内燃机喷雾模型的研究现状

喷雾模型是内燃机CFD软件中重要的组成部分,而喷雾模型是由多种子模型组成的。正确设定喷嘴出口的边界条件和选择恰当的喷雾破碎模型成为成功分析和优化内燃机喷雾过程的先决条件。本文着重介绍了孔式喷嘴流动模型和基于表面波不稳定性理论的WAVE模型、KH-RT模型、Huh-Gosman模型和LISA模型,以及它们在CFD软件中的应用。这些模型的应用从理论上讲可以大大提高内燃机喷雾多维模拟的计算精度。

耦合喷嘴内流欧拉-拉格朗日喷雾模型研究

为深入研究燃油破碎雾化机理,在ELSA(Euler Lagrangian spray and atomization)欧拉-拉格朗日实时耦合的喷雾模拟思想的基础上,考虑喷嘴内部湍流与空化对喷雾的影响,提出了CAV-ELSA喷雾模型及其模拟方法,该模型计算结果与定容弹喷雾试验数据符合较好;讨论了欧拉计算域长度对计算结果的影响;最后探索性将该模型用于一款GM柴油机的喷雾燃烧模拟。模拟结果表明:与传统单纯采用拉格朗日算法的离散液滴模型相比,新型CAV-ELSA模型的模拟结果与试验值更为接近。

喷雾模型的发展及其在内燃机CFD中的应用

喷雾模型是内燃机CFD软件中重要的组成部分,而喷雾模型是由多种子模型组成的。正确设定喷嘴出口的边界条件和选择恰当的喷雾子模型成为成功分析和优化柴油机和汽油机高压喷雾的先决条件。本文主要讨论了喷嘴流动模型、液膜雾化模型和喷雾碰壁模型在CFD软件中的应用现状。

耦合欧拉喷雾模型/火焰面燃烧模型的模拟

基于ECN标准Spray A工况的试验数据,在开源计算流体软件OpenFOAM的雷诺时均(RANS)方法下耦合欧拉喷雾模型和非稳态火焰面进度变量(UFPV)燃烧模型,对非燃烧和燃烧工况下的正十二烷喷射雾化与湍流燃烧过程建模,并分析了正十二烷5种不同骨架化学反应机理的计算结果.结果表明:耦合模型能够准确预测喷雾浓度场和速度场的空间分布以及准稳态时刻的火焰结构;滞燃期、火焰浮起长度和碳烟前驱物的预测对化学反应机理非常敏感.

正十二烷喷雾火焰中碳烟的瞬态生成特性

针对压燃式发动机中碳烟演化过程难以被实验准确捕捉的问题,研究了高温高压环境中正十二烷喷雾燃烧焰中碳烟瞬态生成特性及动力学行为,在实验方面,应用消光辐射联合技术以及燃烧成像测速技术,同步获得高温高压环境中单孔喷油器正十二烷喷雾燃烧火焰中的碳烟体积分数、碳烟温度和碳烟速度场的瞬态分布;数值计算方面,基于OpenFOAM环境,发展欧拉喷雾模型和非稳态火焰面进度变量湍流燃烧模型的耦合模型,喷雾燃烧过程的数值计算结果与实验数据有高度的一致性。研究结果表明:相比于参考工况,低喷油压力工况火焰浮起长度更短,碳烟在当量比Φ>2区间驻留时间更长,推动了碳烟的生成,碳烟峰值质量增加了80%;高温环境工况碳烟在当量比Φ>2区间驻留时间没有明显差异,但更短的火焰浮起长度使得燃料在更高的当量比开始燃烧,导致其碳烟峰值质量增加了88%;富氧工况的燃烧温度最高,碳烟粒子运动速度增大,使得碳烟在当量比Φ>2区间驻留时间明显减少,同时火焰内部当量比较小,因而碳烟峰值质量减少了42%。

