喷油压力对柴油喷雾两阶段着火的影响

基于流动式定容燃烧试验装置以及CONVERGE三维仿真模型,研究了冷起动工况对应缸内上止点环境下喷射压力对柴油自由射流的喷雾宏观特性及两阶段着火转化过程的影响.结果表明:在冷起动工况条件下,低喷射压力(20 MPa)条件下的液相贯穿距略大;随着喷射压力的增加,气相喷雾贯穿距增大,气/液相喷雾锥角增大,表明在喷雾体头部区域形成较大的混合气区域;不同喷射压力条件下,喷雾内的局部温度及局部当量比分布规律相似;但随着喷射压力的增大,高温低当量比区域面积增大,促进了低温反应的进行.另一方面,较高的喷射压力使得喷雾流速增大,抑制了喷雾低温核心区域CH_(2)O和热量的累积,进而恶化了低温反应阶段向高温反应阶段的过渡,使高温着火准备过程延长.最终导致高温着火滞燃期随喷射压力升高呈现先减小后增大的变化趋势.

竖直振动激励下半球形液滴界面失稳特性分析

外部激励作用下液滴的表面失稳特性一直都是流体力学领域十分关注的问题.在不同的振动激励参数下,表面会产生不同形态的波形或破碎生成二次液滴.本文对于液滴表面纬向波和经向波发展的动态特性和产生机理开展了研究.首先建立激励振幅和频率可控的液滴振荡实验系统.实验结果表明,激励振幅的改变会影响液滴表面波形,振幅较大时经向波才会产生,演化频率为驱动频率的一半,而纬向波一直存在,其频率等于驱动频率.驱动频率改变会引起失稳模式的转变,驱动频率增加,表面波模态数增加、波长减小.驱动频率超过一定阈值,波形会从只存在纬向波模式向纬向波叠加经向波模式转变.同时,基于三维数值模拟,通过研究液滴的速度场与压力场,结合液滴顶点位移与惯性力的相位关系,阐明液滴形成纬向波的机理:在惯性力和表面张力的共同作用下,液滴表面波完成周期性的能量转化和传递.通过对比分析竖直方向与沿液滴径向加速度下Faraday不稳定性主导的表面波特性,发现液滴的几何特征使得接触线处产生法向的径向力,当竖直惯性力增加使得径向力达到一定阈值,液滴发生经向失稳,相应经向波频率为驱动频率的一半.

低转速工况下喷油量对柴油机缸内压力振荡和排放特性的影响

缸内压力高频振荡现象对发动机低速、低负荷起动过程的燃烧稳定性、运行可靠性和排放物水平有着重要影响。为探明在柴油机低转速工况下喷油量对缸内压力振荡和排放特性的影响规律,基于单缸柴油机试验平台获取了低转速工况(800 r/min)下,喷油压力为40 MPa,喷油脉宽为3500~6000μs时的缸内燃烧压力、放热率、平均指示压力以及NO_(x)和Soot排放量。试验结果表明:在低转速工况下,随着喷油量的增大,缸内压力峰值逐渐增大;压力高频振荡的幅值呈现先增大后减小的非单调变化规律,当喷油脉宽为5000μs时,缸内压力高频振荡幅值达到最大值0.84 MPa。缸内燃烧放热各指标如压力升高率、放热率、滞燃期和平均指示压力与缸压振荡的变化规律呈现高度一致性,缸内压力振荡最大值大致对应上述指标的最佳值。适当强度的缸压振荡有利于缸内燃烧效率的提高。此外,随着喷油量的增大,Soot的排放量呈现两阶段非线性增加的变化规律,NO_(x)的排放量呈现先增大后减小的非单调变化规律,增加喷油量与缸内压力振荡导致的缸内当量比浓度转变造成了上述变化。

双层喷孔喷油器喷油压力对增压柴油机排放影响的研究

双层喷孔喷油器能扩大喷油的空间分布范围,有利于混合气的形成。喷油压力作为此类喷油器的重要物理参数,强烈地影响着喷射燃油的雾化效果,进而对缸内燃油燃烧以及排放特性产生显著的影响。为此,利用三维CFD软件FIRE对一台带双层喷孔喷油器的增压式直喷柴油机进行了缸内燃烧和排放模拟计算;同时,分析研究了喷油压力对缸内三维流场、燃油蒸发、油滴滴径以及NOx和碳烟等的影响规律,并对模拟计算的示功图和排放结果进行了实验验证。计算结果表明,提高喷油压力能促进燃油的缸内蒸发,减小油滴的索特平均直径,提高缸内平均温度,使NOx排放升高而碳烟排放降低。实验结果证明了计算模型的可靠性。

