（动力机械及工程专业论文）柴油机喷油器喷孔内空化现象非稳态实验研究.pdf

摘要 柴油机喷孔内空化现象显著影响燃油雾化质量，以往对喷嘴内空化现象的研 究较多停留在稳态和准稳态过程上，本文参照目前广泛应用的v c o 型喷嘴，根 据流体力学相似原理，设计大尺度透明喷嘴非稳态实验系统，采用高速摄影技术， 全面研究了无量纲数、喷嘴射流参数和结构参数对喷嘴内非稳态空化过程的影 响。 结果表明，非稳态空化过程与稳态空化过程有较大不同，无量纲数、喷嘴的 射流参数、结构参数对非稳态空化有较大影响。空化效应会随无量纲空化数和雷 诺数增大而增大，但雷诺数对空化效应的影响不及空化数显著。射流参数方面， 非稳态过程中针阀运动会引起喷嘴内部压力波动，空化效应会随着压力波动发生 变化，但在时间上空化波动滞后于压力波动，压力波动中的高频振荡对空化效应 有促进作用；喷嘴入口压力升高、出口压力下降，非稳态空化效应会增强；针阀 运动速度对喷嘴内压力波动影响显著，针阀运动速度越高，喷嘴内压力波动越剧 烈，非稳态过程中空化波动也越显著。结构参数方面，长径比一定时，喷孔直径 越小，喷孔内越容易产生空化，达到超空化状态的喷射压力越低，针阀运动过程 中空化区域变动越大；喷孔数量增多，会使燃油流经喷油器的压力下降严重，并 且由于针阀偏心，在针阀运动过程中，不同喷孔内的空化变化不同步。实验中特 定结构的喷嘴在一定压力条件下，喷孔内会发生空化发光现象，荧光呈蓝色，荧 光强度和区域与空化现象基本对应，并且空化发光只在高于某一压力时才会发 生，并随着压力升高稳定出现。 研究喷油器内的空化现象对完善柴油机雾化理论有重要的意义，大尺度喷嘴 内的非稳态空化现象研究，能够得到非稳态条件下空化效应的变化规律及影响因 素，对喷嘴内空化效应的研究工作有一定的现实意义。 关键词：柴油喷嘴；空化；大尺度；透明喷嘴；非稳态 a b s t r a c t c a v i t a t i o ni nd i e s e ln o z z l eo r i f i c e s i g n i f i c a n t l yi n f l u e n c e st h eq u a l i t yo ff u e l a t o m i z a t i o n i nt h ep a s tc a v i t a t i o ni nn o z z l e si nt h es t e a d yo rq u a s i s t e a d ys t a t e si s m o s t l yi n v e s t i g a t e d i nt h ep r e s e n tw o r k ，b a s e do nt h eh y d r o d y n a m i c ss i m i l a r i t y p r i n c i p l e ，al a r g e - s c a l et r a n s p a r e n tn o z z l eu n s t e a d ys t a t et e s ts y s t e mi sd e s i g n e d b y u s i n gh i g hs p e e dp h o t o g r a p h y ，t h ee f f e c t s o fs e v e r a l p a r a m e t e r si n c l u d i n g d i m e n s i o n l e s sp a r a m e t e r s ，j e tp a r a m e t e r sa n ds t r u c t u r a lp a r a m e t e r so nt h eu n s t e a d y s t a t ec a v i t a t i o ni nv c o - t y p en o z z l e sa r ei n v e s t i g a t e d ，w h i c ha r ew i d e l yu s e da t p