柴油温度对柴油机喷嘴孔内流动特性影响研究文档格式.docx
《柴油温度对柴油机喷嘴孔内流动特性影响研究文档格式.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《柴油温度对柴油机喷嘴孔内流动特性影响研究文档格式.docx（19页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。
果，空气动力、喷孔内的空穴现象和湍流扰动是三个基本原因。
目前只有在空气动力不稳
定性的研究上比较成熟，因此进一步研究喷孔内部流动现象非常有必要。
现阶段的研究成
果基本上确定了喷嘴空穴流的宏观结构及其影响因素。
但是，迄今绝大多数有关喷孔内空
穴流的研究、尤其基础研究工作都是在固定温度条件下来进行研究的。
事实上，实际发动
机工况是变化着的，喷嘴内燃油温度约在0℃到150℃范围内变动。
在不同工况下，柴油
的物性参数如表面张力，粘度，密度，和饱和蒸汽压随着温度的变化相应会有变化，进而
会对孔内流动以及喷雾性能产生影响。
本文分析了柴油物性参数如蒸汽压，粘度，表面张力和密度随温度的变化关系，柴油
蒸汽压随温度升高而升高，在四个物性参数中随温度变化幅度最大；
其次是柴油粘度和表
面张力，其随着温度的升高而降低；
柴油密度随温度升高而降低，在四个参数中变化幅度
最小。
探讨了空化数，雷诺数，韦伯数和OH数随温度和喷射压力的变化规律，其中空化
数随着温度的升高而增大，这是因为空化数增大意味着蒸汽泡数量增多，而气泡的增长速
率是受燃油和蒸汽的热力学性质所决定；
雷诺数和韦伯数均随着温度的升高而增大；
Ohnesorge数包含了主要的柴油物性，随着温度的变化规律与粘度相近，且其与喷射压力
无关。
最后，利用CFD模拟软件选取了三个喷射压力值和四个温度点对喷孔内流动进行
了计算模拟，并得到以下结论：
1、柴油温度升高，孔内流动的空穴程度增大，从而引起质量流量的减小；
2、柴油温度的升高大大提升了空穴的发展空间，空穴能够得到更充分的发展，延伸
至更远的距离，这可能要归因于柴油温度的升高显著提升了柴油的蒸汽压力，从而引起孔
内更多的空穴存在；
3、在空穴流发生之前，柴油温度升高，能量增大以及粘度降低是孔内流动速度增大
的主要原因，在空穴流发生之后，柴油温度对于孔内流体速度的影响主要体现在空穴的发
展程度上，柴油粘度影响相对变为次要。
空穴的发展会引起孔内流体速度增大，这个现象
可能是由于空穴的发展在很大程度上减小了液相的流动面积；
4、超空穴流发生之后，柴油温度对于孑L内流动的影响很小。
关键词：
柴油温度，物性，孔内流动，空穴，数值模拟
T
浙江大学硕士学位论文Abs仃act
Abstract
IrnprovementsiIln：
Ie血e1侧ectionsystemsofdieselenginescanSubS仞mtiallyIproVethe
comblIstionofme如elaIldremlcetllemissionofhaml血lp01lu劬ts．SotllescholarsoVer也e
worldhaVepajdgreattentiono也e向eli坷ectionsystemaIlddonea10tofresearchonte如el
spraytomizationmechaIlism．ARerlong．temluIu．emittiIlge舫rts，people萨adu以lyrealized
t11atthebreaIalpndatomizationoflquidjetSaret11eresultofmultiplef．actors，auerod，Il锄ic，
cavitationaIldtI盯1ulencepe内衲atioIlsaret11reebaLsicreasoIls．ThecuITntresearchonme
aerodyn锄[1iciIlstabili够ismorema：
ture，so如rmerstudy诵t11theiIIcIell[1alnozzleflowisVe巧
necessaⅨAtpresent，tlleXperimentalstudyonno劢ecaVitationmaderem矾汕1e
progress：
definingnozzlecavitationflwmaCroscopics仃咖锄ditSiImuencillgfktors．
Ho、veVer，ne砌yallpreViousexp?
