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柴油机喷雾混合的场效应分析方法研究

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第27卷(2009)第4期内　燃　机　学　报Tran s acti on s of CS I CEVol.27(2009)No.4　文章编号:100020909(2009)0420339205272053　柴油机喷雾混合的场效应分析方法研究刘福水,白　冰,李向荣(北京理工大学机械与车辆学院,北京100081)摘要:柴油机燃烧系统的设计及匹配一直是柴油机研究的重点。

提出了一种新的柴油机燃烧系统场效应分析方法,针对喷雾混合过程进行微观及宏观仿真分析研究。

场效应分析方法从燃油浓度场和速度场对混合过程的影响规律入手,将这两个场量对传质的作用通过场效应角进行量化,从而对燃烧系统的优劣进行定量的评价,指导燃烧系统的设计或优化匹配。

以喷雾锥角的匹配为例应用场效应分析方法进行了仿真研究,并在单缸机上进行了试验验证,证明了场效应分析方法的有效性和实用性。

关键词:柴油机;燃烧系统;场效应;喷雾;仿真中图分类号:TK412.2 文献标志码:AResearch on F i eld Effecti on Ana lyz i n g M ethod of D i esel Spray and M i x i n g ProcessL IU Fu2shu i,BA I B i n g,L I X i a ng2rong(School of Mechanical and Vehicle Engineering,Beijing I nstitute of Technol ogy,Beijing100081,China)Abstract:Matching of diesel combustion system is the core of diesel engine research.A new analyzingtool named field effection analyzing method is p r oposed in this paper t o si mulate the Sp ray,the m ixturefor mati on and the co mbusti on p r ocess in the chamber of diesel engine in both m icro and macr o as pect.T womain factors of this method are fuel concentration and velocity of flow field.The action of t wo fact ors onmass transfer is quantified by the Field Effecti on Angle,and t o evaluate the combustion system.The matc2hing of s p ray angle as an examp le to conduct the si mulati on by using field effection analyzing method.Ver2ification was made in a single cylinder engine,and the study shows that the field effecti on analyzing meth2od is an effective and app licable method.Keywords:D iesel engine;Combusti on system;Field effecti on;Sp ray;CFD si mulation引言 如何实现柴油机的高效快速燃烧一直是柴油机研究工作者努力的目标。

目前柴油机研究的热点主要是燃烧系统的匹配,即如何能使油、气、室更好地配合,提高燃油的燃烧速度。

由于柴油机扩散燃烧的特点,使得其燃烧过程很容易受到某些因素的影响,如进气状态、喷油压力及喷孔参数、燃烧室形状等。

要解决燃烧的快速性、高效性问题最主要的是要解决燃油喷入燃烧室后的混合问题。

当代车用柴油机主要使用的是缸内直喷燃烧系统,柴油在喷入燃烧室后必然形成不均匀的混合气,局部过浓或过稀的混合气对燃烧及排放都是不利的。

因此如何能够尽量地提高燃烧室内的空气利用率,使燃烧时的混合气尽量均匀,是解决高效快速燃烧的核心。

对柴油喷入燃烧室后的扩散混合特点及其影响因素进行分析可知,在柴油喷入气缸后,会发生多种形式的扩散,包括分子扩散、湍流扩散、对流传输等。

整个混合的质量取决于这几种因素的共同作用。

目前的柴油机普遍使用增压以及高压燃油喷射,同时降低涡流比或不组织进气涡流,而是通过提高喷油压力和增加喷孔数缩小孔径来提高雾化质量,因此在进气系统一定的情况下对混合影响最大的因素就来自于燃烧室的形状。

国内外学者对燃烧系统的研究由来已久,如四角形燃烧系统[1]、花瓣形燃烧系统[2]、bump燃烧系统[3]3收稿日期:2009203205;修回日期:2009205227。

基金项目:国家自然科学基金资助项目(50876012)。

作者简介:刘福水,教授,博士生导师,E2mail:fushui_liu@。

及各种深坑形燃烧室的燃烧系统[4]等等。

这些燃烧系统的研发对于柴油机燃烧系统设计领域做出了非常大的贡献,在理论上和实际应用上取得了很多成果,为深入研究燃烧系统各组成部分对燃烧过程的影响打下坚实的基础。

通过众多学者多年对柴油机燃烧系统的研究,形成了一些基本的观点,如缸内的各物理场对于柴油机喷雾混合过程具有重大的影响。

因此如果能够使这些场量通过燃烧系统的设计达到最佳的耦合效果,就能够对混合过程进行控制。

笔者所在的实验室基于上述观点提出了一种新的燃烧系统场效应分析方法,场效应的概念主要是指缸内速度场对燃油传质过程所能起到的作用,如果速度方向与燃油浓度梯度方向一致,对燃油传质会起到加速作用。