r e s e n t t h er e s u l t sr e v e a lt h a tc a v i t a t i o ni nt h eu n s t e a d ys t a t ei sq u i t ed i f f e r e n tf r o mt h a t i nt h es t e a d ys t a t e a st h ed i m e n s i o n l e s sc a v i t a t i o nn u m b e ra n dr e y n o l d sn u m b e r i n c r e a s e ，t h ec a v i t a t i o nw i l le n h a n c e b u tt h ee f f e c to fc a v i t a t i o nn u m b e ri sm o r e s i g n i f i c a n t i nt e r m so ft h ej e tp a r a m e t e r s ，t h ec a v i t a t i o nc h a n g e sw i t ht h ep r e s s u r e o s c i l l a t i o nc a u s e db yt h em o v i n gn e e d l e ，b u tt h ec h a n g eo fc a v i t a t i o nl a g sb e h i n dt h e p r e s s u r eo s c i l l a t i o ni nt i m e t h eh i 曲f r e q u e n c yp r e s s u r eo s c i l l a t i o np l a y sap o s i t i v e p a r ti nt h ec a v i t a t i o n t h er i s eo fi n l e tp r e s s u r eo rd e c l i n eo fo u t l e tp r e s s u r ei nn o z z l e s w i l le n h a n c et h ec a v i t a t i o n t h ev e l o c i t yo fn e e d l ei sh i g h e r ，t h ep r e s s u r eo s c i l l a t i o ni s s e v e r e ra n dt h ec h a n g eo fc a v i t a t i o ni sm o r eo b s e r v a b l e i nt e r m so fs t r u c t u r a l p a r a m e t e r s ，w h e nf i x i n gt h el e n g t h d i a m e t e rr a t i oo ft h eo r i f i c e ，t h ed i a m e t e ri s s m a l l e r , t h ec a v i t a t i o ni se a s i e rt oh a p p e n ，t h eje tp r e s s u r ec a u s i n gt h es u p e rc a v i t a t i o n i sl o w e ra n dt h er e g i o no fc a v i t a t i o nc h a n g e sm o r eg r e a t l yd u r i n gt h em o v i n gp r o c e s s o ft h en e e d l e t oi n c r e a s et h en u m b e ro fn o z z l eo r i f i c em a k e st h ep r e s s u r ed e c l i n e s e