mentsofcaVitationiIl蝎ectioIlsnozzleshaVebeen
conductedatfixedtemperature．W11ilei11tlleconte殖ofrealigticengiIleoprationconditiollS，
fuelteInperaturescanVary靠ombelow0℃toVer150℃at廿豫画ectortipunderMgllload
6nngconditionS．Infact，dieseloilhas晰delydi位rem仃乏mSponpropeniessuchasVapour
pressure，Viscosi饥surflacetenion锄ddensi够．
，IKsp印era11alyzest11erelationShjpoftlledieselphysicalparametc：
rssuchaSVapor
pressure，ViScos时，surfaceteIlsionaIlddens埘晰thtemper狐鹏changes．DieselV印orpresure
isincreaSedtllmoSt谢t11increasingteIperanlreamoI培nlefourphysicalparameters，followed
bydieselviscosi够andsurfacetensiondecreaSed晰mincreaSiIlgtemperature．Thediseldnsit，
烈sodecreaSes研t11nleincreaseoftmperaturendthsmalleStchangesinthefourpropenies．
Then，tllispaperdiscussesmeV撕ationSfcaVitationm11ber，Reynoldsnumber，W曲ernumber，
a11dOhneSo娼enumber嘶也dieselfuletemperatureIld蜥ectionpressure．Theincreaseofthe
dieselRIelteInperaturecausesai11creaSeofthecaViationnumberbc矾IseoftlleincreaSeofthe
V印orbubblenumberaStllebubblegrowtllratewaSdete加血ledbymet11e肌odynaIIlic
propenies．Reyn01dsmHnbera11W曲erm髓beraeincreaSiIlg诵mincreaSillgtemperature．The
Ohneso曙emlInbercuvewbjchi11co驴ratesallt11emaLinnmdppropertiesissmlar晰t11me
Viscosit，andShowsthat廿leOHmlmbera11di坷ectionpressureareind印endentofachother．
Finally，诵也CFDsiIllulajtonso胁are“spaperhaSselected11ree硒ectionpressure
valuesarldfourtemperaturepoimstosimulate也ein_t：
malnozzlenowaIldobtaj．ned吐1e
f01lowiI毽conclusions：
FirSt，theiIlcreaSeof也ediesel如eltemperalurecausstllelli曲er1evelsofcaVitationnow
andt11edecreaseoftllemassflowrate：
Second，meincreaLseoft11ediesel如eltmperaturegreatlynhallcest11ecaVitation
II
浙江大学硕士学位论文Abs打act
deVelopmentwllichmaybeattribl吡edt0sigllificantlyimpr0VemedieselVaporpressureby吐le
i11creaSeofmsel如eltemper种ure，tllerebyresultingiIlmorecavitioniIlside廿1enozzlehol钐
Third，inno?
cavi谢onnow，increasedenerg，a11dreducedviscosi锣werememaillreaSon
oft11eiIlcreaSillgnowVeloci够inirItelll乏llnozzle．HoweVer，inca们ta：
tonnw，也eiIllpactontlle
i11temalnozzleflowVeloc毋isnlainJyreflectediIl也eextent0fcaVitationdeVelopment．nle
cavitationdeVelopmemwillcausetllei11creaSeofintemalnozzlenowVeloci够，Wbjchmaybe
duetotlleiIlcreaseofm1eVelsofi11nozzlecavitation1a玛elyreducingmeliqIlidphaSenow
are碜
Fourtll，mermesupercavi协onnoW，changingmedieselmelte珈【peran】rehaSlittlee位ct
ontbeinten】a】nozzlenow．
Kq唧ord：
dieself．uelteII】【pera：
吡e，dieselproprties，i11temalnozzlenow；
caVi诅tion，numedcal
siInulartion
In
浙江大学硕士学位论文目录
摘要?
：
I
A-bstract?
．II
l绪论?
．1
1．1研究背景与意义?
1．2孔内流动研究的发展?
．2
1．3本文研究的主要内容?
