噴嘴空穴流動機理及其對二甲醚噴霧與燃燒影響的研究.pdf

1、二甲醚(DME)作為高效清潔的石油替代燃料，其應用研究是能源領域的一項重大科學問題。二甲醚具有高飽和蒸氣壓使得其應用于噴射霧化時，噴孔內(nèi)會存在“氣泡”（空化）現(xiàn)象，而這種噴孔內(nèi)的流態(tài)會影響噴孔近場的流態(tài)和油滴霧化。由此開展了二甲醚噴射條件下，噴孔內(nèi)空化現(xiàn)象的發(fā)生、發(fā)展規(guī)律及其對強化噴霧霧化和混合的數(shù)值模擬研究，以便深入理解噴孔內(nèi)部的復雜流動現(xiàn)象及其變化規(guī)律，為優(yōu)化孔式噴嘴結(jié)構(gòu)、強化二甲醚霧化和混合過程提供有效的研究手段及基礎數(shù)據(jù)資料。<

2、br>　　基于廣泛應用于描述氣泡生長和潰滅過程的R-P方程，建立了全面描述空穴氣泡生長、收縮、反跳及破碎過程的氣泡動力學微分方程，并發(fā)展了求解R-P方程的分段自適應算法。運用新算法可顯著提高R-P方程的求解速度。由于氣泡在收縮階段速度梯度很大，進行積分運算時需要很小的時間步長，進行分段積分可以控制自適應算法的區(qū)間，使其能更好地發(fā)揮算法優(yōu)勢。
　　運用R-P方程，就噴油系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與運行參數(shù)對噴孔內(nèi)空穴流動的影響進行了計算分析，探討了不

3、同噴射壓力、背壓、氣泡核大小、階躍寬度，以及不同流體對噴孔內(nèi)空化現(xiàn)象的發(fā)生、發(fā)展規(guī)律的影響。在此基礎上，建立了修正R-P方程。利用該方程能夠?qū)昭鞯娜N破碎形態(tài)，即氣泡動力學破碎、湍流破碎及滑移破碎現(xiàn)象進行計算分析。
　　提出了基于VOF模型及離散粒子技術的空穴兩相流模型，該耦合模型兼具VOF模型求解兩相流速度及壓力的優(yōu)勢，以及拉格朗日粒子法對單個氣泡追蹤的有效性，并且給出了該耦合模型的計算流程圖和實現(xiàn)兩種模型協(xié)調(diào)運行的方法，為

4、復雜空穴流動研究提供了一種新的研究思路。利用該模型可以得到通過實驗手段難以獲取的空穴流動中氣泡大小分布以及空穴氣泡的狀態(tài)等信息，為探討汽泡潰滅對噴霧霧化混合的影響，以及汽泡潰滅對過流部件的侵蝕和可能引起的噪聲、振動危害的治理提供新的研究手段。
　　運用基于VOF模型及離散粒子技術的空穴兩相流模型，對大尺度和實際噴孔尺度下噴孔內(nèi)的空穴流動特性進行了計算分析及其結(jié)果的實驗驗證，同時通過實驗圖像的對比分析，探討了水、柴油和二甲醚空穴流動

5、的特征及其影響因素。研究表明，對大尺度噴孔空穴流動的計算結(jié)果與實驗結(jié)果不僅在宏觀特征上，而且也在細節(jié)上都較吻合；通過計算機實驗，判明了空穴粒子的空間分布與噴孔的流動狀態(tài)有關，而粒子尺寸分布與所受到的壓力環(huán)境有關；針對氣泡破碎行為及其氣泡破碎空間分布特點進行的研究表明，對于正常的空穴流動來說，氣泡破碎對噴孔內(nèi)壁的侵蝕破壞不大；而當噴孔尺度很小時，噴孔內(nèi)的空穴流動會發(fā)生阻塞現(xiàn)象，導致噴孔內(nèi)流動出現(xiàn)不穩(wěn)定，此時氣泡的破碎對噴孔內(nèi)壁的汽蝕危害很

6、大。
　　基于噴孔內(nèi)空穴流動分析所獲得的噴嘴出口處的噴射參數(shù)（速度分布，湍動能分布及空穴分數(shù)等），建立了二甲醚噴射油滴霧化的大渦模擬邊界條件，應用大渦模擬方法研究了噴孔近場的流態(tài)和噴霧初次霧化問題。在此基礎上，進一步探討了噴孔直徑、燃油噴射壓力、背壓和噴孔長徑比等參數(shù)對噴孔近場流動形態(tài)與分裂長度的影響。
　　在保證計算精度符合要求的條件下，為了盡可能地提高計算效率，并為化學反應動力學模型與準維燃燒模型計算提供一個行之有效的途

7、徑，采用高斯分布函數(shù)修改了二甲醚氣相噴霧模型并推導出DME準維燃燒分區(qū)模型，通過對氣相射流模型進行合理分區(qū)及其與CHEMKIN庫函數(shù)的耦合聯(lián)算，建立了改進的二甲醚準維多區(qū)燃燒模型。該模型集準維氣相射流模型與DME詳細燃燒反應動力學機理（包含81種組分、402步基元反應）為一體，其微分方程組的求解采用了DVODE算法。利用改進的準維多區(qū)模型，對二甲醚發(fā)動機的著火與燃燒過程，以及污染物排放(CO,NOx等)進行了數(shù)值模擬研究。模型驗證的結(jié)果