如果能将网格单元处的场效应作用进行量化,就能对整个燃烧系统内进行定量的分析,从而实现燃烧系统的优化设计或匹配。

本文用场效应分析方法研究柴油机的喷雾混合过程,通过仿真的手段从微观的角度掌握混合过程中物理场的变化规律,探索有效组织和利用缸内各物理场以加速扩散混合的途径,指导内燃机燃烧系统的设计及优化匹配。

1　计算及试验设置1.1　场效应基本原理及计算方法 柴油机混合过程是多个物理场共同作用的结果,最主要的是速度场及燃油浓度场。

由于燃油的混合过程是一个传质过程,因此燃油从高浓度区快速地向低浓度区的传递,是决定混合质量的关键。

为定量地对传质过程进行分析,提出了场效应角的概念:定义浓度梯度方向和速度矢量方向的夹角θ为场效应角,作为表征局部场效应作用程度的参数[526],如图1所示。

图中圆点表示三维计算网格节点,曲线为燃油浓度等值线,浓度梯度方向为过节点等值线的法线指向浓度减小的方向,浓度梯度与速度矢量方向间的夹角为场效应角,此角越小则场效应作用程度越好。

其物理意义为,场效应角越小,燃油传质效果越好,扩散混合过程就会越快。

图1为场效应角示意图。

场效应角的定义式为 θ=arccos ud cd x+vd cd y+wd cd zU|c′|(1)式中:θ为某点处的场效应角;u、v、w分别为该点处速度U在x、y、z三个方向上的速度分量;c为燃油浓度; c′为燃油浓度梯度,定义为一定距离内的浓度变化量,即Δc/Δl,Δl为相邻节点间距离。

在CF D计算中,θi为第i个网格单元的场效应角, n为网格单元数,则整个喷雾场内的平均场效应角为 θ=∑ni=1θi/n(2)图1　场效应角示意图F ig.1　F ield effection angle 通过对上述场效应角的计算公式进行分析发现,由于柴油机喷雾导致燃油分布的不均匀,在整个计算域内会出现浓度非常小或浓度非常大的区域,这就意味着可能在这两种极端浓度的区域出现场效应角都很小或都很大的情况。

在浓度非常小的区域,即使场效应角很小,能够传递的燃油质量却非常有限。

在燃油浓度小到一定程度时,如燃料着火下限Фl,再进行传质已没有实际的作用。

在浓度较高的区域,如果流场速度非常低,这样即使场效应角很小,燃油传质过程同样会很慢,燃油扩散混合效果较差。

再者在进行喷雾过程仿真时,计算域内的网格不可能是完全均布的,也需要对体积项进行修正。

因此本文引入了加权平均场效应角的概念,下面分别对浓度加权、速度加权和体积加权进行介绍[728]。

1.1.1　浓度加权平均场效应角 当网格内燃空比小于或等于Фl时,混合气在着火界限以下,认为此处的传质效果为0,对于场效应角来说应为最大值180°。

在进行速度加权时也作同样处理。

加权系数的范围从0到1,传质效果越好,加权系数应该越小。

各点的浓度加权系数的具体处理方法:设第i个网格单元内的燃空比为αi,计算域内燃空比最大值为αmax,那么i点的浓度加权系数为k i=1 (αi≤Φl)k i=αmax-αiαmax-Φl(Φl<αi≤αmax)(3)即Фl<αi≤αmax时,浓度加权系数在1～0线性变化。

各网格单元处浓度加权场效应角为 θi c=kiθi(4) 浓度加权场效应角为 θmc=∑ni=1k iθi/∑ni=1k i(5)・43・内 燃 机 学 报 第27卷第4期　1.1.2　速度加权 设第i个网格单元的速度值为Vi,计算域内速度最大值和最小值分别为Vmax 和Vm in,那么i点的速度加权系数为 k′i=1 (αi≤Φl) k′i =V max-V iV max-V m in(Φl<αi)(6)即Vm in ≤Vi≤Vmax时,速度加权系数在1～0线性变化。