．20
2温度对孔内流动及喷雾特性影响的研究现状?
．2l
2．1温度对燃油物性参数影响的研究?
．22
2．2温度对喷雾性能的影响研究?
．25
3不同温度燃油物性参数对孔内流动的影响?
．30
3．1饱和蒸汽压?
．30
3．2粘度?
_?
．32
3．3密度?
．35
3．4表面张力?
．36
3．5温度对孔内外流动特性的影响?
37
4孔内流动模拟计算?
43
4．1CFD模拟软件?
．43
4．2计算模型的建立?
4．3常温下模拟计算验证?
．45
4．4不同温度下的空穴模拟计算及分析?
50
5全文总结?
．66
参考文献?
．68
致谢?
．73
攻读硕士学位期间发表论文?
．74
IV
浙江大学硕士学位论文绪论
1绪论
1．1研究背景及意义
世界范围内机动车拥有量和使用多年来一直在急剧上升，同时伴随而来的是
许多大城市空气质量保护压力与日俱增。
目前的解决方法倾向于技术层面，即如
何减少车辆尾气的排放。
柴油发动机热效率高、耐久耐用。
不过，柴油机排放的细小颗粒及氮氧化物
问题严重，颗粒是致癌的，氮氧化物形成烟雾，因此，改善柴油机排放性能势在
必行。
能同时减少柴油机颗粒和氮氧化物排放的方法之一是改进燃油喷射系统、合
理组织燃料空气的混合。
对燃油喷射系统的改进能显著的减少其排放，不过许多
具体原因还不得而知，比如，喷油器喷嘴对雾化特性究竟有多大影响。
因此理解
喷孔内部流动对喷雾影响的细节能够帮助我们更好的设计低排放的柴油发动机。
喷油器喷嘴内部流动的研究受到一些因素制约，如喷孔内部长度通常是毫米
量级，喷孔直径还不到1个毫米，孔内的流动速度很高，每秒几百米左右，再有，
喷射持续时间为几个毫秒，孔内流动是瞬息万变的。
基于上述原因，要做到直接
观测到孔内流动是困难的。
并且，孔内流动通常是多相的，更增加了问题的复杂
程度。
柴油与空气混合的第一步就是喷孔中的液柱燃料在喷孔外首先要分裂成液
滴，然后才有大液滴变成小液滴等一系列过程。
但到目前为止，人们并不能清晰
阐明柴油燃料是如何从液柱变成液滴的这一过程。
液柱破碎成液滴的过程相当复
杂，直到上世纪八十年代，有关柴油喷射破碎问题，主流的研究内容还是聚焦于
表面波理论，认为柴油喷射破碎主要是由于高速柴油与周围气体之间相互作用，
产生了不稳定的表面波，当表面波振幅无限增大时，液滴破碎。
尽管人们也开始
推测喷孔内紊流、空穴和喷孔出口界面突然变化均会导致喷射液流的不稳定，但
限于当时的研究条件、内燃机工业及理论研究发展的水平，并未将其作为最急需
解决的问题加以研究。
到上个世纪九十年代，柴油高压共轨喷射技术已经成熟，并作为标准装备用
于柴油机。
在上千巴喷射压力下，喷孔内产生空穴、出现汽、液双相流的现象对
柴油喷射过程的影响已不可忽略。
当然，到目前为止，空穴流的出现对柴油喷雾
破碎到底是有利，还是不利，仍有争议。
有研究者的研究结果证明：
孔内空穴流
有利于孔外的喷雾破碎，也有研究者得出的相反的结论。
另外，空穴产生穴蚀，
对喷嘴的工作可靠性也提出了挑战。
无论如何，对现在的柴油喷射来讲，喷孔内
空穴的研究已成为绕不过去的课题。
1．2孔内流动研究的发展
20世纪70年代以前，具有代表的学说主要有空气动力干扰说，湍流扰动说，
边界条件突变说，压力震荡说，空穴扰动说，但其中没有一种能完全令人信服并
经受实验的检验。
20世纪90年代以后，人们逐渐认识到液体射流分裂雾化并非
