文摘

实验和数值模拟相结合的方法被用来研究空化和气体回流现象在喷嘴off-flow阶段和残余气泡的影响在初始射流近场。只有一个光学喷嘴设计,基于丙烯酸材料和燃料喷嘴的喷射过程是使用高速摄影技术拍摄的。建立一个空化数学模型来分析内部流和初始喷射的细节。结果表明,针阀开始关闭后,空化发生在孔和序列,囊囊和空泡的数量是巨大的。云空化泡沫的崩溃将导致外部空气喷嘴回流。回流空气的体积比云空化气泡的总量。研究发现,残余气泡的初始位置初始雾化状态有显著的影响。当残余泡沫孔前,最初的成立在飞机的前面,然后,它延伸到一个薄韧带由于射流涡环运动。

1。介绍

更好的雾化质量的柴油机喷嘴使气缸中的燃烧更充分,从而改善发动机的排放性能。一些研究[1- - - - - -3发现喷雾雾化过程不仅是空气动力学的影响,但也密切相关的内部流场发动机喷嘴。连续注射过程中喷嘴的气体在喷嘴回流喷嘴。气体回流会造成连续泡沫列或注射间隔期间multibubble现象,这是不同于我们传统认为孔结束后充满了液体燃料注入。那么,导致外部气体回流喷嘴形成残余泡沫呢?这些泡沫的影响在随后的射流形态是值得我们深入研究的。

柴油发动机的喷嘴内高速流动常常引起空化。近年来,许多文章都提出了关注在喷嘴空化的发生。洛佩兹et al。4]发现空泡注入喷嘴测试显示了强烈的质量流率减少空泡出现的时候(流阻),而动量通量减少到一个较小的程度上,导致有效的注入速度的增加。这是有关注入孔内的蒸汽外观产生减少液体的粘度在墙附近。基于光学检测和三维CFD模拟、陶等。5]研究喷射器中的空化现象及其影响喷油器流量,分析了空化过程和喷射器流动特性。杜et al。6]研究geometry-induced空化如何影响注射速率估计的可靠性基于动量通量测量。结果表明,圆柱形喷嘴孔有很强的诱导空化的趋势和渐缩喷嘴孔有很强抑制空化的倾向。

目前,已经有许多研究,实验和数值,关于柴油机喷嘴空化和喷雾雾化7- - - - - -10]。在[11),整个过程的内部流喷嘴和近场喷雾被拍到。发现有大量泡沫压力室(sac)和喷嘴孔(孔)开始之前的注入,并指出这些残余泡沫是由外部气体的回流。指出在12),外部气体回流的现象对沉积物的形成具有重要的影响和HC排放。在[13),外部气体的现象被吞进了喷嘴在燃料停止被发现,和回流气体的体积之间的关系和注射压力,孔长度和背压进行了研究。在[14),孔直径和背压的影响外部气体回流详细进行了研究。空化气泡发生过程中高速喷气燃料喷嘴的流出。江et al。(15】研究发现,粘度越低的燃料和饱和蒸汽压越高,就越容易产生气蚀。关于空化气泡的特点,Nigmatulin et al。16- - - - - -18专注于流体物性参数的影响和摩尔质量的崩溃和过压缩空化气泡。关于液体中的气泡变形和运动,Ivashnyov et al。19- - - - - -21)建立了一个模型,该模型考虑了相速度的差异和一个模型基于两相界面,分别应对泡沫破裂和蒸汽泡沫朝着过热液体。热增长解决问题,仿真结果与实验结果一致。Brujan et al。22,23)进行了实验和模拟激光附近的空化气泡的行为两个垂直刚性墙和墙的距离的关系。此外,许多学者也研究了射流喷雾形态(24- - - - - -26]。残余气泡的存在将导致喷嘴形成几种类型的液体细丝(27)在前面的液柱喷射的开始。在[28),总结了五种初始射流破碎形式通过实验观察统计,但没有理论分析了各种形式的破碎机理。大多数研究学者仍专注于空化在稳定注入阶段,但是仍然没有详细研究残余气泡的影响初始射流破碎,尤其是飞机结构。近年来,多个注入柴油发动机技术的应用越来越广泛。因此,流在针阀的开启和关闭阶段值得深入研究。