各网格单元处浓度、速度加权场效应角为 θi cv=k′i k iθi(7) 浓度、速度加权场效应角为 θmcv =∑ni=1k i k′iθi/∑ni=1k i k′i(8)1.1.3　体积加权 计算域中第i个网格单元的体积加权系数k″i即为其网格单元的体积。

那么第i个网格单元的浓度、速度、体积加权场效应角为 θi cvv =kik′i k″iθi(9) 浓度、速度、体积综合加权场效应角为 θmcvv =∑ni=1k i k′i k″iθi/∑ni=1k i k′i k″i(10)1.2　相对场效应数 场效应分析方法是以喷雾混合过程为基础进行研究的,为了比较实际柴油机内的喷雾过程与自由射流的不同,加入了相对场效应数,以自由射流状态下的平均场效应角为基准,定义燃烧室内喷雾过程的相对场效应数为 Frn=θ0mcvv/θmcvv(11)式中:θ0mcvv为自由射流状态下的平均加权场效应角;θmcvv 为燃烧室内喷雾场的平均加权场效应角。

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《基于拉瓦尔效应的气水两相喷雾数值模拟研究》范文

《基于拉瓦尔效应的气水两相喷雾数值模拟研究》范文

《基于拉瓦尔效应的气水两相喷雾数值模拟研究》篇一一、引言随着现代工业和能源领域的快速发展，气水两相喷雾技术被广泛应用于燃料喷射、冷却系统、燃烧过程等多个领域。

拉瓦尔效应作为气水两相喷雾技术中的重要物理现象，对于提高喷雾效率、优化喷嘴设计以及控制燃烧过程具有重要意义。

本文基于拉瓦尔效应，对气水两相喷雾进行数值模拟研究，旨在深入理解其流动特性和喷雾特性，为实际应用提供理论依据。

二、拉瓦尔效应概述拉瓦尔效应是指当流体在喷管中加速时，由于喷管扩张段的存在，流速降低而压强增加，同时温度也随之增加。

当达到一定的出口状态时，喷出的气流由于温度、速度等因素的作用形成了一定的动力学优势，产生压缩现象。

该效应对于两相流喷雾中的雾化和颗粒的分布特性具有重要影响。

三、数值模拟方法本研究采用计算流体动力学（CFD）方法进行数值模拟。

首先，建立气水两相喷雾的物理模型和数学模型，包括喷嘴结构、流体性质、边界条件等。

然后，采用拉格朗日或欧拉-欧拉法进行模拟计算。

对于喷嘴内流体的运动特性、流动特性和喷射过程的相互作用，利用VOF模型和粒子追踪法等数值计算方法进行分析。

同时，根据不同工况下的实验数据对模型进行验证和修正。

四、气水两相喷雾特性分析在数值模拟过程中，我们观察到气水两相喷雾的流动特性和雾化特性受到多种因素的影响。

首先，喷嘴的形状和尺寸对喷雾的分布特性和颗粒大小有显著影响。

其次，气水混合物的速度和流量也会影响喷雾的雾化和分布。

此外，喷嘴出口处的压强和温度也会对喷雾的形态和分布产生影响。

在分析过程中，我们特别关注了拉瓦尔效应在喷雾过程中的作用，探讨了其对于提高喷雾效率和优化喷嘴设计的意义。

五、结果与讨论通过数值模拟，我们得到了不同工况下的气水两相喷雾特性和流场分布情况。

在考虑拉瓦尔效应的基础上，我们分析了喷雾过程中颗粒的大小、速度、分布特性等参数的变化规律。

同时，我们对比了模拟结果与实际实验数据的差异，验证了模型的可靠性和准确性。

柴油机燃油喷射雾化试验方法及喷雾性能影响因素研究

柴油机燃油喷射雾化试验方法及喷雾性能影响因素研究

柴油机燃油喷射雾化试验方法及喷雾性能影响因素研究戎志祥;许辉强;周裁民【摘要】针对国内对柴油机喷油雾化的试验研究较少的现状,通过分析国外的试验设备、方法和研究成果,明确燃油系统喷雾试验设备和方法,为建设船用柴油机喷雾试验装置、助推自主品牌燃油系统和零部件设计开发做好技术铺垫和支撑.通过分析得知,对喷油雾化质量的影响因素为喷射压力、缸内温度、缸内压力、喷孔直径、喷油量,具体影响是喷射压力对最大液相贯穿距没有明显影响,仅影响到达最大贯穿距的时刻;缸内温度增加使液相贯穿距和喷雾锥角都会减小;缸内压力增加会使最大液相贯穿距减小;喷孔直径减小会使液相贯穿速度和距离都减小;在未达到最大液相贯穿距时,喷油量增加,液相贯穿距增加,但液相贯穿速率没有改变.【期刊名称】《舰船科学技术》【年(卷),期】2018(040)011【总页数】6页(P98-103)【关键词】柴油机;喷雾试验方法;喷雾性能影响因素【作者】戎志祥;许辉强;周裁民【作者单位】上海沪东造船油嘴油泵有限公司,上海 201913;中船海洋动力部件有限公司,上海 201306;上海沪东造船油嘴油泵有限公司,上海 201913;上海沪东造船油嘴油泵有限公司,上海 201913【正文语种】中文【中图分类】U664.1210 引言柴油机的输出功率和效率，与缸内的燃油雾化性能有很大关系，如何在燃烧室中形成最适合燃烧的混合气是燃油喷射系统设计的主要任务之一。