近刚性圆柱水下爆炸气泡动力学特性研究

针对刚性圆柱附近水下爆炸气泡的动力学特性进行了研究.基于Navier-Stokes方程结合流体体积法捕捉气液两相界面,建立了数值模型;采用电容器放电产生水下爆炸气泡并用高速摄像机记录了气泡的脉动,并将实验结果与数值模拟结果对比验证了数值模型有效性.通过数值模拟得到了气泡与刚性圆柱相互作用的流场细节信息.结果表明:气泡在刚性圆柱附近脉动使得刚性圆柱表面流体介质存在速度梯度,速度较大的流体液层冲击气泡形成不同的气泡形状.定义了一个量纲一的距离参数来表征气泡与刚性圆柱之间的相对距离,研究了距离参数对射流冲击压力、最大射流速度及气泡型心运动的影响.随着距离参数的增大,射流冲击压力逐渐减小,气泡内部最大射流速度先增大后减小;气泡型心的偏移随距离参数的增加而减小.

以学生为中心的高等工程教育教学模式初探

高等工程教育是培养科技创新工程人才的重要阵地。文章分析了当前高等工程教育面临的机遇与挑战,提出了提高问题解决能力,促进学生主动学习,以及突破课堂界限的“以学生为中心”的教学理念,并对以学生为中心的教学方式进行了探讨,主要方式为发现式教学的理论授课形式、问题驱动的翻转课堂教学模式和任务牵引的实践操作课程设置。

具有环境适应性的柴油机最小压缩比设计方法

为保证柴油机在低温与高原环境下能够顺利启动,基于热力学理论与柴油机试验,提出一种具有环境适应性的柴油机最小压缩比设计方法。通过光学测试确定柴油喷雾自燃的临界着火温度,获得临界着火温度关于喷雾背景密度的拟合关系式;通过整机倒拖试验得到柴油机压缩终了状态随转速的变化关系;结合光学诊断和整机倒拖试验,基于热力学理论,建立柴油机最小压缩比与环境温度、海拔高度间的数学关系。试验结果与理论研究表明:随着环境密度的增加,柴油喷雾的临界着火温度先快速下降然后缓慢下降,最后稳定在700 K左右;随转速的增加,压缩冲程缸内漏气量的减少导致缸内压缩终了压力和温度均增加;对于采用进气预热的柴油机,0 m海拔高度下,环境温度从273 K降低到238 K时,柴油机最小压缩比需从13.8增加到18.0;进气温度263 K时,海拔高度从500 m增加到4400 m,柴油机最小压缩比需从12增加到17;基于光学诊断和热力学分析确定最小压缩比有利于极端条件下柴油机冷起动性能的提升。

增压柴油机气道流量系数评价与稳流特性研究

理论推导了增压柴油机考虑气体可压缩性的流量系数计算公式,建立了直气道稳态流动仿真模型,研究了进气压力与气道压差对直气道稳流特性的影响。结果表明:当气体可压缩性较强时,Ricardo评价公式的计算结果偏离真值的程度越大,不适用于增压气道性能的评价,理论推导的流量系数计算公式能够适用于增压气道流通能力的评价计算;可压缩性对气体流动的影响与进气压力无关;与相对压差r有关,随着r的增加,可压缩性对气体流动的影响逐渐增强;当r一定时,随着进气压力的增大,平均流量系数C_(aver)逐渐增大,增大幅度逐渐减小;当进气压力一定时,随r的增大,C_(aver)先增加后减小;r_(max)随着进气压力的增加近似呈线性递减。