KIVA燃油喷雾多维模型的研究

KIVA程序是一功能比较齐全的内燃机缸内过程模拟数值计算的大型程序，它代表了目前多维模型的最新进展。本文论述了KIVA程序中喷雾模型的发展历程和进展，最后指出了燃油喷雾多维模型研究的发展趋向。

喷雾的格子气模型及其数值模拟研究

本文尝试性地将格子气自动机理论引入内燃机喷雾计算中，通过建立２维格子气的喷雾理想模型，对喷雾场在时间、空间和速度进行离散化，对单个介质粒子作拉格朗日跟踪，对流场节点作欧拉描述，最后计算出喷雾液滴的质量分布。这种方法是在对流体力学中非线性现象研究的基础上产生的，将流场离散成大量抽象的流体微观粒子，这些粒子在规则（或不规则）的离散网格空间，根据一定的法则相互作用和移动，在热力学极限下，通过统计平均来逼近Ｎａｖｉｅｒ－Ｓｔｏｋｅｓ方程。文中阐述了这种方法的特点，并提出有待于完善和深入研究的问题。

喷雾飘移的风洞试验和回归模型

为了掌握农药喷雾飘移的规律,从而为控制农药飘移到非靶标区域提供理论支持和技术依据,论文测试了由风洞地面向上0.1-0.5 m放置的5根间隔0.1 m以及水平方向距地面0.1 m高从2-6 m放置的5根间隔1 m的聚乙烯收集线所收集的含荧光示踪剂的雾滴,由荧光分析仪测定了收集线上的荧光剂含量,分析了不同位置处的雾滴沉积和飘移。针对Tee Jet公司的XR 11002延长范围扇形喷头、AIXR 11002气吸扇形喷头、TT 11002广角扇形喷头和TTI 11002涡流气吸型喷头在不同位置处的雾滴飘移试验、得到不同类型的喷头在不同风速和药剂时的雾滴飘移结果。结果显示,随着垂直高度和水平距离的增加,雾滴的沉积减少。风速增大时,垂直高度0.1-0.5 m和水平距离2-6 m的雾滴飘移都会更加严重。气吸扇形和涡流气吸型结构的喷头能产生更大尺寸雾滴,减少飘移量。采用SPSS软件建立了包含采样距离、风速、喷头类型和药剂类型在内的多变量非线性雾滴飘移特性模型,经检验,该回归模型的拟合度在0.847以上,此模型有助于降低喷雾飘移的风险,为气象条件的选择、雾滴沉积区域的预测、缓冲隔离区的确定、防飘施药技术的研究和喷施药剂药械的配套选用提供技术指导。

直喷汽油机缸内喷雾湿壁问题研究

直喷汽油机的湿壁问题会导致机油稀释,燃油经济性下降及尾气排放增加。但通过喷雾、燃烧室及缸内流场三者合理匹配与优化可以大大减少燃油湿壁。利用激光诊断技术对某直喷喷油器的喷雾特性进行全面测试,然后标定三维CFD软件中的喷雾模型,对缸内喷雾和混合气形成过程进行仿真计算,并研究了燃油喷射策略对燃油湿壁的影响。研究结果表明:采用两段喷射策略可以降低15%的碰壁量,混合气均匀程度基本不变;采用三段喷射可以降低27%的碰壁量,并可明显改善混合气浓度分布。

柴油机喷雾混合过程数值模拟的发展与现状

介绍了喷雾模型的类型、发展历史和最新进展,详述了多维工作过程模型中喷雾模型、数值计算方法,介绍了较具有代表性的KIVA系列程序中的喷雾模型,并对这一领域发展中存在的问题和未来的方向进行了探讨。

基于动态识别柴油喷雾破碎特征的ELSA改进算法

欧拉-拉格朗日实时耦合的喷雾(ELSA)方法是雾化破碎的前沿算法,其中模型转换是该方法的关键技术之一;作为ELSA转换研究中常用的固定网格分区方法,需要根据试验来确定近场稠密区与远场边界的位置,以及作为改进而采用的液滴距离以及液相体积比等方法来实现动态ELSA转换.在现有的ELSA转化研究基础上,笔者对在液柱前锋液膜破碎时产生的欧拉液相团块进行动态捕捉,以球形度与粒子直径为判据,将符合条件的液相团块转化为拉格朗日粒子,获得了完整的液柱、一次破碎以及二次破碎过程,结果表明:初始液滴来自液膜破碎过程,以球形度与粒子直径为判据的ELSA方法能够在保证喷雾仿真精度前提下精确地模拟液柱破碎为液滴的过程.