燃油喷射的效果由燃料颗粒直径、分布、贯穿距离等空间因素决定。

通过优化后雾化性能来确定所需的喷油压力、喷孔锥角、喷孔直径等参数，进而指导燃油系统设计。

燃油喷射雾化的效果测试需要专门的试验设备，对试验设备、方法及喷雾影响因素等进行研究为船用燃油系统喷雾试验设备搭建和喷雾性能研究提供一定指导和参考。

1 缸内喷雾试验方法喷油油束分为液相和气相，一般通过试验的方法分别测试。

目前主要的试验方法有纹影法、Mie散射法、激光诱导荧光法和纳米火花成影法。

利用PIV技术对柴油机高压喷雾流场的可视化研究_白冰

利用PIV技术对柴油机高压喷雾流场的可视化研究_白冰

收稿日期:2009-04-03基金项目:国家自然科学基金资助项目(50876012)作者简介:白冰(1980—),男,博士生,E 2mail :baibingwyz @ ;刘福水(1964—),男,教授,博士生导师.第30卷　第4期2010年4月北京理工大学学报Transactions of Beijing Institute of TechnologyVol.30　No.4Apr.2010利用PIV 技术对柴油机高压喷雾流场的可视化研究白冰,　刘福水,　马云龙,　李向荣(北京理工大学机械与车辆学院,北京　100081)摘　要:研究不同喷雾时刻及介质状态变化对柴油喷雾流场的影响.采用PIV (particle image velocimetry )激光测试技术对高压柴油喷雾流场进行速度场测量实验.实验时利用前次喷雾的液滴作为示踪粒子对当次喷雾进行速度场计算.分别进行了单次喷雾时刻、喷油压力、介质密度不同时的喷雾实验.喷雾过程中在雾注前锋周围会形成卷吸涡,且其强度随喷雾的发展及喷油压力的提高而增加;当介质密度增加后,雾注前锋贯穿速度降低,相对速度增加.柴油喷雾过程中形成的卷吸涡有利于柴油向周围空气的扩散,提高喷油压力可以有效地强化这种效果;介质密度增加使液滴密集度增加,对油气扩散混合有不利影响.关键词:柴油喷雾;速度场;粒子图像速度场仪(PIV );卷吸涡中图分类号:U 4641172 文献标志码:A 文章编号:100120645(2010)0420395205Visibilization R esearch in the Flow Field of High PressureDiesel Spray by PIV T echniqueBA I Bing ,　L IU Fu 2shui ,　MA Yun 2long ,　L I Xiang 2rong(School of Mechanical Engineering ,Beijing Institute of Technology ,Beijing 100081,China )Abstract :To investigate t he effect s of t he flow field by t he injection time and t he medium stat us ,particle image velocimet ry (PIV )technique is used.The droplet s induced by t he former spray are used as t racer element in current sp ray.The experiment s include t he velocity measurement of different time ,injection pressure and t he backgro und density of t he folw fied.A swirl forms around t he tip of t he sp ray during t he course of injection and it s intensity gorws up when t he sp ray develop s and t he injection pressure increases.When t he medium density increases ,t he penet ratio n speed reduces and t he relative speed increases.Thus t he swirl caused by t he spray is of benefit to t he oil diff useness ,and increasing t he injectio n pressure can intensify t his effect.Increasing t he medium density will make t he drop s denser and t his will slow down t he mixing speed of t he oil and air.K ey w ords :diesel spray ;flow field ;partical image velocimet ry (PIV );swirl 柴油机燃油雾化质量及油气混合过程是影响燃烧过程的重要因素之一,对柴油机的动力性、经济性和排放性能具有决定性作用[1].