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基于CFD的柴油机喷雾过程模拟计算研究

作 者: 刘劲松
导 师: 许沧粟
学 校: 浙江大学
专 业: 车辆工程
关键词: 喷雾 CFD 模拟 粗糙度 空穴
分类号: TK421
类 型: 硕士论文
年 份: 2010年
下 载: 199次
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内容摘要


柴油机的喷雾特性影响着发动机的燃烧效率及排放,良好的雾化是高效、节能、环保的前提。对于柴油机的喷雾特性的研究,由于目前的实验测试存在着不能观察喷雾场内部结构的缺陷,CFD则在这方面有着其独特的优势。本文主要运用CFD软件Fluent对柴油机的喷雾过程进行模拟研究,分析其变化规律。结果表明,WAVE模型能在一定程度上较好地说明柴油机的喷雾近场雾化过程。通过分析可以看出,随着入射压力的增加或者背压的降低,喷嘴内外压差变大,其喷射初速度和能量就大,对后续的气流扰动会产生影响,可以增加喷雾锥角与贯穿距离,而表面不稳定波的波长由于气流扰动的加大会变短,雾化质量变好,但是由于背压变化范围有限,喷雾质量的提高不明显;孔径不变的条件下,随着长径比的增加,管内的阻力加大,贯穿距离减少,雾化质量变差。随后引入粗糙度的概念,粗糙度的存在使喷嘴内部的湍流发生了变化,有了初始的扰动,喷雾射流离开喷嘴后,就会迅速与气流产生扰动,增加了径向的喷雾场发展,喷雾锥角得到了增加,在一定程度上促进了雾化,同时由于在径向的作用,其在轴向的运动相对减弱,不同的粗糙度对于喷雾的锥角和贯穿距离影响各不相同,雾化质量有区别。模拟计算喷雾场中气流速度场的情况,可以看到在喷嘴出口处,由于扰动,气流被卷入喷雾射流中,但在喷雾射流的前端,气流被喷雾射流往外推,形成卷吸涡,而这种卷吸会随背压的降低有所减弱。随后运用混合模型,在考虑粗糙度的前提下,对柴油机喷嘴内的空穴进行模拟,可以看出,随着入射压力的减少,降低了内外压差,减低了静压力小于饱和蒸汽压的概率,空穴的区域随之减少;孔径不变的条件下,长径比的减少会增加空穴宽度,但是这个增加的范围有限;R型喷嘴中,r/D的增加减少了断面的收缩,空穴区域变小,且其值在一定临界值以上时,不会出现空穴现象;R型与S型相比,同样的外部条件下,空穴的出现区域要小,这与壁面的圆滑过渡有关。综合分析空穴现象及其后续的喷雾射流的雾化,可以看出,空穴对于柴油机的喷雾雾化有一定的促进作用,其在管内产生的初级扰动对于雾化的发展有很重要的影响。综合分析模拟研究整个柴油机喷雾过程,可以认为,喷孔内的空穴、管内的湍流扰动以及空气动力干扰是影响喷雾雾化的主要原因。

全文目录


摘要  3-4
Abstract  4-7
1 绪论  7-17
  1.1 研究的背景与意义  7-9
  1.2 柴油机喷雾过程模拟研究进展  9-15
    1.2.1 柴油机喷雾的模拟研究  9-11
    1.2.2 柴油机喷孔内空穴的模拟研究  11-14
    1.2.3 CFD研究喷雾过程的优势  14-15
  1.3 本文研究的主要内容  15-17
2 喷雾模拟计算的基本方程和计算方法  17-24
  2.1 基本控制方程  17-18
  2.2 湍流运动模型  18-19
  2.3 微分方程离散化方法和流场计算方法  19-22
  2.4 初始条件和边界条件  22-23
  2.5 小结  23-24
3 柴油机喷雾模拟计算  24-53
  3.1 柴油机喷雾概述  24-26
  3.2 初次雾化  26-27
  3.3 初次雾化的假设理论  27-29
  3.4 二次雾化  29-30
  3.5 柴油机喷雾的模拟计算及结果分析  30-51
    3.5.1 柴油机喷雾模拟计算的建模  30-36
    3.5.2 柴油机喷雾的模拟  36-38
    3.5.3 柴油机喷射条件对喷雾的影响分析  38-46
    3.5.4 柴油机喷孔几何结构对喷雾的影响分析  46-47
    3.5.5 柴油机喷孔内壁粗糙度对喷雾的影响分析  47-49
    3.5.6 柴油机缸内气流与喷雾的相互影响  49-51
  3.6 小结  51-53
4 柴油机喷孔内空穴模拟计算  53-68
  4.1 柴油机喷孔内空穴简介  53-54
  4.2 空穴模型  54-59
    4.2.1 单相模型  54-57
    4.2.2 两相模型  57-59
  4.3 柴油机喷孔内空穴的模拟计算及结果分析  59-66
    4.3.1 柴油机喷孔内空穴模拟的建模  59-60
    4.3.2 柴油机喷射条件对喷孔内空穴的影响分析  60-62
    4.3.3 柴油机喷孔几何结构对喷孔内空穴的影响分析  62-66
  4.4 小结  66-68
5 全文总结与展望  68-72
  5.1 全文总结  68-69
  5.2 展望  69-72
参考文献  72-77
致谢  77-78
攻读硕士学位期间发表的论文  78

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中图分类: > 工业技术 > 能源与动力工程 > 内燃机 > 柴油机 > 理论
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