v e r e l y t h ec h a n g e so f c a v i t a t i o ni nd i f f e r e n to r i f i c e sa r eo u t - o f - s t e pf o re a c ho t h e r b e c a u s et h en e e d l ei sb i a sd u r i n gt h em o v i n gp r o c e s s c a v i t a t i o nl u m i n e s c e n c ew i l l a p p e a ri nt h eo r i f i c ei ns p e c i f i cn o z z l e so n l yw h e n t h ep r e s s u r ei sh i g h e rt h a nc e r t a i n c r i t i c a lv a l u e t h ef l u o r e s c e n ti sb l u e t h ei n t e n s i t ya n dt h er e g i o no fl u m i n e s c e n c e b a s i c a l l yc o i n c i d ew i t ht h ec a v i t a t i o n t h es t u d yo i lc a v i t a t i o ni nn o z z l e si sv e r yi m p o r t a n tt oi m p r o v ea n dt op e r f e c tt h e a t o m i z a t i o nt h e o r yi nd i e s e le n g i n e s t h ec h a n g i n gr e g u l a r i t ya n df a c t o r sa f f e c t e dt h e u n s t e a d ys t a t ec a v i t a t i o ni nl a r g e s c a l en o z z l e sa r ed e r i v e d i ti su s e f u li np r a c t i c e k e yw o r d s ：d i e s e ln o z z l e ；c a v i t a t i o n ；l a r g e s c a l e ；t r a n s p a r e n tn o z z l e ； u n s t e a d ys t a t e 第一章绪论 第一章绪论弗一早殖记 本章主要介绍了课题研究的背景以及目前国内外对柴油机喷孔内空化现象 的研究现状，包括实验研究和数值模拟的方法和模型，并指出本课题研究的意义 和主要工作。 1 引言 柴油机的燃烧特性直接受喷油器的喷雾特性的控制，而柴油机的性能及排放 在很大程度上受喷雾贯穿距离、喷雾形状、油滴尺寸分布及其蒸发等喷雾特性的 影响。现代柴油机为了提高柴油机的喷射压力，从而获得更好的雾化效果，广泛 采用高压共轨燃油喷射技术，而好的燃油雾化，会取得更好的燃烧特性、排放特 性和燃油经济性等，一直以来喷雾都是柴油机技术中关键的一环。但是长期以来， 高压共轨燃油喷射技术的研究工作，都主要集中在提高喷射压力、控制喷油定时 和喷油器的喷油规律，以及喷油器内部电磁阀的响应特性、e c u 的控制策略等方 面，但是国内外近年来的大量研究表明，柴油机的雾化过程受喷嘴内部流动特性 的影响显著。 所以研究的重点逐渐转移到关注燃油雾化和喷雾特性与喷嘴内部流动特性 的关系方面上来。初期人们主要研究的是喷嘴内部流动的湍动特性上，但是进一 步研究发现，即使在喷嘴的内部流动特性上充分考虑了湍流的影响，研究结果与 实验结果仍然不能很好的对应，例如不同的喷嘴，其内部的结构会存在细微的差 异，这种细微差异会对射流产生很大的影响，这表明喷嘴内部还有其他能对流动 产生显著作用的影响因素。