喉管式催化裂化原料喷嘴雾化性能研究

通过喷嘴雾化试验与模拟数值的交叉验证,分析了喉管式喷嘴的内部流动情况和雾化情况,建立了适用的模拟模型。结果表明:在试验和模拟条件下,喷嘴出口雾滴呈扇形喷出,分布较均匀;喷嘴出口雾滴粒径呈单峰分布,索达尔平均粒径模拟结果(67.2μm)与试验结果(78.0μm)的偏差为-13.8%,平均速度模拟结果(55.1 m/s)与试验结果(49.3 m/s)的偏差为11.8%,模型准确性较高。模拟研究发现:液相在预混室发生一次雾化,在喉管处发生二次雾化,经喷嘴出口喷出,粒径减小至67.2μm。该结果为喉管式喷嘴的结构优化、改进设计提供了依据。

喷雾机预混装置动态流场分析与参数优化

针对喷雾机预混装置预混时间长、预混效果及均匀性参差不齐等植保作业中存在的实际问题,基于现有喷雾机预混装置,结合田间作业过程中1000 L喷雾机农药制剂使用量和预混药液输送需求,确定了预混药箱、预混喷头、上药阀等关键部件的基础参数。采用ANSYS-Fluent对不同液面高度时预混动态流场特性进行分析,得到预混药箱内流场的动态分布规律;采用二次回归正交旋转中心组合优化试验方法,以预混喷头工作压力和空间位置参数为影响因素,药液均匀度变异系数为评价指标,利用多岛遗传算法优化获得预混效果较好的参数组合:预混喷头工作压力0.3 MPa、与底部平面距离200 mm、与背部垂直平面的距离70 mm。针对粉剂农药进行场地试验,结果表明:预混药液均匀度变异系数为32.99%;上药阀在压力0.2~0.5 MPa下稳定送药,无回流现象。

收缩段截面形状对喷嘴性能影响的模拟分析

预混合磨料水射流喷嘴作为射流切割系统的执行端,细微的截面形状改变都会对喷嘴性能产生较大的影响。为提高喷嘴的综合性能(切割能力和使用寿命),本文运用计算流体力学软件对流体动力学方程和磨粒受力方程等进行耦合求解,研究在以峰值流速(切割能力)和单位流量冲蚀率对数(使用寿命)为指标的前提下,各类喷嘴性能的综合表现。以单锥、衔接型、凹型和凸型4类喷嘴为模型,分析不同收缩段截面形状对喷嘴综合性能的影响;结果表明:凹型和衔接型喷嘴综合性能接近,优于单锥喷嘴,凸型喷嘴综合性能最差;较大的收缩段夹角不利于喷嘴综合性能的提升;在以上分析结果的基础上,设计了圆弧过渡的平直型喷嘴,仿真结果显示:具有圆弧过渡的平直型喷嘴在综合性能上有了较大的提升。本文工作为后续的喷嘴截面形状优化提供了参考。

基于数值方法的燃气轮机贫预混旋流燃烧室单头部结构设计

为分析贫预混旋流燃烧室头部结构特性影响,采用计算流体力学方法研究了中心体端面形状、空气流量,燃料喷孔数量、位置,以及头部扩张比对燃烧火焰、流场及火焰动态响应的影响。结果表明:空气流速增大到一定值后,火焰形态基本保持不变;增加压力面燃料孔数量,高放热率区集中在中心回流区根部,同时增加压力面和吸力面燃料孔数量使得中心回流区根部温度更低,有降低热力NOx的趋势;增加火焰筒直径,有助于中心回流区沿径向扩张,导致火焰更长、更细;将中心体端面改成椭圆,会缩短火焰轴向长度;改变中心体端面形状基本不影响火焰传递函数幅值和相位,但增加燃料孔数量明显改变火焰传递函数相位。