喷雾夹角影响柴油机混合气形成与燃烧的CFD研究

运用CFD软件对直喷柴油机燃烧室中的喷雾及燃烧过程进行数值计算,考察了不同喷雾夹角下燃油的雾化过程、射流的发展形态以及近壁面区域浓度场的分布情况,并将计算结果进行了对比分析。结果表明,高速的射流漩涡对混合气的卷吸能力很强,油束末端的滞止区呈现较高的浓度;喷雾夹角过大会使燃油喷溅到燃烧室壁上,过小则活塞顶隙内的空气利用不充分,均对燃烧过程造成不良影响。

柴油机缸内环境下碰壁喷雾的蒸发特性研究

在高温高压定容弹内基于紫外/可见光两波长激光吸收与散射法测得的柴油模拟燃料碰壁喷雾的气液两相浓度分布、贯穿距、平均粒径等数据,并由此研究碰壁喷雾蒸发模型的准确性,提出了碰壁喷雾的标定方法,最后用标定好的模型对不同喷油量条件下的喷雾进行预测并用实测数据进行验证。由此揭示了主要标定参数对蒸发特性的影响规律,如回弹韦伯数越大蒸发量及蒸发速率下降越明显等,并提出了蒸发碰壁模型的主要标定参数的确定方法。

高压喷雾射流雾化及水雾捕尘机理的拓展理论分析

通过对射流扰动控制方程、射流色散方程解算结果的分析,基于两相流的喷雾概念模型,引入了空穴、湍流和空气动力共同作用的雾化模型。认为高压喷雾时,喷嘴内部形成的空穴和湍流作用主导喷嘴出口附近的一次雾化,而空气动力则控制着此后的二次雾化过程。提出以临界韦伯数作为射流是否发生二次雾化的判据。根据对液滴破碎方式的分析,认为液流完全分裂成雾滴的射流临界初速度为60m/s,且射流破碎一般发生在一次雾化中,薄膜破碎一般发生在二次雾化中。基于液滴对尘粒的主动碰撞理论,对典型喷雾降尘机理进行了改进,认为当含尘气体处于非饱和状态且温度高于液体温度时,捕集率与液滴粒径间存在一个最佳组合;在相同的液气比,相同的液滴喷入时,降低气流速度有利于微细液滴对细小尘粒的捕集。

柴油机喷雾夹角对缸内三维流场的影响

运用CFD软件对直喷柴油机燃烧室中的喷雾及燃烧过程进行数值计算,考察了不同喷雾夹角下缸内三维流场及NOx排放的差异,并将计算结果进行了对比分析。结果表明喷雾夹角的增加使凹坑内的空气利用率变差,并使得燃烧高温区域更加接近气缸壁面以及缸盖平面;喷雾夹角的减小使燃烧过程中生成的NOx排放增加并增加了喷油器的热负荷。

基于CFD离散相模型雾滴沉积特性的模拟分析

为分析三维空间中气流对雾滴飘移的影响,该文基于计算流体力学(computational fluid dynamics,CFD)离散相模型的粒子跟踪技术,研究了不同喷雾条件下的雾滴特性。该文在条件为3m×2m×2m的长方体计算区域,喷嘴置于长方体顶端(上表面的几何中心),在合适的边界条件参数下,对喷雾高度为0.25～2m,风速为0～3m/s变化范围内的雾滴沉积特性进行了分析。结果显示,雾滴的分布趋势(偏移量)随风速和喷雾高度大小而变化:雾滴的沉积量随喷雾高度和风速的增加逐渐减小,其最大值为100%(喷雾高度为0.25m,风速为0),最小值为7.2%(喷雾高度为2m,风速为3m/s),其沉积率最大值和最小值分别为79.07%和3.98%,并基于该方法建立了雾滴沉积量和沉积率的预测模型。该研究为精量施药提供参考。