本文为了研究空化现象之间的关系和外部空气的回流柴油机喷嘴注入,年底的塑料透明材料制成的透明喷嘴和安装在头部的喷油器喷嘴内的燃料流量可视化。使用一个摄像头和一个分辨率,高分辨率长途显微镜形象化的实际大小透明喷嘴,获得高清晰度,高分辨率测试图像,揭示了燃料的开发过程空化喷嘴孔。飞机的开发过程微观结构在近场区域观察显微镜下,和形成机制的“针”液体细丝的喷射蘑菇与数值模拟相结合来解释。同时,基于开源软件OpenFOAM平台和瑞利动态关系,多相流模型,建立了空化燃料喷射分手过程探索空化的影响和空气射流的初始分手近场。“针”的形成机制形液体喷射蘑菇的灯丝的头是解释说。

2。实验和仿真方法的描述

为了研究柴油机柴油喷嘴内部流动的细节,实验和数值模拟的结合使用。图1显示了视觉实验设备的原则。实验装置主要包括燃油喷射装置和图像采集系统。燃油喷射装置包括德尔福Multec DCR1400高压共轨燃油喷射系统和燃料泵试验台。燃油喷射控制系统使用Delphi Multec DCR1400高压共轨燃油喷射系统,包括PSDB2000IIA燃油喷射泵试验台,角信号板,高压燃料泵,高压共轨管、喷油器,ECU控制单元。燃油喷射系统可以控制循环喷油量、速度、喷油压力、喷油提前角,等等。参数如速度、死点信号和曲柄角信号被传输到ECU通过角信号磁盘及其信号收集器实现检测和控制的注射频率和注射时间。

喷嘴的流量试验使用phantomveo - 710 l高速相机+ QUESTAR QM100长途显微镜放大照片。帧率设置为20000,曝光时间是1μ年代,可有效期间冻结流场流截止。的窗口范围QUESTAR QM100 0.375 ~ 8.000毫米(直径),工作距离是150 ~ 350毫米,该决议是1.1μ米,最大放大率×381(×乘以)和测试使用×30放大。图2显示了组装透明喷嘴的实验。在实验中,囊和孔电磁喷油器的球头部分的地面,和针阀的密封锥表面保留。聚甲基丙烯酸甲酯(丙烯酸)材料加工成一个透明的包含囊的结构和孔结构。

透明注入喷嘴加工实验中轴对称直孔结构,囊的直径是0.75毫米,孔直径是0.3毫米,孔长度是1.8毫米。考虑到透明喷嘴的材料强度较低,柴油喷射系统的铁路压力设置为40 MPa,背压是3 MPa。测试燃料是0号商业柴油,和它的物理性质如表所示1。

数值模拟分析是基于开源软件OpenFOAM添加Kunz空化模型(29日interMixingFoam解算器),建立一个两阶段三分量的多相流求解基于流体体积(受到)方法和耦合莱斯大涡模拟。受到方法给出了混合相连续性方程和动量方程如下: 在哪里表示时间,代表混合密度,是流体的速度,是压力,粘性剪切应力。动量方程的积分项(2)是用来表达表面张力所产生的动量源项。液体的表面分数体积是解决面积分数。表示空化气泡的表面张力系数。是气体和液体之间的界面曲率,然后呢正常的单位向量指向表面吗空泡的泡沫。

空化现象的过程是将液相转化为气相,所以有必要将相变源项添加到受到输运方程来构造air-liquid-vapor三分量受到输运方程: 的公式, , ,和代表液相,气相,气相,分别代表之间的质量交换液相,气相,和代表体积分数。方程中的对流项(3)可以转化为以下: 基于以下两点,第一,注射压力不是特别高;第二,注射周期的持续时间很短,所以温度被认为是不变的。因此,它是假定燃料流量不可压缩简化数值计算。对于不可压缩流体,空气和液体阶段的传输方程如下: 空化模型使用昆茨(29日)空化传质模型。坎斯的空化液体传质模型是基于研究Merkle et al。30.)和修改原Merkle传质模型以满足附近的流体过渡的特点。与其他类似的模型相比,只有依靠一套方案同时表达蒸汽发电的特点和崩溃,昆兹传质模型是基于两个不同的计划。蒸发率正比于压力流场区域之间的差异和饱和蒸汽压,和蒸汽崩溃率基于一个三次多项式函数对体积分数。