超多喷孔油嘴喷油规律试验研究

试验研究了一种具有上下两层喷孔、喷孔总流通面积比传统油嘴大得多的超多喷孔喷油嘴,为了探索其是否有利于在柴油机上组织预混合燃烧,在EFS喷油泵综合性试验台上对其进行了喷油规律的测试,并与传统油嘴的喷油规律进行了对比。发现在循环喷油量较小时,超多喷孔油嘴与传统油嘴相比喷油速率变化不显著,但随着循环喷油量的增加、喷射压力的提高,超多喷孔油嘴与传统油嘴相比具有较高的喷油速率、较大的累积喷油量、较短的喷射持续期,这些特性非常有利于在柴油机上组织预混合燃烧。

超多喷孔油嘴燃烧性能试验研究

为了在柴油机上实现预混合燃烧同时降低NOx与碳烟排放,采用了超多喷孔油嘴进行试验研究,试验用发动机是一台车用6缸柴油机。试验采用大量EGR来降低NOx排放,但引起碳烟排放的增加;为了消除此不利后果,采用具有流通面积大的超多喷孔油嘴,并结合使用电控高压共轨燃油喷射系统实现高压喷射,缩短喷射持续期从而实现预混合燃烧,降低碳烟排放。选定1400 r/min、0.575 MPa以及1000 r/min、0.297 MPa作为试验工况,通过改变EGR率、喷油始点、喷射压力来实现理想的预混合燃烧。试验同时测取气缸压力,进行燃烧特性分析,表明超多喷孔油嘴与传统油嘴相比由于具有较短的喷油持续期,有利于柴油机实现预混合燃烧,达到同时降低NOx和碳烟排放。

伞喷喷嘴内空化现象的数值模拟

使用混合多相模型和全空化模型通过数值模拟研究了伞喷喷嘴内的空化流动过程.结果发现,伞喷喷嘴内的空化发展显著影响了喷嘴出口处的燃油液膜厚度和喷射速度,进而直接改变喷射锥角和液滴的平均索特直径.基于喷嘴内燃油蒸气的分布,空化可以划分为无空化、入口空化、出口发展空化和完全空化.完全空化中燃油蒸气延伸至喷嘴出口,可以显著增加喷射速度和减小液膜厚度,进而有效提高喷嘴的雾化性能.通过同时变化背压和喷射压力,构造了伞喷喷嘴内的空化分布图.结果显示,完全空化仅发生在背压较低的一个狭小范围内.因此,为实现伞喷喷嘴的完全空化,柴油PCCI发动机的喷射时刻需要远在上止点之前,以便产生更均匀燃油混合气.

微型缩放喷管中氢气/空气预混燃烧实验研究

在最大内径2mm，喉部内径1mm的微型缩放喷管中进行氢气／空气的预混燃烧实验，获取稳燃范围、壁面温度、火焰起始位置等燃烧特性。缩放的喷管结构相比于等直径的圆直管和T形管拓展了稳燃范围，合适的当量比下，入口流速在3．4～41．4m／s的范围内火焰根部能稳定在缩放段燃烧。壁面温度和火焰位置受到流速和当量比的双重影响。壁面温度最大值出现在燃料稍有富余，当量比为1．4时。火焰起始位置随流量的增大向下游移动，随当量比的增大先向上游移动后向下游移动。通过选择合适的当量比和流速，能控制微喷管内的燃烧温度和位置，为微推进、微喷射等系统的设计和改进提供依据。

直射—旋流预混细水雾喷头设计及灭油火实验研究

针对直射喷头雾化角小以及机械旋流喷头穿透性差的问题,设计了直射-旋流预混细水雾喷头。建立喷头流场模型并进行仿真对比分析,得出直射喷口直径及喷口距离变化对雾化性能的影响规律。结果表明,直射喷口直径为1.5 mm,喷口距离为1.0 mm时,总喷口的切向速度和轴向速度大小及分布均比较理想,能达到很好的雾化效果。通过灭油类火实验表明,设计的直射-旋流预混细水雾喷头对于火场温度的抑制效果比普通喷头更好,相对于普通喷头灭火时间缩短20%。

预混式气力喷雾系统喷头试验及结构优化

对预混式气力喷雾系统喷头进行试验,研究了结构喷头各参数对雾化效果的影响,并通过喷头孔 径d、喷头芯端间隙e和涡流室长度L三因素的水平正交试验,得出了喷头最佳结构参数为:d=1.3 mm, e=1.0 mm,L=20 mm.