近年来为改善柴油机综合性能而广泛采用燃油高压喷射,它可以使喷雾持续期缩短,燃油雾化质量得到改善,以期加快燃烧速率,改善燃烧过程,降低排放,提高柴油机的经济性和动力性.柴油机喷雾向高喷射压力、高背景密度的发展已经成为必然,此时绝大部分情况都属于密集喷雾[2].与稀薄喷雾相比,密集喷雾的实验测试和计算模拟都更为困难.作者尝试利用激光粒子图像速度场测量技术(PIV )对密集喷雾条件下的喷雾流场进行测试,以获得喷雾混合过程的准确信息,为密集喷雾燃烧过程的研究提供基础数据.激光粒子图像速度场仪PIV (particle image ve 2locimet ry )测试超出了单空间点的测量技术的局限性,提供平面流场显示的整体结构和瞬态图像,是一种二维瞬态流场测速技术[3].它采用双脉冲激光器及粒子图像记录装置对两次曝光时刻的粒子位置进行记录,通过计算机处理得出平面速度场.目前PIV 技术多用于稳定流场的速度测量,在柴油机瞬态喷雾液滴的二维速度分布测量中应用还很少.该系统用于研究喷雾流动时,是利用喷雾液滴对入射激光产生Mie 散射的原理,并以此作为示踪粒子,利用高分辨率的CCD 数码相机进行瞬时拍摄的[4].PIV 照片经图像处理不仅可得到喷雾形态变化的整体宏观信息,同时通过对PIV 照片局部速度图像分析,还可得到液滴速度场分布等微观信息[5-6].1　实验装置和方法为研究密集喷雾速度场的形态、变化规律及其影响因素,采用定容喷雾模拟装置研究柴油机的喷雾速度场特性.图1为实验装置系统图,它由喷油雾化模拟系统(定容室、喷油器及高压气瓶等)、高压喷油系统(油箱、高压油泵及共轨系统等)、PIV 测试系统(CCD 相机、激光器及同步器等)和数据采集系统等部分组成.图1　喷雾模拟实验系统示意图Fig.1　Sketch map of spray experiment system111　喷雾模拟系统喷油雾化模拟系统包括定容喷雾模拟装置、喷油器、背景气体供应等.定容喷雾模拟装置内腔设计为120mm ×120mm ×120mm 的立方体,装置体上设有温度、压力测试孔、进排气孔和排油孔,还设有3个直径80mm 的石英玻璃观察窗.喷油器置于定容室顶部中间,定容室内压力调节范围为从环境压力到3M Pa ,如图2所示.实验选用高密度的SF 6气体模拟柴油机压缩图2　定容喷雾模拟装置Fig.2　Picture of fixed volume injection equipment缸内背景气体密度.SF 6常态下是一种无色、无味、无嗅、无毒的非燃烧气体,相对分子质量146106,标准状况下密度为6109g/L ,约为空气的5倍.SF 6是已知化学安定性最好的气态物质之一,其惰性与氮气相似.它具有极好的热稳定性,纯态下即使在500℃以上高温也不分解.112　高压喷油系统实验用高压燃油喷射系统选择了自主改进的共轨燃油系统,该系统的原型为BOSCH 公司生产的共轨系统.采用Dspace 和自行设计的驱动程序建立了控制系统,能够实现喷油压力、喷油量和喷射次数的任意调节.另外,高压共轨燃油喷射系统还包括变频驱动器、高压供油泵、高压油轨、输油系统、时序信号采集处理系统、ECU 、电磁阀驱动电路及测控计算机等部分.113　PIV 测试系统PIV 测试系统包括脉冲激光器、激光脉冲同步器、片光源光学元件、CCD 和计算机采集处理分析软件.激光器为New Wave Minilaser 50215E 型双脉冲Nd :YA G 激光器,单脉冲最大能量50mJ ,最高频率15Hz ,脉冲持续时间为5～7ns ,光束直径为215mm.片光源光学元件包括柱面和球面透镜.使用PIVCAM 10230型自相关/互相关CCD 相机捕捉图像.其分辨率为1024×1024,帧率可达30帧/s ,单个像素尺寸为9μm ×9μm ,它将图像传送到计算机内的采集卡.采集卡将CCD 相机送来的图像数字化,然后传给计算机进行处理.同步器与激光器、CCD 相机、帧抓取器及计算机相连,使各部件协调运行,使用喷油控制信号触发整个系统.・693・北京理工大学学报第30卷114　数据采集系统数据采集系统用于喷油过程中喷油压力和电磁阀开关等瞬态信号的高速采集,每通道数据采集频率达1M Hz.2　PIV 实验测试实验时,电机驱动供油泵运转,基于Dispace Microautobox 的电控系统采集凸轮轴的转动信号,通过电控系统控制电磁阀的开启及关闭时刻.开始喷油的同时,电控系统给同步器一个触发信号,再由同步器控制双脉冲激光器及CCD 相机,实现CCD 相机对喷油过程即时拍照,与PIV 系统相连的计算机对图像进行采集.