大的情况下,局部当量比增幅越大,且更快地达到最大峰值;不同喷射时间对局部当量...     

平面自由射流中燃料扩散的大涡模拟

对甲烷－空气预混气体的平面自由射流进行了大涡模拟,采用分步投影法求解动量方程,亚格子项采用标准Smagorinsky亚格子模式模拟,压力泊松方程采用修正的循环消去法快速求解,空间方向采用二阶精度的差分格式,在时间方向上采用二阶精度的显式差分格式。模拟结果给出了预混气体射流中拟序结构对燃料扩散的影响,表明促使燃料扩散的主要因素是射流中的拟序结构,由浓度梯度导致的组分扩散较弱。     

柴油机电控燃油喷射系统喷油特性的方差分析

共轨压力和喷油脉宽是高压共轨柴油机燃油喷射系统两个最重要的参数,也是电控柴油机运行性能的两个决定性因素。在自行研制的高压共轨喷油系统上进行了喷油特性试验,并利用双因素方差分析法对不同共轨压力和喷油脉宽下的喷油特性样本值进行了显著性检验。分别检验了共轨压力和喷油脉宽对喷油量以及喷油一致性的影响程度,提出了基于F值的共轨系统工作分析。检验结果表明：喷油量对喷油脉宽的敏感性比共轨压力强,共轨压力和喷油脉宽及其交互效应对喷油一致性没有显著影响。     

高压甲烷射流对层流火焰作用的试验

高压气体燃料射流与引燃的层流火焰间的相互作用决定了天然气直喷发动机的着火稳定性．在定容燃烧弹中,用点火针点燃预混甲烷形成层流火焰,并在不同火焰半径时刻进行高压甲烷射流．采用高速纹影法测试了甲烷不同喷射延时τ对预混层流火焰的影响．结果表明：甲烷喷射延时τ决定了预混层流火焰等效半径R的发展,随着τ增大,预混层流火焰等效半径R增大;射流对层流火焰发展的影响与其作用于层流火焰时火焰等效半径有关,存在一个临界火焰等效半径R₀,当R0时,射流吹熄火焰;R=R₀时,甲烷射流吹熄预混层流火焰后仍可被引燃,火焰传播速度加快;R>R₀时,甲烷射流更容易引燃成湍流燃烧火焰,同时预混火焰未受射流干扰区域仍旧保持层流火焰,此时层流火焰、湍流燃烧火焰并存,火焰传播速度加快．     

双燃料发动机电液协同控制天然气喷射阀运动特性研究

研究了天然气/柴油双燃料发动机电液协同控制燃气喷射阀的运动特性,确定了影响喷射运动特性的主要因素,掌握了喷射阀喷射规律,并通过装机试验分析了喷射阀的适用性。研究结果表明:泄油口孔径一定时,喷射阀最大升程受液压活塞泄油孔位置影响,控制脉宽越大,喷射阀喷射持续时间越长,进气量越大;在喷射阀结构一定的情况下,液压压力及控制脉宽是影响喷射阀运动特性的重要因素,增大液压压力可以增加喷射阀启动及回落响应性,同时也会增大喷射阀的进气流量。     

柴油机电控燃油喷射系统喷油特性韵方差分析

共轨压力和喷油脉宽是高压共轨柴油机燃油喷射系统两个最重要的参数，也是电控柴油机运行性能的两个决定性因素。在自行研制的高压共轨喷油系统上进行了喷油特性试验，并利用双因素方差分析法对不同共轨压力和喷油脉宽下的喷油特性样本值进行了显著性捡验。分别捡验了共轨压力和喷油脉宽对喷油量以及喷油一致性的影响程度，提出了基于F值的共轨系统工作分析。检验结果表明：喷油量对喷油脉宽的敏感性比共轨压力强，共轨压力和喷油脉宽及其交互效应对喷油一致性没有显著影响。     

高压共轨电控直喷式柴油机喷油规律和放热规律对燃烧噪声的影响

直喷式柴油机应用高压共轨电控喷油系统,分析了不同的共轨压力、喷射定时参数和预喷射与气体最高燃烧压力、最大压力升高率及压力升高加速度的关系,探讨了在一定的转速下,放热规律对燃烧噪声的影响.结果表明,预喷射在一定的转速、不同的负荷工况下对燃烧过程和放热率曲线有明显的影响,放热率峰值及作用时间对压力高频振荡及燃烧噪声有明显的作用.     

基于深度学习的甲烷高压射流湍流燃烧火焰图像处理方法研究

基于定容弹开展了高压天然气(甲烷)射流燃烧光学测试,并分别运用深度学习方法和边缘检测算法进行了图像处理。对比结果表明,由于图像中存在射流、火焰差异大的图像识别目标,边缘检测算法无法较好识别射流和火焰,该算法适合于单一目标的火焰图像处理。深度学习方法可识别射流湍流燃烧火焰轮廓,有效地获得射流湍流燃烧火焰前锋面发展位移及火焰传播速度,该方法适用于多个目标的火焰图像处理。根据深度学习图像处理结果表明:当高压甲烷射流接触预燃球形火焰时,火焰由稳定层流速度(<3 m/s)快速上升,最大火焰传播速度高达300 m/s,形成湍流火焰,火焰沿射流方向快速向前发展,火焰面积增加。随着射流和点火时间间隔的增加,最大火焰传播速度线性下降。     

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。