昆兹传质模型的控制方程给出。 的公式,流体压力,是蒸汽压,和是蒸发系数和冷凝系数,分别,他们是基于平均流动的经验常数。是自由流动速度, 特征时间尺度,特征长度。昆兹模型的有关参数 , , ,和 。

参照直井喷嘴的结构在实验中,囊的上部是作为计算域的入口边界。数值计算误差对计算结果有重要影响(31日,32]。使用不同的网格策略和不同数量的集成的步骤,可以获得可靠或不可靠的结果。因此,它是必要的,以验证计算网格的独立性。计算域的网格信息和结构尺寸如图所示3。第一层边界层网格的喷嘴孔是1μm,边界层增长率为1.2。图4是mesh-dependence的验证。当网格数量增加到500万,第一层靠近墙的厚度是1.6μ米,空泡体积仍基本持平。在这篇文章中,网格计算的数量是800万,第一层靠近墙的厚度是1μ米,满足电网的要求独立。此外,累积误差值的计算过程最终是小于1的。

为了模拟燃料切断燃油喷射过程结束时,喷嘴入口的边界条件设置为一个不同的质量流量模拟喷嘴质量流量的变化由针阀的运动造成的。质量流量随时间的变化如图5。喷嘴出口是一个常数3 MPa的压力边界条件。

计算,庇索方法用于一些速度和压力和迭代求解连续性方程和动量方程的步骤。离散控制方程中的对流项使用标准化变量(NV)γ差分格式,扩散项的离散高斯线性格式,并以欧拉格式离散时间不稳定的术语。时间一步是自适应调整的CFL数。在当前的研究中,CFL数设置为0.3,平均时间步 年代。

3所示。喷油器空化和气体回流

枪击事件在喷嘴流场测试结果如图所示6。图中的黑色部分是由光散射在气液界面,从而反映了气液两相分布。照片中的时间标记是根据喷油器的时刻接收到燃油喷射信号(0秒)。从图可以看出6(一)、在0μ年代,针阀没有打开。此时,仍有残余泡沫喷孔内。这些泡沫是由空气流动形成向后年底最后注入。发现残余泡沫孔板的初始位置是随机的。在150μ年代,针阀的开启造成轻微的收缩残余泡沫的孔。在200μ年代,残余泡沫孔中退出喷嘴。在350μ年代,残留囊和泡沫孔完全排放喷嘴。因为测试喷嘴的孔的倒角和空化发生在孔大,没有图片上的黑色区域。图6(b)是一个过程,针阀关闭。针阀关闭,空化是出生在450年μ孔入口处的角落,然后,空化逐渐发展。云的发展和增长空化气泡也会伴随着泡沫的崩溃,很高的压力值(33云]发生在一个泡沫的崩溃。所以空化气泡的表面往往是皱纹。在喷嘴空化发生在600年μ年代。6(c)是针阀后的图像是完全封闭的,也就是说,结束后注入。图像在650μ年代显示中的空化汽孔开始崩溃,崩溃。在1 ms,空气孔的表面开始变得光滑和闪亮的,空气的特点,表明外部空气回流到孔,最后在50微秒,泡沫的孔比较大,还有残余泡沫囊。

图7显示了喷嘴的气体体积分数的变化随着时间的推移。开始流截止后,空化开始发生在孔。因为进气流量急剧下降流截止期间,和燃料流量孔板由于惯性保持不变,导致孔的燃料被拉伸,同时由于柱头影响孔的入口处,空化(约0.4 ms)首先发生在这个位置。静压以来燃料囊比这更高的孔,初始时刻囊内的空化流动造成的中断延迟相比孔。空化发生在囊约为0.6毫秒。与云的崩溃的空化泡囊和孔板,外面的空气开始回流喷嘴,直到液体仍。另一方面,从数据的变化,可以看出最大空泡体积略小于回流风量。这是因为除了空化,燃料将挤出的喷嘴,和燃料也会流出喷嘴由于惯性,回流气体的量总是大于最大的气蚀量。

