重型柴油机相似环境条件下柴油喷雾结构及其浓度场、温度场的数值仿真开题报告

1．结合毕业设计（论文）课题情况，根据所查阅的文献资料，每人撰写

2000字左右的文献综述：

文献综述

1.柴油喷雾结构

1.1研究意义

喷油器是内燃机的重要组成部分。喷雾特性直接影响内燃机的性能和污染物的生成。内燃机燃油喷射过程因其在未来排放法规中的重要性．使得弄清喷雾与空气的混合过程，研究喷雾特性的影响因素和变化规律，特别是探明燃油喷射的雾化及蒸发机理，从而合理组织燃烧已成为当今极重要的课题[1、3]。

一般来说，对喷雾过程的研究有两种方法：一种是在实验设备上进行系统的试验：另一种则是对柴油机的燃油喷射系统工作过程中发生的每一种现象进行模拟计算，并确定数值计算对实际过程的影响。第二种方法是设计和改进燃油系统的重要手段之一，因为它不受第一种方法的限制．可以大量减少试验工作，阐明许多试验研究不能解决的问题，成本低，可以作为发动机早期研究的工具，并且在发动机制造及性能测试期间可以发现并修理故障。但是难点在于目前对复杂现象如液态燃油的雾化及液滴蒸发的理论分析还不够完善。柴油机喷雾的数学模型对喷雾模拟结果的真实性和准确性十分重要．为了获得接近真实工作过程的模拟结果，喷雾模型已经成为最近20多年来研究的重点。

1.2燃油雾化过程分析

柴油机燃油喷射时，随着针阀的上升液态燃油从喷油器内经喷孑L喷入燃烧室内，由于气缸内部高温高压环境．雾化现象从喷油器喷孔出口处就已经开始。燃油雾化可以分为两个过程：初级破碎和次级破碎。初级破碎发生在高韦伯数的喷嘴附近区域。次级破碎主要发生在从液柱顶端开始的较薄的伞状延伸区的外围。在这个区域里喷嘴流动液柱开始瓦解，而空气动力的作用使燃油雾化加剧。因此，可以把喷射雾束分成两个区域：以液态燃油占主要成分的液柱区域和液柱外围的以油、气混合物占主要成分的伞状稀薄油雾发展区域。

喷雾模拟涉及了多相流流动现象，要求对气相和液相的守恒方程同时进行数值求解。喷雾子模型用来再现发生在喷雾过程中的各种各样的物理现象。对雾束的雾化过程有不同的模型[21]，如小滴一气体之间的动量交换、紊流离散，液滴蒸发、二次破裂、液滴碰撞及碰壁涵盖了全部的模型，这些模型允许作用不同流动下的状态模型。经典的破碎模型有TAB，Reitz-diwakar模型和WAVE模型不区分这两个过程。而FIPA和KH-RT等模型对初级破碎和次级破碎分别进行处理[22]。

1.3喷油器内部流动现象对喷雾的影响

喷雾模型的发展越来越重视初级破碎过程。经研究发现，发生在喷嘴附近区域的初始破碎不仅仅是由于气液两相间的相互作用形成的，还受到喷嘴内部的流动现象如湍流和空穴等因素的影响。

由于二次流的存在，在喷嘴喷孔内有气穴现象发生，并且气穴的存在贯穿于整个喷射过程中。在喷孔横截面上气穴区域被分成了两个部分，这种现象一直延伸到喷孔出口。在气穴发生的区域，液态燃油速度相对较低，而在喷孔出口处的气穴发生区域，湍流比较强。气穴分布主要取决于由针阀运动引起的二次流的瞬间变化。在喷雾过程的开始和结束时刻，喷雾锥角要比其它时刻大一些。在不同的针阀高度时气泡流显示了不同的分布状态，并且极不稳定[1]。