由单一的某种机理所引起，而应该是多种因素综合作用的结果。
目前比较一致的
看法是，空气动力、喷孔内的空穴现象和湍流扰动是三个基本原因n3。
理解喷雾破碎机理最早的重大进展是发展了喷雾破碎的数学模型。
Raylei曲
早在1878年发现液流的微小扰动会发展的极为迅速砼1，他提出了无粘性射流破
碎的数学模型，完成了线性稳定流分析，确定了扰动最快发展的波长。
1931年
w．eber在模型中增加了粘性的影响似1。
1940年Taylor使用粘性线性模型预测液粒
大小，理论推导出破碎形成的液粒直径应该与不稳定波的长度成比例关系“3。
1975年Sterling和Sleicher进一步推广了Raylei曲和Weber的研究啼3。
这些模型
适用于低速时的平滑层流，没有考虑喷嘴对射流的影响。
1958年，＆lnz扩展了Taylor在1940年的研究工作，将喷嘴的影响加入进
来∞3。
Ranz假设喷嘴提供了一个初始的扰动，其量级与喷雾锥角。
相关。
Rallz
认为扰动的增长速度与喷射液粒的径向速度成线性比例关系，喷射液粒的轴向速
度认为是喷孔出口的平均速度U，喷嘴的影响用一个比例常数A来表示，不同
的喷嘴给定不同的A值。
不过Ranz没有给出喷嘴几何特征尺寸对雾化性能的影
响。
1982年Re池和Bracco检验了R丑nz提出的关系式"
3，发现A值随喷嘴几何
特征尺寸的不同有显著改变，从3．1到28，通常取4，一般湍流强度越强，数值
越小。
Ranz的工作虽然有局限，但他给我们打开了一扇窗，开启了喷孔内部流
动对雾化影响的研究。
喷孔内部流动如果能够阐述清楚，喷射雾化机理也许就可以迎刃而解了。
喷
孔内部流动研究包括湍流，发展中的管内流和空穴。
一部分研究者的实验研究是
2
对无空穴流进行的。
Lichtarowicz等人1965年研究了短的、锐边入口、无空穴的
喷孔的流量系数阳1，发现其随雷诺数增长而增长至0．8左右。
1982年Kent和Brown
对锐边入口和圆角入口的喷孔流动进行了详细的计算阻3。
Kem和Brown计算了
一些总体特征量，如流量系数，并对喷孔出口速度波动的均方根进行空间分辨计
算，他们注意到锐边入口和圆角入口的喷孔出口处的湍流强度有很大的区别。
1993年，Knox．Kelecy和Farrell则分析了孔内湍流的波谱特性n们。
TellIlaIlt等人
n13和Oi出等人n23对无空穴孔内流动进行了数值模拟计算研究。
在1959年发表的具有里程碑意义的论文中，Bergwerk将柴油机喷油器喷射
雾化与空穴联系起来n引。
B黜rk通过对小的透明喷嘴进行实验，观察到了空
穴和挑射液流现象的发生。
Berg晰rk特别注意到喷孔模型比例尺寸的大小与其
孔内流动状况有关系，随着试验喷孔模型比例尺寸缩小，挑射液流则更加难以观
测到，他认为孔内流动对于喷嘴的加工缺陷极为敏感，随着喷嘴尺寸的缩小，喷
嘴内部缺陷是被放大了。
后期的研究认识到空穴是一个多维瞬时现象。
1991年Bode拍摄的照片清晰
的显示了空穴的非对称分布且随时间发生变化n钔。
Bode观察到喷孔入口弯角处
空穴膜的生长，并且发现空穴膜的生长状况与喷孔内部表面不规则程度以及喷孔
入口压力有关系。
1995年ChaVes等人拓展了Bode的工作n司，对观测到的超空
穴现象进行研究，注意到超空穴现象通常伴随着喷嘴喷雾锥角的显著增大。
当喷
射压力增大到发生了超空穴现象时，下游射流呈现对称状，破碎雾化也更加迅速。