深入研究发现，这一对喷雾破碎具有显著影响的因素 就是喷嘴内部所发生的空化效应( c a v i t a t i o n ) 。 空化效应的研究最先始于对流体机械领域，研究人员在1 9 世纪后半叶研究螺 旋桨叶片时发现了空化现象，近年来空化现象的研究已经有了很大进展，涉及到 空化现象的领域也越来越多。对于大多数流体机械而言，空化效应是不希望发生 的，因为空化所引起的空蚀破坏会严重影响系统的正常运行，甚至造成重大的工 程事故 1 】。 但对于柴油机喷雾系统而言，空化效应却能够有效的改善喷雾效果。大量实 验结果表明，空化效应会造成喷孔内液体的剧烈扰动，增强喷雾的初始不稳定性， 对喷嘴出口处的初始破碎有重要影响，进而促进喷雾破碎，而且研究表明空化对 第一章绪论 喷油雾化的影响要大于油束与周围空气的摩擦作用2 1 。现代柴油机广泛采用了高 压共轨技术，喷射压力可以达蛩 2 0 0 0 b a r ，喷射速度超过3 0 0 m s ，喷嘴直径小于 o 1 m m ，在这样的条件下，柴油机喷嘴内极易形成空化作用，因此研究柴油机喷 雾时，空化效应具有重要的研究意义 3 1 。 1 1 空化效应的形成机理 空化效应是指在温度基本保持不变的情况下，当液体的局部压强低于液体的 饱和蒸汽压的时候，在液体内部或液固交界面上出现的蒸汽或气体气泡产生、发 展和溃灭的过程。空化的产生过程可以用液气相变图表示出来，如图1 1 所示。 图1 1 气液相变图中空化变化示意图 空化的产生过程如图中蓝线所示，对于定常流动的液体，流动速度变快，流 体的静压会下降，当液体的压力低于饱和蒸汽压时，存在于液体中的气核和燃油 蒸汽会析出，很容易以气核为中心，产生空泡。小的气泡相互融合会发展成大的 空泡，从而形成气液两相的流动状态，所以低压区和气核是空化产生的两大必要 条件 4 1 。 在柴油机喷嘴内，如果喷嘴入口处的结构比较尖锐，燃油会倾向于分离并形 成脉缩效应 5 。进而会导致喷孔内的有效流通面积减少，根据伯努利方程，燃油 在通过喷孔时，会在喷孔的喉部产生压力降，如果压力下降到燃油的饱和蒸汽压 第一章绪论 以下，就会产生空化效应。随着燃油压力和流动速度增大，喷孔内的燃油会呈现 如下五种流动状态 6 8 1 ，如图1 2 所示。 i f 2 十一。卜一二 = = - ：1f r 2 卜一。 一一一“卜”= = a ) 空饱嚣或 ! 曼苎! 盎 二l 一一一o 一。星 | 广 对于柴油机喷嘴而言，燃油在定常流动时，在管内的流动是典型的湍流管流， 当燃油流入喷孔时，流线会发生突变，在喷孔的入口处会形成漩涡区，在漩涡区 以后，液体会与壁面重新附着，并以附着点为起点，重新发展边界层，边界层按 照湍流规律发展( 如图1 2 ( a ) ) 。 根据伯努利方程，流量一定的条件下，随着流速增大流体的压力会下降，因 此当燃油流速增大到一定程度时，在漩涡区内会出现局部压力低于燃油的饱和蒸 汽压的低压区，在低压区内会以液体中的气核为中心形成空泡，进而形成局部的 空泡流。小的空泡互相聚集形成大的空泡，在壁面会形成一层由空泡组成的空泡 层，燃油沿着空泡层的边缘流动( 如图1 2 ( b ) ) 。 在局部空泡流动基础上，如果压力和流速进一步增大，空泡层会向出1 5 1 处延 伸，直到延伸至出口处形成所谓的超空化( o n 图1 - 2 ( c ) ) 。 超空化流时，空泡层会延伸至出口处，在一定的条件下，尤其是射流速度较 高、喷嘴长度较短时，会出现挑流射流的新流态。在这种流态下，喷嘴出口处周 边的空气进入空泡层，与空泡相互结合，使得空泡迅速消失，在喷孔壁面上形成 第一章绪论 一层薄的空气薄膜，使得喷孔的液体流动孔径缩小，液体沿着缩小的管道流动( 如 图1 - 2 ( d ) ) 。 挑流射流是一种不稳定的射流状态，难以维持轴对称的形态，燃油会再次附 着在壁面上，在壁面附近又形成局部的空泡区，形成局部再附着流( 如图1 - 2 ( e ) ) 。 