凸轮-柱塞高压供油系统等压泵油特性研究

凸轮型线直接影响压油柱塞的运动规律,从而影响其泵油特性,是高压供油系统设计的关键。以电控单体泵(EUP)为研究对象,采用实验和仿真相结合的方法研究了凸轮型线与泵端压力间的动态关系,结果表明:在一定脉宽范围内,采用等速凸轮的柱塞泵峰值压力随喷油脉宽的增加而增加,但其增速随脉宽的增加逐渐变小,当喷油脉宽足够长时,压力将趋于一定值;采用降速凸轮的柱塞泵,利用压力先增大后减小的特性可以在较短的喷油脉宽内达到近似等压状态。最后以等压泵油特性为目标,提出了不同匹配转速下降速凸轮工作段加速度的计算方法,并为某型发动机匹配设计了供油凸轮型线,获得了良好的等压供油特性和最大循环喷油量。

燃油粘度与环境压力对喷雾碰撞过程的影响

O’Rourke碰撞模型仅仅考虑了碰撞拉伸分离以及聚合,而忽略了碰撞反弹、反射分离以及高韦伯数下的碰撞二次破碎过程,在碰撞分区过程中也忽略了燃油物性以及碰撞环境条件的影响,使得预测的碰撞分区临界韦伯数偏低。复合碰撞模型根据相关的实验结果对碰撞分区进行油滴粘度以及碰撞环境压力修正,考虑碰撞反弹、反射分离、拉伸分离以及碰撞二次破碎过程,提高了碰撞分区的预测精度。基于复合碰撞模型,分析了油滴粘度与环境压力对喷雾碰撞过程的影响。结果表明环境压力的增加,使得碰撞反弹概率增加而聚合概率下降;燃油粘度的增加使得碰撞聚合比例增加而碰撞分离比例下降。

Rayleigh-Taylor不稳定性非线性特性的数值研究

以往对于单模态Rayleigh-Taylor(RT)不稳定性非线性特性的研究主要集中于推导和测量恒定的气泡推进速度上,而缺乏对液态尖钉区域非线性动力学特性的详细分析。采用耦合的Level-Set和Volume-of-Fluid(CLSVOF)界面捕捉方法对单模态RT不稳定性的发展过程进行了精确的数值模拟,并利用模拟得到的压力场和速度场信息对RT不稳定性非线性发展阶段的稳态动力学特性进行了分析。模拟结果表明,在液态尖钉根部由于惯性力作用而引起的水平冲击流会在此处形成一个局部最大压力点,由于此处惯性力与压强梯度的平衡,位于最大压力点附近的流动最终将达到稳态。通过理论分析,确定了此稳态流动中各稳态特征参数与初始扰动波长、惯性加速度之间的关系。这些特征参数的确定有助于将经典低速射流的相关理论扩展应用到RT不稳定性诱导雾化的研究领域。

阻塞比对氢-空预混火焰加速影响的可视化研究

在顶置点火定容燃烧弹内布置网孔板,通过火焰传播路径上的孔板诱导实现火焰加速。利用纹影法和压力采集系统,研究了阻塞比对氢-空预混气孔板诱导火焰加速的影响规律。试验结果表明:阻塞比的增加可增大孔板对火焰的扰动,使火焰传播速度大幅增加;任意初始工况下均存在一个最佳阻塞比使燃烧持续期达到最短,在试验范围内,较低初始压力、较小当量比和较高初始温度的最佳阻塞比为0. 90,其余工况的最佳阻塞比均在0. 84;孔板诱导燃烧加速的效果非常显著,在试验工况范围内,各阻塞比孔板诱导下的燃烧持续期均缩短45%以上。

动态惯性力作用下球形油滴二次破碎分析

根据燃油一次破碎后形成的油滴运动特点,建立了与实际更加相符的二次雾化模型,通过N-S方程和线性化分析方法导出各参数之间的本征关系,并给出本征方程的解,基于方程的解,分别研究Ma数、Bond数、Oh数和气/液密度比κ对油滴二次破碎的影响,结果表明:气体可压缩性对油滴的二次破碎具有促进作用,但效果不明显,一般情况下可以忽略气体可压缩性的影响,油滴的黏性可以抑制油滴的破碎,而油滴受到气动作用力是油滴破碎的直接原因,因而提高Bond数可得到更好的雾化效果.