数据采集系统采集喷油压力和电磁阀开启信号,直至喷油结束.通过Insight 软件处理后,得到喷雾场的速度矢量图.实验所采用喷油器喷孔直径为0118mm ,喷油压力分别为80,100,120,140M Pa ,喷油持续时间均为1ms.定容室压力(表压)分别为0,015,110,115M Pa ,对应模拟的空气密度分别为1115,29195,59190,89185kg/m 3,温度固定为293K.3　实验结果与分析311　不同喷雾时刻的实验结果及分析图3是背景压力为常压、喷油压力140MPa 下不同喷雾时刻的实验结果.图3各分图中左侧均为喷雾形态的PIV 原始图像,右侧均为相应的速度矢量图.图中白色区域为喷油雾注,箭头所示为喷雾场内的速度矢量.由于雾注中心粒子过于密集,无法得到雾注中心区的速度场.在实验时激光是从雾注右侧入射,激光受雾注中心粒子阻挡而影响左侧区域的测量,使雾注左侧的速度测量准确度较低,速度矢量有效点较少,因此在分析时主要观察雾注右侧区域.图3　不同喷雾时刻的雾注图像(左)和速度场(右)Fig.3　Spray image (left )and t he flow field (right )at different time 由图3可知,在雾注前锋下方的两侧存在一个速度较高的区域,这是由于雾注在空气中运动时在雾注前锋附近形成一个压力波,压力波推动周围气体以雾注前锋为中心向前方及侧向运动;同时在雾注前锋两侧,形成一个大尺度卷吸涡,此卷吸涡的存在促进雾注外围低浓度燃油向周围区域扩散.比较图3中不同时刻的速度场可知,雾注前锋气体两侧的卷吸涡形成的部位一直处于雾注前锋两侧,其位置跟随喷雾前锋向下运动,使雾注前锋周围的燃油更容易向两侧扩散,将微小的燃油颗粒传递到周围空气,对燃油的扩散混合起到了积极的作用.雾注前锋及两侧气体速度大约在1～3m/s 范围内,由于气体的速度较小、分布较宽,且整个流场最大速度也是出现在卷吸涡的位置.而在靠近喷孔的附近,空气运动速度的方向总是指向雾注中心,这部分区域的柴油不容易与周围空气混合,速度场对于传质的正向作用很小.从雾注发展过程来看,卷吸涡处的气流速度随着喷雾向前贯穿而逐渐增大,表明卷吸涡的强度随着喷雾发展过程逐渐增强,如图4所示.・793・第4期白冰等:利用PIV 技术对柴油机高压喷雾流场的可视化研究图4　卷吸涡最大卷吸速度随喷雾时间的变化规律Fig.4　The max swirl velocity at different time312　不同喷油压力的实验结果及分析图5为背景气体为常压,在0111ms 喷油时刻,喷油压力p 为80,100,120,140M Pa 的PIV 图像(左)及其速度场(右)的实验结果.由图5可以看出,随着喷油压力的提高,雾注的初始速度也随之提高,导致雾注在喷油开始后相同时刻的贯穿距离也增加,但流场的速度矢量分布情况基本相似.随着喷油压力的提高,雾注前锋附近气体的速度逐渐增加,使雾注对前锋气体的推动作用增强,卷吸涡的卷吸速度增大.图6显示了卷吸涡最大速度随喷油压力的变化规律,随着喷油压力的提高,卷吸涡最大速度增大,表明燃油与空气之间的动量及能量交换速度加快,使雾注所受背景气体扰动更为强烈.图5　不同喷油压力的PIV 图像(左)和速度场(右)Fig.5　Spray image(left )and t he flow field (right )at different injection pressure图7　不同背景压力的PIV 图像(左)和速度场(右)Fig.7　Spray image (left )and t he flow field (right )at different medium pressure图6　卷吸涡最大卷吸速度随喷油压力的变化规律Fig.6　The max swirl velocity at different injection pressure313　不同背景密度的实验结果及分析图7为背景气体(SF 6)压力p b 为015,110,115M Pa ,喷油压力140MPa ,在0150ms 喷油时刻的PIV 图像及其速度场的实验结果.从图7中可以看出,背景密度的变化对雾注周围速度场的影响很大.从宏观上看,随着背景密度的提高,雾注的贯穿距离明显减小,雾注前锋相对变宽,头部更趋扁圆.这主要是由于随着背景密度的・893・北京理工大学学报第30卷增加,雾注在运动扩散的过程中受到更多气体分子的阻碍,使得雾注内液滴更加密集,空气与油滴混合更加困难.从速度场结果分析可知,随着背景密度的提高,虽然雾注前锋速度逐渐减小,但雾注前锋对下方的空气推动作用却越来越强.为了定量描述雾注与气体之间的相互关系,定义相对速度v r为雾注前锋前方空气速度v a与雾注前锋速度v s的比值,即v r=v av s×100%.