喷嘴旋向对多喷嘴预混燃烧的影响

针对五喷嘴模型燃烧室采用层流小火焰模型进行数值模拟,讨论了中心喷嘴同向旋流和反向旋流对甲烷/空气多喷嘴预混燃烧的影响,模拟结果与实验结果吻合较好.数值模拟结果表明,多喷嘴预混火焰悬浮于喷嘴上方0.3,d处,多喷嘴气流相互掺混形成了高度湍流的掺混区,在掺混区内发生强烈的燃烧化学反应.中心喷嘴同向旋流布置时,主回流区顺时针扭曲,流动最后发展为与单喷嘴类似的旋流流场结构;对于中心喷嘴反向布置,气流整体旋流偏转较小,掺混后喷嘴气流仍然保持着各自的旋流流动结构.此外,中心喷嘴的同向/反向布置对多喷嘴预混燃烧反应进程的影响不大.

固体燃气涡轮火箭发动机掺混燃烧实验方法

为研究固体燃气涡轮火箭发动机(SP-ATR)补燃室掺混燃烧规律,建立了一种采用多喉道喷管进行落压模拟的补燃室掺混燃烧实验方法,并利用该方法开展了典型工况下的地面直连实验研究,获取了流道内压强、温度分布、发动机推力等参数。结果表明,文中建立的补燃室掺混燃烧实验方法切实可行;两级喉道喷管可较好实现落压模拟功能;典型工况下补燃室燃烧效率、发动机性能较好;圆孔型掺混器流通面积较为合适,但对补燃室中段温度分布改善有限,为获得较优的发动机性能,还需进一步就掺混燃烧组织方式开展优化研究。

气气快速预混喷嘴内部结构仿真研究

应用稳态时N-S方程、RNGk-ε湍流模型以及非预混燃烧模型对几种预混喷嘴进行了仿真计算。内部结构分别为无肋片无凹槽式、肋片式、凹槽式及凹槽/肋片组合式。从总压损失和掺混效果2方面进行了比较分析,分析认为:凹槽/肋片组合结构的掺混效果相对较好。研究结果可为快速预混喷嘴试验件设计提供一定参考依据。

柴油机超多喷孔预混合燃烧研究(上)

针对批产的CA6DF柴油机,设计了一种具有低压缩比和较大口径的直口型燃烧室、具有高涡流比的进气道和能够实现高EGR率的冷EGR系统,还设计了具有上下2层喷孔的超多喷孔油嘴,这种喷油嘴的上下2束喷雾相互交叉在燃烧室空间形成干涉,并采用高压共轨喷油系统替代机械直列式喷油系统,以有利于实现一种新的低温预混合燃烧,从而达到同时大幅度降低NOx和碳烟排放的目的。综合分析大量试验结果表明,该柴油机在从怠速到标定转速各转速（1 430 r/min除外）所对应的外特性全负荷50%的负荷以下实现了较理想的低温预混合燃烧,NOx和碳烟排放下降幅度均在50%以上,很多工况降幅达80%-90%,且燃油消耗率（BSFC）保持基本不变。特别在低负荷工况,由于过量空气系数高,实现了较理想的稀薄均匀混合气的预混合燃烧,因此即使在非常高的EGR率下BSFC还是与原机相当、有的工况还有所下降。

柴油机超多喷孔预混合燃烧研究(下)