航空施药雾滴沉积特性光谱分析检测系统研发与应用

为快速获取航空施药雾滴沉积的连续分布特性,弥补传统离散样点取样方式检测不足,提升航空施药雾滴沉积特性检测准确性,该文结合光谱分析和荧光激发技术设计研发了基于光谱分析的航空施药沉积特性检测系统。系统包括信息采集模块、采集装置模块和数据处理模块3部分。配置质量分数1.0%的荧光示踪剂溶液,采用农用植保无人机现场喷洒作业,同步放置雾滴获取介质和水敏试纸样本采集雾滴分布,系统采集雾滴获取介质的光谱特征曲线。与水敏试纸图像分析获取的雾滴沉积特性参数结果对比分析,结果表明:雾滴获取介质上的荧光示踪剂在450~460 nm和500~520 nm波段范围内产生显著荧光效应,其光谱平均值与雾滴沉积特性参数呈显著正相关。计算出450~460 nm和500~520 nm波段范围光谱平均值,建立雾滴沉积特性参数的检测多元线性回归模型,建模决定系数达0.80以上,验证决定系数达0.83以上,达到了较为理想的拟合结果。

二甲醚的油束模型和试验研究

根据二甲醚 (DME)的喷雾试验 ,提出了针对二甲醚燃料的油束喷雾模型 ,并确定了喷雾油束模型常数 .该模型可以计算出喷雾特性的主要参数 ,包括贯穿度、索特平均直径和喷雾锥角等 .模型计算和试验研究表明 :贯穿度随喷孔直径、背压和喷油初速的增大而增大 ;索特平均直径随喷孔直径和背压的增大、喷油初速的减小而增大 .喷雾锥角公式考虑了燃料物性和液、气相互运动的作用 ,因而与实测结果符合较好 .

F-76燃料骨架机理构建方法研究

为开发出结构紧凑、高精度和包含多环芳烃(polycyclic aromatic hydrocarbons,PAHs)的高碳燃料模型燃料机理并应用于计算流体力学(computational fluid dynamics,CFD)模拟,提出了一种集成详细的C_(0)—C_(4)核心机理和骨架的C_(5)—Cn机理来发展高碳燃料骨架反应机理的新方法。利用该方法为基础燃料分别为正十六烷(NC_(16)H_(34))、2,6,10-三甲基十二烷(C_(15)H_(32)-26X)和正丁基苯(C_(6)H_(5)C_(4)H_(9))的模型燃料构建相应的骨架反应机理。然后基于机理简化手段获得了包含164个组分和654个基元反应的骨架机理。利用激波管点火延迟时间、流动反应器氧化数据、层流火焰速度和熄火极限等基础燃烧数据对构建的机理进行验证。然后,将该骨架机理耦合到三维CFD喷雾模型中,来模拟定容喷雾燃烧室(constant volume spray combustion chamber,CVSCC)中的喷雾燃烧过程。结果表明喷雾燃烧特性的模拟值能与实验值吻合良好,证明了所构建骨架机理在燃烧CFD模拟中的有效性。

双燃料内燃机引燃油混合气形成与燃烧过程模型研究

对于双燃料发动机,引燃油蒸发、混合与燃烧是在天然气与空气混合物为介质的情况下,通过采用离散液滴模型,模拟了引燃油的蒸发与混合过程;采用经过修正的Shell模型,对引燃油的着火过程进行了数值模拟;以阿伦纽斯公式为基础,综合湍流对化学动力学的影响,提出了一个新的燃烧模型.经过模拟计算与实验对比,验证了该数值模型的模拟效果.