柴油机高压共轨喷雾模型与碰撞喷雾研究

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雅宝题库解析：
喷雾雾化作为燃油蒸发燃烧的边界，喷雾雾化特性在一定程度上决定了发动机的燃烧与排放性能，因此研究喷雾雾化过程对于实现柴油机的净洁高效燃烧具有重要意义。喷雾多维数值模拟作为研究喷雾雾化过程的重要工具，其计算精度是其面临的关键题目之一。在满足现阶段排放法规的过程中，传统喷雾模型的精度受到新的挑战，如喷油压力越来越高，喷雾模型能否合理描述高压喷雾油滴的破碎以及碰撞过程；新型喷孔结构（如组喷孔）的出现，喷雾模型能否准确描述密集喷孔间喷雾射流的交互作用；多参数多水平燃烧系统优化的需要，喷雾模型能否保证粗网格下喷雾的计算精度。因此，十分有必要对喷雾各个子模型进行深入研究以保证喷雾仿真计算的精度。本文以开放源代码KIVA-3V为工具，深入研究喷雾模拟过程中所涉及的破碎模型、碰撞模型以及气液耦合算法。原始喷雾模型以最近节点气液耦合算法为中心，联合使用O’Rourke碰撞模型以及KH-RT破碎模型，而以拉格朗日插值算法为中心，联合复合碰撞模型、KH-RT破碎模型、气相射流模型以及碰撞时间尺度限制算法形成了修正喷雾模型。同时探讨了原始喷雾模型以及修正喷雾模型在柴油机高压共轨喷雾模拟中的适用性，最后基于修正喷雾模型重点分析了碰撞喷雾的雾化特性以及喷孔几何结构对碰撞喷雾雾化的影响规律。油滴二元碰撞试验表明不同韦伯数与碰撞数下的碳氢油滴碰撞过程依次出现反弹、聚合、反射分离、拉伸分离过程以及高韦伯数下的碰撞二次破碎过程，而燃油粘度以及碰撞环境条件对油滴碰撞特性具有显著影响。O’Rourke碰撞模型仅仅考虑碰撞聚合以及拉伸分离两个过程，不考虑碰撞二次破碎过程，同时碰撞分区中也忽略了燃油粘度与碰撞环境条件的影响，使得其预测的分区临界韦伯数都明显低于试验结果。相反，复合碰撞模型中借助于前人的试验结果修正碰撞分区模型，考虑碰撞反弹、聚合、反射分离以及拉伸分离过程。同乙醇、十六烷以及柴油油滴的碰撞试验比较结果表明复合碰撞模型对碰撞分区具有良好的预测精度，使得其能有效地模拟不同燃油以及环境压力下的油滴碰撞特性。同时依托分离动能、表面能以及耗散能之间的平衡构建了碰撞二次破碎模型，使得复合碰撞模型能有效地捕捉实验中所观察到的碰撞二次破碎所带来的喷雾粒径下降过程。随后，采用复合碰撞模型研究了燃油物性以及环境压力对碰撞过程的影响，结果表明随着环境压力的增加，油滴碰撞反弹几率增加而碰撞聚合比例下降，喷雾贯穿度下降，喷雾SMR增加；随着燃油粘度的增加，碰撞聚合比例增加而碰撞分离比例下降，喷雾SMR增加。O’Rourke碰撞模型中油滴碰撞的必要条件是两个油滴处于同一气相单元中，使得碰撞概率依赖于气相单元大小，限制了两个相邻而处于不同气相单元的油滴之间的碰撞过程，因此原始喷雾模型中的碰撞计算过程出现严重的网格尺度依赖性以及奇数与偶数单元依赖性。原始喷雾模型中采用最近节点法计算气液耦合过程，气液耦合精度依赖于计算网格尺度。随着网格的粗大化，气相速度被低估而低估了喷雾贯穿度。碰撞模型中假设碰撞概率服从泊松分布，使得喷雾计算出现明显的计算步长依赖性。修正喷雾模型采用独立的拉格朗日碰撞单元降低碰撞过程的网格依赖性，联合使用拉格朗日插值算法以及气相射流模型降低气液耦合过程对网格的依赖性，采用碰撞时间尺度算法对时间步长进行限制，从而使得修正喷雾模型获得良好的低数值依赖性。原始喷雾模型在碰撞喷雾模拟过程中不仅出现网格依赖性，还出现喷孔布局依赖性，因此基于修正喷雾模型研究了碰撞喷雾的雾化特性。结果表明平行组喷孔由于喷孔直径减小所带来的微孔效应以及喷雾重叠区域的射流交互作用，其喷雾同单喷孔类似，均具有良好的轴对称性。平行组喷孔喷雾贯穿度略小于等截面单喷孔，而明显大于等直径单喷孔。随着喷孔间距以及夹角的增加，喷射射流交互作用下降，组喷孔喷雾贯穿度下降，喷雾SMR下降，同时也逐渐失去轴对称性。相对于收缩型组喷孔，扩张型组喷孔喷雾失去轴对称性更快，喷雾贯穿度下降更多。组喷孔在一定程度上缓解了提高喷雾雾化蒸发速率与保持喷雾贯穿度之间的矛盾，为优化燃烧系统提供了更多的自由度。