针对批产的CA6DF柴油机,设计了一种具有低压缩比和较大口径的直口型燃烧室、具有高涡流比的进气道和能够实现高EGR率的冷EGR系统,还设计了具有上下2层喷孔的超多喷孔油嘴,这种喷油嘴的上下两束喷雾相互交叉在燃烧室空间形成干涉,并采用高压共轨喷油系统替代机械直列式喷油系统,以有利于实现一种新的低温预混合燃烧,从而达到同时大幅度降低NOx和碳烟排放的目的。综合分析大量试验结果表明,该柴油机在从怠速到标定转速各转速(1 430 r/min除外)所对应的外特性全负荷的50%负荷以下实现了较理想的低温预混合燃烧,NOx和碳烟排放下降幅度均在50%以上,很多工况降幅达80%～90%,且燃油消耗率(BSFC)保持基本不变。特别在低负荷工况,由于过量空气系数高,实现了较理想的稀薄均匀混合气的预混合燃烧,因此即使在非常高的EGR率下BSFC还是与原机相当、有的工况还有所下降。

超多喷孔新型喷油嘴性能研究

开发了一种具有上下两层的超多喷孔新型喷油嘴,分析了其结构特点,并进行了相关的发动机性能试验,以及喷雾特性试验,揭示了该超多喷孔新型喷油嘴不但能够同时降低NOx,PM排放,而且能够降低HC,CO排放的机理。

EGR对柴油机超多喷孔预混合燃烧影响的研究(上)

为了在柴油机上实现预混合燃烧同时降低NOx和烟度(soot)排放,本研究采用大量废气再循环(EGR)在一台车用六缸柴油机上进行试验研究。大量EGR可以降低NOx排放,但会引起soot排放的增加,为了消除这一不利后果,采用具有大流通面积的超多喷孔油嘴,并结合使用电控高压共轨燃油喷射系统实现高压喷射,缩短喷射持续期从而实现预混合燃烧,降低soot排放。对EGR如何影响柴油机超多喷孔预混合燃烧性能进行了试验研究,选定4个试验工况,通过改变EGR率来测试柴油机性能。结果显示在高EGR率,并结合超多喷孔油嘴,以及合适的喷射压力、喷油始点下,有利于柴油机实现预混合燃烧,达到同时降低NOx和soot排放的目的。

预混合低温燃烧柴油机燃油喷射参数与燃烧室的空间匹配研究

通过数值模拟计算研究了预混合低温燃烧模式下燃油喷射参数与燃烧室的空间匹配规律。结果表明：燃油油束落点位于燃烧室喉口中部时混合期内缸内平均湍动能增加,且燃油蒸发速率和湍流混合强度最大;随着喷雾锥角的减小,NOx排放单调上升,Soot排放呈先下降再上升最后再略有下降的趋势。随着油嘴伸出高度的逐渐增大,NOx排放先升高后降低,Soot排放则相反。有效容积比在（34~38）%范围内时能够兼顾NOx和Soot排放性能。

超多喷孔喷油嘴喷雾特性试验研究

采用高速CCD数码相机对超多喷孔喷油嘴以及传统喷油嘴的喷雾进行拍摄分析,发现超多喷孔喷油嘴的上下两层喷雾束,在离开喷孔后不久就相互碰撞,与传统喷油嘴相比其喷雾贯穿距离要短、单束喷雾锥角要大,这些特性有利于柴油机组织缸内预混合燃烧。

EGR对柴油机超多喷孔预混合燃烧影响的研究(下)

为了在柴油机上实现预混合燃烧同时降低NOx和烟度(soot)排放,本研究采用大量废气再循环(EGR)在一台车用六缸柴油机上进行试验研究。大量EGR可以降低NOx排放,但会引起soot排放的增加,为了消除这一不利后果,采用具有大流通面积的超多喷孔油嘴,并结合使用电控高压共轨燃油喷射系统实现高压喷射,缩短喷射持续期从而实现预混合燃烧,降低soot排放。对EGR如何影响柴油机超多喷孔预混合燃烧性能进行了试验研究,选定4个试验工况,通过改变EGR率来测试柴油机性能。结果显示在高EGR率,并结合超多喷孔油嘴,以及合适的喷射压力、喷油始点下,有利于柴油机实现预混合燃烧,达到同时降低NOx和soot排放的目的。