(1) 表1为喷雾时雾注前锋空气速度及相对速度随背景密度变化的实验数据,可以看到,在雾注前锋空气速度降低的同时,相对速度在增大.这是由于油滴密集程度的提高,大量油滴显示出很强的集群效应,类似一个多孔介质整体向前推动气体运动;同时由于背景密度的增加,压力波传递的速度也随之增大,导致前方的气体更早地受到雾注的挤压,因此雾注前锋空气速度与背景气体的相对速度随着背景气体密度的增大而增大.表1　前锋空气速度及相对速度随背景密度的变化T ab.1　Air speed at the tip of the spray and the relative speed at different medium density背景密度/(kg・m-3)v a/(m・s-1)v r/%301193215601178219901174312虽然卷吸涡能够帮助雾注两侧的燃油与空气混合,但是可以看到,由于背景密度增加,喷雾区内燃油液滴的集群效应增强,阻碍了燃油向空气中快速扩散,对喷雾混合过程是不利的.这也是当代大功率柴油机在提高转速、进气压力及喷油量的同时普遍存在的问题.314　误差分析本次实验在取得PIV速度场数据时产生一些系统误差,主要有两个方面.①由于实验时利用前次喷雾所产生的燃油液滴作为示踪粒子,其密度较大,跟随性相对较差,在很短的时间间隔内位移偏小,因此会使整个数据取得过程中速度比实际值稍小.②在进行高背景密度实验时,由于容器密闭,多次喷雾后在容器内会漂浮大量的燃油液滴,影响激光的传统特性,并对处理速度场时捕捉有效的液滴产生不利影响,使得速度场的一些部分处理结果稍有偏差.4　结　论①利用PIV技术,可以实现对柴油高喷油压力、高背景密度的喷雾特性的瞬态测量,从中获取喷雾结构、喷雾速度场分布等微观信息.②在雾注前锋两侧,随喷雾的发展会逐渐形成卷吸涡,其强度随喷雾过程的发展而逐渐增加.卷吸涡能够将雾注边缘稀薄的燃油带向周围的空气,促进燃油的扩散.③随着喷油压力及背景气体密度的提高,喷油雾注的结构形状变化不大,但在雾注前部周围出现的卷吸涡增强.④随着背景密度增大,背景气体对雾注的阻碍作用增强,也使喷雾雾注的速度衰减加大,雾注前锋气体的速度也会降低,相对速度增大,说明随着背景气体密度增加,喷雾液滴集群效应加剧,不利于油气混合.参考文献:[1]孙柏刚,冯旺聪,李向荣,等.燃油喷雾PIV测试方法研究[J].车用发动机,2004,152(4):43-45.Sun Baigang,Feng Wangcong,Li Xiangrong,et al.The PIV measurement system of f uel spray[J].Vehicle Engine,2004,152(4):43-45.(in Chinese)[2]Delacourt E,Desmet B,Besson B.Characterisation ofvery high pressure diesel sprays using digital imaging techniques[J].Fuel,2005,84:859-867.[3]Roesgen T,Totaro R.Two2dimensional on2line particleimaging velocimetry[J].Experiments in Fluids,1995, 19:188-192.[4]孙柏刚,冯旺聪,李向荣,等.PIV柴油喷雾测试中的应用[J].车用发动机,2004,149(1):45-50.Sun Baigang,Feng Wangcong,Li Xiangrong,et al.Application of PIV in diesel spray measurement[J].Ve2 hicle Engine,2004,149(1):45-50.(in Chinese)[5]成晓北,黄荣华.柴油机燃油喷射雾化的PIV测量试验研究[J].燃烧科学与技术,2003,9(3):224-228.Cheng Xiaobei,Huang Ronghua.Experimental study onf uel injection spray of diesel engine by PIV measurement[J].Journal of Combustion Science and Technology, 2003,9(3):224-228.(in Chinese)[6]Zachos A,Kaiser M,Merzkirch W.PIV measurementsin multiphase flow with nominally high concentration of the solid phase[J].Experiments in Fluids,1996,20: 229-231. (责任编辑:匡梅)・993・第4期白冰等:利用PIV技术对柴油机高压喷雾流场的可视化研究。