因为喷嘴内部的回流泡沫可以稳定注入后,和泡沫的体积测量更方便,回流泡沫体积用于仿真和实验对比研究。图8显示10图片循环回流泡沫。回流气体的体积的计算方法是通过测量直径的球形泡沫和泡沫柱的长度。表2显示对应的泡沫体积和体积分数,平均回流泡沫体积是0.18毫米³,占15%的喷嘴体积。图9显示了对比仿真结果和测试结果。回流泡沫的体积分数为16%,模拟值与实验值是一致的。

4所示。残余气泡的位置对初始射流结构的影响

考虑到压力波的上端喷嘴将导致大变形的泡沫,OpenFoam的两阶段可压缩解算器(compressibleinterFoam)用于计算模拟气液两相流。喷嘴进口压力边界,边界类型和喷嘴进口压力设置在20μ年代,线性增加从3 MPa (40 MPa)注射压力,用于模拟柴油的过渡过程从针阀开启压力稳定的压力。喷嘴出口边界固定3 MPa的背压。

从时变图可以看出喷嘴内部流场的外部空气进入喷嘴的注入,也就是说,会有残留的气泡前囊和孔注入。显然,这些残余气泡的存在将导致近场的初始射流形态是不同的。因此,几个镜头拍摄于近场初始喷射形状,并发现飞机的形状是不一样的,这是最初认为是残余气泡的影响。

实验条件与上一节相同。同样的设备是用于执行相同的注入压力下的视觉实验,和清晰的最初的飞机结构的喷嘴出口后针阀打开。图10显示了几个典型的初始喷射形状near-nozzle地区。后分析和结论,相信最初的飞机形状的近场基本上可以分为四类。第一类属于传统上公认的飞机的形状,也就是说,飞机头形成一个“蘑菇头”形状。原因在于,在喷口的气动力,两端是卷起形成一个“蘑菇头”形状,并观察到早期的水滴形成了飞机跌落的前沿,在240所示μ年代在图10 ()。图10 (b)第二种类型,还有很长的“针”液体灯丝在飞机的前面,和液体丝的长度逐渐缩短。形状如图10 (c)不同于前两类,在200μ年代,飞机的前表面不光滑,表面波和液体细丝。在220μ年代,“针”液体丝出现在中间的喷气机。当240年μ年代,飞机的前面形成一个相对浆丝,和前端的主要喷射形成一个“蘑菇头”形状。第四型是形成大型飞机结构负责人“伞”主要飞机的前面,有很多液体细丝和液滴喷射头“伞”,如图所示,享年240岁μ年代在图10 (d)。通过拍摄多个组图片,发现四种不同的飞机结构的发生概率如下:(一)52%,(b) 15%, (c) 4%,分别和(d) 29%。低概率的类型(c)表明,灯丝结构只有在特定条件下形成的。

考虑残余泡沫位置的随机性,残余泡沫的影响在近场模拟射流形态在不同的位置。设置泡沫直径等于孔的直径,和剩下的泡沫的物理性质与环境空气是一致的。

图11是飞机模式的对比图当残余泡沫囊,孔的中间位置,孔板的前端位置相同的压力条件。比较三组的云地图的柴油相体积分数分布,可以看出,最初的射流形态是影响残余气泡的位置。在图11(一)、喷嘴针阀在0μ年代开始开放,进口压力开始上升。在随后的20μ年代,由于囊结构的影响,残余泡沫喷嘴中的第一次被挤进了一列,然后被分成几个小泡沫。在22岁μ年代,当气泡排出孔以及燃料的飞机表面的不稳定是由空气动力增强,然后,产生的表面波。

在图11(b),在16μ年代,残余泡沫已经历了一次压缩,然后扩张过程。在24μ年代,泡沫挤压和空气动力的作用下,燃料在泡沫形成一个厚油膜被逐出孔后,和后面的提示由柴油泡沫合并与前面的油膜形成一个“蘑菇”的形状。

飞机的形状图11(c)是完全不同于前两组。结合残留泡沫压力图的变化12可以看出,在8μ年代,上端的喷嘴的压力持续增加,残余泡沫孔由上游柴油,挤压和变形和残余泡沫压力也会增加。在这个阶段,泡沫压力大于环境压力和泡沫背后的柴油喷嘴的推出。

在12μ年代,残余泡沫压力回到了环境压力,和前面的燃料泡沫推动了残余泡沫。在14μ年代,空气动力的作用下,燃料在泡沫拉伸形成一层油膜。泡沫背后的燃料不仅形成了一个“蘑菇”的形状,但也有一个细长的液体灯丝在飞机的前部,如图13。