空化流动是柴油机喷孔内的一种流动状态，为了表征空化流动，研究人员广 泛采用无量纲空化数c n ，空化数的定义如下： dd c a r = 1 l ( 1 1 1 罡一e 式中：p i 为喷嘴入口处压力( 既喷射压力) r 为喷嘴出口处压力( 既背压) p v 为液体的饱和蒸气压 研究表明，不同结构的喷嘴有不同的临界空化数c n c r i t ，当c f 氐于c n c r i t 时， 不管雷诺数r p 多大，都不会产生空化现象。一旦c 脯于c n c r i t ，在喷嘴入口漩涡 处就会产生空泡，并且随着c 增大，空化现象会愈加剧烈，直至发展成为超空 化流。 另外一个对空化现象有着重要影响的无量纲数歇p ( 雷诺数) ，它表征了管 内流动状态，定义为 r e ：p v d ( 1 2 1 式中：p 一燃油密度 v 一喷孔燃油流动速度 d 一喷孔直径 一燃油黏度 雷诺数表征管内流动状态，是判断层流和湍流的准则数，在流体力学研究中 处于非常重要的地位。 1 2 国内外研究现状 喷嘴内部的空化现象首先由b e r g w e k 在1 9 5 9 年发现【9 】，以后的研究者在他 的基础上进行了进一步的探索。事实上由于喷嘴内部的流动是一种高度湍动和气 液空穴两相结合的流动，其流动的复杂性使得空化现象产生的机理和对喷雾特性 的具体影响至今仍不是特别清楚。目前国内外对柴油机喷孔内的空化现象研究主 要是通过实验研究和数值模拟的手段，近年来随着实验手段和计算方法的发展， 对空化现象的研究取得了一定的进展。 4 第一章绪论 1 2 1 空化效应的理论研究 r a y l e i g h 在1 9 1 7 年首先提出了气泡动力学方程，这是以后研究空化和气泡动 力学的基础。p l e s s e t 在1 9 4 9 年完善t r a y l e i g h 模型，将表面张力和粘性效应加入 了动力学方程，得到了著名的r a y l e i g h p l e s s e t 方程。 胁3 2 2 = 去( 名+ 只一等却矣训) ( 1 - 3 ) 式中只、p v 分别为气泡内气体及蒸汽的压力( 可以随时间变化) ，a 为表面张力 系数，为液体的动力粘滞系数。 空化现象的本质是液体中的局部低压导致液体蒸发，引起气核的爆发性增 长，气核是空化发生的关键因素之一。通常的液体往往是不纯净的，内部包含许 多杂质，包括固体微粒、微气泡等，这些微气泡的直径在几十微米，通常称之为 气核。一个单气泡悬浮在液体中，气泡内外的压强关系： p = 忍一等 ( 1 - 4 ) 式中：n 、p 分别为泡内、外压强，r 为泡半径，仃为表面张力系数。如果气 泡中含有没有溶解的可溶性气体，由于浮力作用，气泡不能稳定的存在于液体中。 而如果气泡中含有不可溶解的气体，此时气泡内外压强处于平衡状态，在液体分 子的布朗运动作用下，气核能够稳定的悬浮在液体中。因为气体溶解于液体是比 较困难的，这个过程一般需要较长时间，因此通常认为气核当中的气体并不溶解 于液体。 气核并不是稳定不变的，它能够生长发展，在恒定的低压场中，气核的发育 关系式可以表示为： v = 纠3 ( 2 1 咖- y ) l l 硝r ) 7 - ( 册丝p r 心l lr ) 斗詈掣一 ) - ( 1 - 5 ) 其中：v 为气核泡壁的径向速度，r 、r d 为气核半径和气核初始时刻半径，p o 为初始时刻气核内压力，p 为水流密度，) ，为空气绝热系数，盯= 盯仞为水的表面张 力，瞒水温，只为远离气核处水的压力，只，哦( t ) 为气核内的蒸汽压力；f 为时 剐10 1 。 当环境压力低于气泡的临界压力r 时，气核就能够发展成气泡。气核发展达 到临界半径r c 时，便会失去稳定。此时气核周围液体迅速蒸发，为气核补充蒸汽， 气核就会发展成空泡。气核的临界压力r 和临界半径雎的表达式是： ：一2 0 i ( 1 - 3 y ) + 只( 1 - 6 ) = 一_ - + 只 第一章绪论 9 ， l - 3 y r c = l 赢j ( 1 - 7 ) 根据以上三式可以计算出具有不同起始半径的气核，所对应的临界压力只 和临近半径尺。，以及气核发育所需要的特征时f b q t 。