1.4喷油嘴燃油喷射雾化形态的研究

1.4.1缝隙孔式喷油嘴偶件

喷油嘴偶件形成燃油的喷注形态及雾化与空气混合过程影响着柴油机的燃烧过程，进而影响其性能和排放。缝隙孔式喷油嘴偶件与传统孔式喷油嘴偶件不同，它的喷孔不是圆孔，是缝隙孔，为了研究缝隙孔式喷油嘴偶件与传统孔式喷油嘴偶件喷注雾化形态的区别，缝隙孔式喷油嘴偶喷注形成的更广蒸汽区域对于柴油机组织缸内的混合燃烧是否更有利，研究人员采用高速照相机进行了缝隙孔式喷油嘴偶件与传统孔式喷油嘴偶件在模拟气缸中喷注雾化的高速摄影，并对喷注雾化形态进行分析和研究[2]。

根据缝隙孔式喷油嘴偶件与传统孔式喷油嘴偶件在模拟气缸中喷注雾化特性的试验分析，得出如下结论：

(1)在同一喷油时刻缝隙孔式喷油嘴偶件雾化贯穿距离较传统孔式喷油嘴偶件喷注雾化贯穿距离大。

(2)在同一喷油时刻缝隙孔式喷油嘴偶件较传统孔式喷油嘴偶件单孔雾化锥角大，

易形成更广的燃油蒸汽区域，增加了与空气接触的表面积，能够促进燃油与空气更好的

混合[4～9]。

1.4.2轴针式喷油嘴

轴针式喷油嘴的头部加了挡块后与无挡块时相比，燃油束与空气的混合面积显著增大．混台气的形成速度和燃烧速度也明显提高。其原因可能是由于油束撞击，使油滴更加分散并增加扩散阶段内卷吸的空气量，加快了燃烧速度[10]。

(1)在轴针式喷油嘴前端加装撞击挡块，可形成油滴分布较广的反弹油束，大大提高燃油与空气的接触面积，有效地弥补了轴针式喷油器油束锥角小、油滴较密集、燃油与空气接触面积小的缺陷，

(2)挡块撞击角度对反弹油束的形状有一定的影响。挡块撞击角度较小时，油滴呈有规则反溅，反弹油柬集中在油嘴一侧。挡块撞击角度较大时，有相当部分反溅油滴集中在喷油嘴四周，反弹油束更趋分散。

(3)喷油器启喷压力提高，反弹油束更趋分散。使用大角度撞击挡块，部分反弹油束更趋杂乱不规则

(4)加装挡块后，反弹形成的二次油雾滴径比撞击前稍有增大，油束的贯穿度有较大的损失[11]。

1.4.3多孔喷油嘴

改善直喷式柴油机喷油嘴的喷雾雾化特性，以获得较大的喷雾角，较短的液核长度，以及较小的液滴直径。在之前的研究中，已经利用单喷孔雾化增强喷油嘴，在相对较低的喷油压力下获得了良好的喷雾雾化特性。在研究中，调查了多喷孔雾化增强喷油嘴的相关特性，目的是改进并得到良好的雾化特性。分析了喷孔数、喷孔直径及喷孔位置等喷油嘴规格对喷雾雾化特性的影响。结果表明，相比单喷孔喷油嘴，利用4喷孔喷油嘴，可使分裂长度缩短约7O，喷雾角扩大约3倍，同时液滴直径极小，从而可获得良好的柴油喷雾雾化特性[12]。

由图可知，在基准的单喷孔雾化增强喷油嘴的喷雾中，存在液柱分裂的线状液体，其喷雾的分布范围最为狭小。本研究因为使用了加大尺寸的喷油嘴，根据拍摄的喷雾图像可推测出，存在比利用原有的粒径测量装置所能获得的测量范围更大的喷雾液滴。因此，无法采用原有的粒径测量装置来测定喷雾粒径，为此，根据拍摄的喷雾图像，研究了喷雾液滴的大小关系。由图5的喷雾图像可以推测，单喷孔喷油嘴的喷雾液滴要比4喷孔喷油嘴和5喷孔喷油嘴的大很多，可知在单喷孔喷油嘴中并没有形成粒径极小的喷雾[9]。

2.柴油喷雾浓度场、温度场

2.1典型重型柴油机类似环境条件下柴油喷雾浓度场和温度场

典型重型柴油机类似环境条件下柴油喷雾浓度场和温度场，环境温度T为950K；喷油压力Pif为180MPa；喷孔直径D为0.10mm，环境密度为60kg/m，氧气体积分数为21%。喷雾发展过程中液核根部(喷嘴外1～2mm)存在一段浓度很小的区域，这是不符合雾化原理的．理论上燃油刚离开喷嘴时，基本上保持为液柱状态[23]，具有最大体积浓度，然而图中显示与此相反．这是因为该处油滴群过于浓密，激光光片穿过喷雾时