仿真结果表明,有一个类似的“伞”油膜的前部分液体丝绸,这非常类似于飞机形态学图像在220所示μ年代在图10 (c)。在18岁μ年代,液体的长度丝继续增加。由于薄的油膜,液体油膜丝穿。

5。形成机制的液态丝形状的飞机

的形成和发展机制形成的细长的液态丝的前端喷射动量分布的进一步分析飞机的前端。动量分布在10μ年代,12μ年代,14μ年代,16μ为残余泡沫年代孔如图14。10点μ年代,由于残余泡沫压力逐渐恢复,残余泡沫膨胀,仍处于压缩状态下的动作前后柴油燃料。在12μ年代,燃料在泡沫前延伸成一个油膜与高速滴油膜的前面。在14μ年代,气泡无法关闭,扩散到环境中,油膜逐渐扩大,整个泡沫形状呈“凹”形结构。同时,边缘的速度背后的柴油泡沫大于轴上的速度。这是因为泡沫的存在导致壁剪切力消失,因此剪切层的速度大于轴上的速度。在随后的发展过程中,速度的前沿飞机总是高于轴上的速度。空气动力的作用下,飞机的前沿不断逼近轴,造成飞机收敛的前沿和形成一个提示,如时间图18所示μ年代。

图15是第二个的等值面不变的速度梯度张量34)( 年代²)和柴油相的体积分数( )在不同的时间。Qc代表瞬时涡核的形状。

10的时间μ年代显示,飞机还没有流出孔,和一个环形涡在喷嘴的出口已经形成。这是由于shear-induced涡生成的密度梯度在空气喷射孔,这是符合Ghiji et al。(25)的测试结果。在12μ年代,燃料喷射孔,和高速度梯度和飞机之间的空气使环形涡的范围继续增加。从14μ年代和16μ年代,它可以观察到,在颈部和头部有涡环结构液体的灯丝,和液体丝的长度不断增加在这个过程。这是由于轴向阻力涡环的中心位置是最小的。此时,涡环中心就像一个柱头导致速度增加,从而促进了细长的液态金属。在18岁μ年代,涡环在液态丝的顶端开始休息,和液体的尖丝也打破了。

上述机制可以解释如下:有一个残余泡沫注入孔内间歇注入期间。泡沫挤压,压力上升,推动前面的燃料的插座孔的泡沫。背后的柴油泡沫导致壁剪切力消失由于泡沫的存在,这样速度高于边缘速度在轴上。柴油后的泡沫的孔流出,它将继续瘦残余泡沫压缩和空气动力的作用下形成一个“保护伞”油膜,直到它断成小水滴。另一方面,背后的柴油喷射泡沫的边缘继续接近轴形成一个提示,同时,它简约的运动周围的涡环,导致尖伸展成细长的丝。

6。结论

拍摄透明喷嘴的喷射周期后,可以得出的结论是,孔和囊空化喷嘴的序列,和空泡囊大于孔的数量。里面有残留泡沫喷嘴间歇注入期间,和泡沫形状和初始位置是随机的。柴油的初始喷射形状有两种传统的“蘑菇”形式和“蘑菇”的形式与细长的液体细丝在前面,但这位前出现的概率远远大于后者。

数值模拟结果表明,在针阀关闭阶段,空化发生在孔和囊,囊和空化是相对较大。喷嘴内部的空化汽的崩溃的主要因素是导致外部空气的回流。残余泡沫在不同位置对飞机的形状有很大的影响在初始喷射阶段。当残余泡沫孔的前端,“蘑菇”形状细长的液体细丝将形成在飞机的前部。残余泡沫孔使壁剪切力消失,使边缘喷气式飞机的速度高于轴速度。这是一个先决条件的形成细长的液体细丝在飞机的前部。同时,液体丝周围的涡环的运动导致液体丝的长度进一步增加。

数据可用性

繁殖所需的数据处理这些发现也不能在这个时候作为数据共享一个正在进行的研究的一部分。

的利益冲突

作者声明没有潜在的利益冲突的研究,本文的作者,和/或出版。

确认

作者要感谢教授h .温家宝对他感兴趣的研究和讨论的结果。