【l l 】。 气核发展成气泡后，气泡半径会继续增大，但当气泡受到一些外部因素影响 时，气泡会失去球对称性，一定条件下就会破碎，如气泡周围的液相界面、固体 边界和浮力等。尤其是固体边界会使得气泡失去球对称性，让气泡在靠近固体边 界的地方发生溃灭，而另一侧气泡会迅速发生塌陷，就会在气泡中形成刺破气泡 射向固体壁面的射流，这是空泡穴蚀作用的基本原理。图1 3 是气泡在刚性壁面 附近发生渍灭的数值模拟过程1 2 、1 3 。 ，7，? ”、 一一。 ， 7， 图1 - 3 刚性壁面附近气泡溃灭的数值模拟过程 1 2 2 空化效应数值模拟研究现状 数值模拟是研究空化效应的一个重要手段，因为空化的实验研究存在一定的 不足，空化实验中，实际喷嘴尺寸微小，较难得到细微的实验结果，而放大喷嘴 又存在比尺效应，不能完全反应实际的空化结构，因此数值模拟方法逐渐得到广 泛的应用。但是尽管十多年来，科技人员对喷孔内的空化现象的数值建模和分析 作出了不懈的努力，对于实际尺寸喷嘴内的空化流仍然没有一个准确的计算和分 析方法。k u b o t a 1 4 、d e l a n n y o y t l 5 】、a w a t l 6 、s c h m i d t t l 7 】等人对此作出了很多贡献。 目前空化流的数值模拟方法主要有界面追踪方法和连续介质方法。v o f ( v o l u m eo f f l u i d ) 方法是较为常用的界面追踪方法，这种方法假设在空化流的 气液两相界面上不会出现气相和液相的交换。v o f 方法计算精度比较高，能够比 较精确的描述气液界面上的信息，但是由于v o f 方法网格划分方法非常复杂，要 第一章绪论 求的计算量非常大，所以并没有得到广泛应用。连续介质模型包括单流体模型和 双流体模型。在单流体模型中，空化流被处理成一种均匀的可压缩流体，其密度 是各分相密度与其当地流场总体积分数的函数，在压力场中，压力低于当地饱和 蒸汽压的区域被认为是空化区域，单相流模型计算量较小，而且适用于不规则的 三维流动区域，因此得到了广泛的应用。但是单流体模型不考虑相间的滑移，只 适用于强烈耦合的情况。双流体模型将气液分别作为单独的流动介质，遵循各自 的守恒方程，而且相间有滑移，气相和液相之间的传输可以在输运方程中得以体 现。 这些空化模型对于喷嘴内空化现象的宏观现象的预测是比较成功的，但是目 前的数值模拟研究工作还是局限在喷孔内的流动状态上，对于整个喷油器内包括 针阀和座孔等的影响还没有涉及，另外很重要的一点是，现在的数值模拟研究还 停留在稳态和准稳态的基础上，对于动态情况以及压力波动对空化的影响还较少 涉及。 1 2 3 空化效应实验研究现状 喷嘴内空化效应的实验研究主要包括两类，一类是在实际喷嘴上进行研究， 一类是在放大的透明喷嘴上进行研究，两种方法各有利弊。实际尺寸喷嘴机构尺 寸很小，液体流动速度很高、湍流剧烈，难以得到空化效应细微的信息，而放大 尺寸的喷嘴虽然能够得到较细致的结果，但是研究表明大尺度喷嘴和实际喷嘴存 在比尺效应，实验结果不能完全反映实际喷嘴的空化结构。目前这两类方法都取 得了比较多的研究进展。 放大尺寸喷嘴方面，l e e 等 1 8 2 0 】采用了不同结构的放大透明喷嘴研究了喷嘴 中的空化现象与雾化性能之间的关系。s o t e r i o u 等【2 1 1 使用激光光带，利用高速摄 影技术在放大2 0 倍的透明单孔喷嘴内来研究了空化的产生和发展。a r c o u m a n i s 等【2 和g a v a i s e s 等 2 5 对六孔喷嘴和五孔喷嘴的放大模型进行了研究，他们采 用3 2 的四氢化萘和6 8 的松节油的混合物，使其折射率与喷嘴材料的折射率相 匹配，获得更好的成像效果。g a n i p p a 等 2 6 2 7 1 研究了喷孔的角度对空化的影响情 况。 实际尺寸喷嘴方面，a r c o u m a n i s 等 2 8 3 0 币d i l l e s b i r t h 掣3 1 使用实际喷嘴中的 针阀和针阀座，而将针阀体的一部分用透明材料代替，来观察喷孔内的空化流动 状态。