能量衰减明显所致[13]。

典型重型柴油机类似环境条件下柴油喷雾浓度(喷油后0．1-0．8ms)

随着喷雾向前发展，液核不断破碎，高温环境气体被卷吸进来，液核头部逐渐变得肥大。随着液核头部和高温环境气体作用时间增长，燃油蒸发加速，气相喷雾瞬态最大当量比上升，瞬态最低温度开始明显低于环境气体平均温度，见图1中喷油后0.1ms。但由于燃油和热的环境气体接触时间较短，气相喷雾瞬态最大当量比仍然较小，气液相喷雾锥角和贯穿距离基本一样。从喷油开始到气液相喷雾轮廓基本完全一样这个阶段称之为喷雾发展初期。

随着喷雾继续向前发展(图中喷油后0.20_3ms)，液核继续破碎，更多新鲜高温环境气体被卷吸进来，由于动量守恒，射流贯穿速率和混合能量迅速衰减，喷雾贯穿距离增大，头部也更加肥大。而处于头部的液相燃油由于较早被喷射进来，和高温环境气体接触时问较长、蒸发加快，与之相对应的此处气相喷雾瞬态最大当量比继续升高，开始出现当量比大于2的混合气，气相喷雾瞬态最低温度也进一步下降，尤其是在液核区域，气相喷雾低温核区开始形成。气相喷雾锥角超过液相喷雾，但二者贯穿距离仍然基本一样。在气相喷雾外缘出现的相对稀薄的燃油/空气混合气区域，称之为气相喷雾外壳。随着喷雾进一步向前发展(喷油后0.4ms)，由于在前进途中不断蒸发，液核前锋油滴被完全蒸发掉，液核达到其最大贯穿距离约为13mm；而气相喷雾则开始明显超过液相喷雾继续向前发展，气相喷雾外壳增厚，其锥角明显大于液相喷雾锥角，气相喷雾瞬态最大当量比进一步上升并超过3，气相喷雾瞬态最低温度进一步下降至接近700K，低于环境气体平均温度约250K。从喷雾发展初期到液核开始达到其最大长度这个阶段称为喷雾发展中期。喷油后时间大于0.5ms气相喷雾继续向前发展，液核基本保持不变，0.8ms时气相喷雾贯穿距离接近25mm，气相喷雾外壳继续增厚。由于气相喷雾头部在前进过程中不断有新鲜空气卷吸进来，稀释了气相喷雾头部较浓的混合气，使得气相喷雾头部大部分混合气当量比下降到2以下，且混合较为均匀，该处气相喷雾温度明显回升。喷雾发展中期之后称为喷雾充分发展期．喷雾充分发展后，液核区、气相喷雾浓混区(当量比052气相喷雾区域)以及气相喷雾低温核区(气相喷雾温度较低区域)在轮廓上基本是重叠的[13～16]。

2.2着火时刻柴油喷雾结构和浓度场

着火时刻喷雾结构和浓度场对其后的燃烧和排放有着决定性影响，因此有必要对重型柴油机类似环境条件下柴油喷雾结构和浓度场进行深人研究[24]。

(1)重型柴油机相似环境条件下柴油喷雾结构可用液核区、气相喷雾外壳、气相喷雾浓混区、稀混区、气相喷雾头部等参数描述，本文建立的喷雾结构模型和John的有所不同，其液核区域同时存在当量比大于2的气相喷雾。

(2)重型柴油机相似环境条件下，柴油喷雾发展过程可分为初期、中期、充分发展期3个阶段．喷雾充分发展期、液核区、气相喷雾浓混区、气相喷雾低温核区基本重叠。

(3)在增加着火时刻气相喷雾头部稀混区燃油比例，增厚气相喷雾外壳方面，降低环境温度和提高环境密度具有很强的相互替代性．降低氧气体积分数着火时刻气相喷雾头部稀混区燃油比例大幅提高．降低环境温度到800K，着火时刻气相喷雾不存在浓混区[13～20]。

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