柴油机进气火焰预热系统着火临界温度的研究

在进气歧管入口处安装进气火焰预热系统是改善柴油机冷起动性能的一种有效方法.基于自行搭建的进气火焰预热系统试验平台,研究了燃油喷射方向和进气流量对着火临界温度和火焰形态的影响.结果表明:着火临界温度随燃油喷射方向和进气管内空气流动方向之间夹角的增大呈先降低后升高的变化,火焰面积呈先减小后增大的变化,在90°时着火临界温度最低,稳定着火时火焰面积最大.在火焰预热系统的预热阶段,进气火焰预热塞裙部温度和进气流量呈负线性关系,进气流量越大则其较早达到稳定.随着进气流量增大,火焰预热系统的着火临界温度呈先降低后升高的变化,火焰面积呈先增大后减小的变化,进气流量为400 kg/h时着火临界温度最低,稳定着火时火焰面积最大.所研究的进气火焰预热系统中进气流量的改变对提高进气温度的能力存在上限.

竖直振动无黏液滴的法拉第不稳定性分析

由于外部周期性的振动而在液滴表面产生的Faraday不稳定效应广泛存在于超声雾化、喷涂加工等应用中,对Faraday不稳定性进行分析对研究振动液滴的表面动力学有着重要意义.本文将Faraday不稳定性问题从径向振动拓展到竖直振动,研究了竖直振动无黏液滴表面波的不稳定性.竖直方向的振动使得液滴动量方程为含有空间相关项和时间周期系数的Mathieu方程.采用Floquet理论进行求解,得到了竖直振动液滴表面波线性增长率与模态数以及流动参数之间的色散关系.通过求解一个关于表面变形模态的特征值问题,得到了竖直振动无黏液滴在Faraday不稳定性下的中性稳定边界,并比较了竖直振动与径向振动的液滴中性稳定边界的差异.通过大模态数假设下的近似计算,得到了仰角θ对中性不稳定边界的影响规律.结果表明竖直振动的液滴与径向振动相比,Faraday不稳定区域更小,激发的模态范围更窄,并且不会出现亚简谐的不稳定波.另外,对于竖直振动的液滴,仰角θ越大的位置,中性不稳定区域越小,在受到外部激励时液滴表面越容易保持稳定.

基于代理模型的气门大小对功率影响的研究

针对某型号高增压柴油机,利用基于代理模型的数据拟合方法,研究了不同工况下功率随气门大小变化的规律,并得到每个工况下最优功率和相应的进排气门尺寸.研究结果表明:在研究范围内,对于排气背压较低的工况,同工况下进气门增大使得功率增大,排气门增大使得功率先增大后减小;排气背压逐渐升高时,功率逐渐减小,最优功率点的进排气门直径比增大.对于排气背压很高的工况,进、排气门增大均会使得功率先增大后减小.

涡流比对NOx与Soot排放影响的数值模拟

影响直喷式柴油机缸内燃烧过程和排放特性的因素可归纳为3个方面,即进气系统参数、喷油系统参数以及燃烧系统参数。基于某企业开发的6缸直喷式柴油机,以AVL公司的FIRE v8.5为平台,以进气系统参数具有代表性的物理参数涡流比为对象,研究了它对直喷式柴油机排放性能的影响规律。在涡流比从1.0增加到2.6的过程中,随着涡流比的增大,喷雾重叠加剧,并向燃烧室挤流区域集中,燃烧室凹坑内空气利用率变差,不利于柴油机的扩散燃烧,Soot排放增大;在涡流比增大的同时,降低了整个燃烧室的平均温度,使NOx的生成量降低。

不同燃油温度下柴油机喷嘴空穴流动特性试验研究

作为喷射系统的终端,喷油器内部的空穴流动对燃油雾化具有重要影响。采用比例放大透明喷嘴,研究不同燃油温度对喷嘴内空穴流动及其对近场喷雾的影响。引入无单位参数空穴数表征喷油器内燃油空化程度,研究发现燃油温度升高,其空穴初生时的压力减小,同一空穴数下,空穴程度更强烈。同时,试验观察到喷嘴内空穴区域的不对称性,喷孔管壁下壁面的空穴分布远大于上壁面的空穴分布;发生超空穴之后,随着空穴数的增加,试验结果中喷嘴内部的空穴流动变化不太明显,但仿真结果中看出喷孔出口流速减小。相同燃油温度下,随着空穴数增加,体积流量增加,流量系数减小,空穴相对面积增加,近场喷雾锥角增大;相同空穴数下,燃油温度增加使体积流量和流量系数都增加,空穴相对面积逐渐增大,近场雾化效果更好。