柴油机喷油嘴喷射过程空化效应数值分析

柴油机喷油嘴喷射过程空化效应数值分析

柴油机Diesel Engine第43卷(2021)第1期Vol.43(2021)No.1CH?*：3-0-*：3-0-*：3-0-*：3-0-*：3-0-*：［性能与排放1LXK；»<K；»<K；»<K；»<K；»<K；»S-«^柴油机喷油嘴喷射过程空化效应数值分析郭立君!，李晓声!，郑亮!##,浦卫华!，宋B1(1-七一一研究所，上海201108；2.上海交通大学动力机械与工程教育部重点实验室，上海200240)摘要：以某型机械式喷油器为对象，采用CFD软件STAR-CCM+，基于不可压缩流体体积函数(VOF)多相流模型，研究分析了在怠速&50%负荷、100%负荷工况下，完整喷射期内喷油嘴处的内流场及空化效应。

结果表明：喷射过程中针阀升程的变化对于流动和空化特性影响显著，针阀升程较小时，在针阀的拐角处形成局部低压区，空化现象开始发生，形成大量的燃油蒸气，并在囊室内形成显著的二次涡漩流动，在喷孔底部产生二次空化；在相同的针阀升程下，压强越大，空化效应越显著。

关键词：柴油机;喷油嘴；空化;针阀；升程中图分类号:TK421+4文献标识码:A文章编号：1001-4357(2021)01-0001-04Numerical Analysis of Cavitation Effect of Injection Process inDiesel Injector NozzlesGuo Lijun1，Lt Xiaosheng1，Zheeg Liang1，2，Pu Weitua1，Song Bet1(1.Shanghai Marine Diesel Engine Reseerch Institute，Shanghai201108； 2.Key Laboratory for PowerMachinery&Engineeang of Ministy of Education，Shanghat Jiao Tong University，Shanghat200240)Abstract:Taking a mechanical injectoa at tie reseerch object，based on tie multiphase Low model of in-campressible fluid volume function(VOF)，the internal flow field and cavitation eect ai the injectoa nozzle duang the complete injection peaod of a diesd engine ai idle speed，50%load and100%load were studied and analyzed by using a CFD software STAR-CCM+.The dsu U s show that the change of needle vvlvv lift has a signiacant effect on the Low and ctvitation characteastict duang injection.When the needle vvlvv lift is smaH，a locd low pressure zone is formed at the cornea of tOe needle vvlvv，00x01-tion occurs，a laree amount of fud vepoe is formed，and a signiacant secondare swirl flow is formed in tOe chambee，then a secondare cavitation occurs at tOe bottom of tOe nozzle.WitO the same needfe vvlvv UJ，the higher the pessue goes，the more significant the cavitation effect could be.Key words:diesd engine；nozzle；cavitation；needle vvlvv；lift0引言柴油机喷油嘴内部的流动及空化可以强化射流雾化，但空泡溃灭又会对喷嘴造成空蚀磨损，影响喷嘴寿命。