Chaves等人还对圆角入口的喷孔进行了实验，发现在表面不规则的喷嘴内部也
可以有空穴现象发生。
此外，Chaves等人对照1995年SoteIIiou等人利用大比例
尺寸的透明喷嘴的实验现象n剐，对喷嘴模型空穴现象的比尺效应进行了研究。
大
比例尺寸喷嘴和真实尺寸喷嘴的实验对比，孔内流动和空穴的交互作用有显著的
不同。
不过，尽管有很多不同之处，Soteriou等人认为流量系数是不随模型比例
尺寸的变化而变化的。
Soteriou等人还进～步研究了孔内流动空穴现象与喷孔上
游特征参数的关系，例如针阀和喷嘴内部压力室。
比较1959年Be剃erk的研究
和1995年Sot耐ou等人的研究，Be则erk试图将他的研究结果与雷诺数联系起
来，Soteriou考虑的则是空化数。
对于定常流动的流体，静压随速度的增大而降低。
当流速很大时，静压可能
下降到低于饱和蒸汽压，这时，液体发生汽化而形成许多小的气泡；
小气泡可长
大或互相聚合而成为较大的气泡，从而在流管内形成局部的气液两相流。
这就是
空穴现象，亦称空泡或空穴。
对于同一管道或喷孔，随着喷射压力或速度的增大，
液体的流动可呈现五种不同的状态。
即：
湍流、空泡形成、超空穴、挑射液流以
及局部再附着流，具体见如图1．1所示n3。
当任何一点的压力均高于饱和蒸气压时，流动为典型的湍流管流，喷孔上游
高压燃油以光滑流线流入喷孔。
由于流道的突缩而在入口处发生分离，形成局部
旋涡区。
涡区的大小取决于上下游压力比及喷嘴的结构，特别是入口边缘的尖锐
程度圆角。
在涡区之后，流体重新附壁，并由再附着点开始，形成边界层，
其厚度向下游方向逐渐增长。
在大约经过40倍孔径的长度后，流动成为充分发
展的湍流管流如图1．1a所示。
当流速增大到使喷孔内出现压力低于饱和蒸气压的低压区时，在涡区最小有
效截面后方因为此处压力最低开始出现气泡，从而形成局部的空穴流如图
1．1b所示。
如果流速继续增大，由于空穴已经形成，使得管内的燃油压力只能维持在饱
和蒸气压而不能进一步降低，其后果是产生更多的气泡，使空穴区不断向下游延
伸，一直到达喷孑L出口，发生超空穴或全空穴流态如图1．1c所示。
对于超空穴流，在一定条件下，特别是当喷射速度高，而喷嘴较短时，会出
现一种称之为挑射液流简称挑流，hydraulicflip的新流态。
此时，喷嘴下游
周边的空气进入喷孔，与空穴区相汇合，使得空穴立即消失，而代之以附在喷孔
壁上的一薄层气体，该层气体将燃油与喷孔壁分隔开，其效果相当于使喷孔内径
减小如图1．1d所示。
如果喷嘴较长，或者上游流场不均匀，则已经形成的挑流难以保持稳定的轴
对称形态，而出现燃油局部的重新附着现象，于是在喷孔内又相应地恢复局部的
空穴区，发生局部挑流或局部再附着流如图1．1e所示。
，≮箩L?
二。
b多竺L二
k吕自!
l丫2?
9?
兮?
扣?
b?
卜?
毒F菸∑?
_4婴坠
a湍流b空穴形成
c全空穴d挑射液流
e局部再附着流
图1．1喷孔内的5种流动状态
空穴对油束的分裂雾化有着本质的影响，这主要表现在空穴为射流的不稳定
性提供了初始扰动，同时对射流的初始速度和初始锥角具有关键的作用。
1．2．1试验研究
1试验方法
到目前为止，学者们进行了大量实验观测来分析喷嘴内部的空穴特性。
由于实际的柴油机喷嘴尺寸极小，孔内燃油的流速很高。
喷孔内的流动状况
极其复杂，充
升级会员 