強湍流、機械振動及閃急沸騰誘導的射流破碎機理研究

《強湍流、機械振動及閃急沸騰誘導的射流破碎機理研究》是依託上海交通大學，由孔令遜擔任項目負責人的面上項目。

基本介紹

• 中文名：強湍流、機械振動及閃急沸騰誘導的射流破碎機理研究
• 項目類別：面上項目
• 項目負責人：孔令遜
• 依託單位：上海交通大學

項目摘要

長期以來，傳統噴霧研究一直通過地不斷增加噴射壓力、減小噴孔直徑實現噴霧質量的提升。近年來，一些產生高質量噴霧的新觀念不斷的引起了研究者的重視，主要包括複雜噴嘴結構產生的內部強湍流噴霧，機械振動引起的噴嘴內部強擾動噴霧，由高溫引起的閃急沸騰噴霧。但是，這些噴霧形成機理與傳統噴霧形成機理之間的區別尚未闡明。本課題通過建立多種霧化機理共存的實驗系統，採用X射線同軸相位襯度成像技術，獲取強湍流、機械振動及閃急沸騰誘導的射流初次破碎形態，找出這三種噴霧的典型破碎特徵，定性的描述其機理。套用粒子顯微陰影成像技術，獲取噴霧二次破碎時的粒子直徑，將表征湍流、機械振動和閃急沸騰的湍流強度、振動頻率和過熱度三個參數，在寬廣的工況範圍下與粒子直徑相關聯，確認各種工況下的湍流、擾動和閃急沸騰對射流破碎的貢獻程度，導出經驗關係式。最終建立多種因素共存時射流破碎的一般性認識，為新概念噴霧霧化機理的闡明提供重要依據。

結題摘要

高效、清潔的直噴汽油機燃燒系統必須對燃油噴霧破碎蒸發過程進行最佳化設計，以實現理想噴霧蒸發及其與燃燒室的匹配。為實現這個目的，本研究從兩方面對噴霧破碎機理進行研究。首先，此項目在物理學家雷利提出的液體不穩定性理論的基礎上，以實驗方法對單束液柱的破碎進行系統研究，從而對破碎的機理進行系統的闡釋。其次，設計搭建可視化直噴汽油機，對實際發動機缸內噴霧破碎蒸發過程及後續燃燒過程進行可視化研究。 在單束液柱破碎的研究中，考慮到液束破碎受到機械振動和噴嘴口形貌的影響，研究從振動模式以及噴嘴形貌兩個方向展開。通過以圓形孔作為基礎孔型，研究中發現，從無振動的自然破碎，到單一振動驅使下的破碎，再到雙振動模式下的破碎，液束的破碎長度越來越短，液束破碎成的液滴越來越均一穩定。理論和實驗上都證明，當所給電信號的強度越大，頻率越接近理論最優破碎頻率，兩個信號相位差越小，占空比越接近50%時，得到的破碎長度越短。另一方面，通過將液體的孔型進行改變，得到與圓孔相近的趨勢。值得一提的是，最優破碎頻率和不同孔型的面積之間存在著根號反比的關係，並且，對於不同的孔型，另一個現象——長短軸互換效應，被觀察到。通過實驗，發現在孔型的長短軸差距越大，液束速度越大時，互換效應越明顯。最後，通過計算機模擬，將仿真得到的液束破碎長度和實驗值進行對比，將仿真的互換效應和實驗圖像進行對比，均得到了滿意的效果。 在直噴汽油機這種高湍流、強波動、高瞬態的環境下，利用燃油噴霧特性實現穩定的工作循環以及高效的霧化效果，對於發動機性能提升和排放控制起著至關重要的作用。因此以燃油噴霧的霧化機理為研究對象，通過對燃油的溫度、壓力和周圍環境氣體的壓力的控制實現閃沸噴霧。此外在不同發動機充氣運動狀態下也對缸內流場的波動性與渦流強度大小進行了研究，利用本徵正交分解法對缸內流場的波動特徵進行了分解，也將噴霧與流場相互作用的關係進行了定量地分析。最終將燃油噴霧的結構特徵和燃油與發動機內流場運動的相互耦合關係以及燃油噴霧對燃燒穩定性和扭矩輸出的關係進行了系統性研究，研究結果表明，閃沸噴霧相比於液態非閃沸噴霧能夠大大地降低發動機的循環波動性並提供更高的燃燒效果。