b a d o c k 等阎研究的是单孔喷嘴。而a r c o u m a n i s 等跚研究的是多孔喷嘴， 采用的方法是在喷嘴下部安装了一个4 5 0 的反光镜，以便于从下部观察压力室和 喷孔内的空化。s c h m i d t 等【3 4 】用薄钢片3 d - r _ 出喷孔的通道轮廓，将其夹放在两块 厚的石英玻璃窗之间，采用激光照射，利用高速摄影拍摄孔内的流体流动状态。 第一章绪论 b l e s s i n g 等3 5 1 和g a v a i s e s 等3 6 1 研究了水在真实大小喷嘴中的空化和雾化过程， 喷嘴是采用丙烯酸透明材料制作的透明喷嘴。t a k e n a k a 等【3 7 】贝0 采用中子放射线照 相技术进行研究，他们利用中子成像技术采集实际柴油机喷嘴的喷射孔内发生的 空化现象，并进行分析，结果表明中子照相技术能够很好地呈现压力室和喷孔内 的空化现象。 l e e 等人 1 8 , 1 9 发现当喷嘴的长径比增加，产生空化所需要的喷射压力也会增 加。z h a n g 掣3 8 】研究表明，随着喷嘴倾斜角度的增加，空化程度将会减弱。s c h m i d t 等人【3 l 】研究发现喷嘴入口圆角对空化的产生有较大影响，喷嘴的入口圆角能 够减弱空化，圆角半径与喷孔直径之l 匕r d 越大，相同条件下空化强度越低。 a r c o u m a n i s 等【2 2 2 4 】在大尺度喷嘴模型中研究了针阀对空化的影响。针阀升程越 小，越容易出现空化，空化结构也越稳定。另外针阀的偏心对空化也会产生影响。 j i a h 2 j 研究表明喷嘴的入口压力与出口压力的比值，直接决定空化结构的不同。 入口和出口之间的压力相差越大，空化效应发展的越剧烈4 3 1 。研究【删发现提高 背压能抑制空化产生，促使空化破碎。p a y r i 等 4 5 , 4 6 研究了圆柱形喷嘴和圆锥形 喷嘴对空化的影响，发现在出口直径小于入口直径的圆锥形喷嘴中，即使提高喷 射压力，也观察不到空化现象。 总之，目前国内外对空化现象的研究取得了一定的成果，但也能够发现，由 于空化效应的复杂性，在理论研究、数值模拟、实验研究等方面还有许多不足， 尤其是目前的大尺度实验研究多停留在稳态和准稳态的基础上，忽略了实际柴油 机的非稳态工作工况，对于由此引起的对空化的影响研究不足，因此需要在实验 手段上进行创新，以促进对空化效应本质上的认识，从而推动理论研究和数值模 拟的进步。 1 3 本文主要工作及研究意义 为了研究非稳态条件下，喷嘴内部空化效应的发展规律和影响因素，本文在 国家自然科学基金项目非稳态条件下柴油机空化效应的产生机理及对喷雾特性 的影响研究的资助下，在前人研究的基础上，设计了大尺度喷嘴非稳态实验台 架，旨在模拟柴油机喷嘴的实际工作过程，提供非稳态条件下喷嘴内空化的结构 尺寸信息和发展变化规律，为理论研究和数值模拟提供依据，本文主要完成的工 作如下： ( 1 ) 概况总结了国内外对于空化效应和柴油机雾化关系的相关研究成果和研 究进展。 第一章绪论 ( 2 ) 搭建大尺度非稳态实验台架，a v c o 型喷嘴为基础，通过相似理论得到 放大尺寸的喷嘴，研究非稳态过程中，空化现象的变化发展规律。 ( 3 ) 对比大尺度稳态实验研究，探讨了无量纲数、射流参数、结构参数在非 稳态条件下对空化效应的影响情况。 第二章大尺度喷嘴非稳态实验系统组成 第二章大尺度喷嘴非稳态实验系统组成 大尺度实验系统的设计依据是流体动力学的相似理论，本章主要介绍了流体 力学相似准则和大尺度喷嘴非稳态实验系统的设计依据，以及实验系统的组成和 工作原理。 2 1 模型实验的相似准则 流体力学的问题往往比较复杂，在研究某一具体问题时，往往不能将所有因 素全部考虑进去，只能根据研究需要，做出取舍，着眼于要研究的问题本质，抓 住主要的影响因素，从而得到问题的近似解。流体力学问题的主要研究手段有数 学分析、数值计算和实验研究，但是由于流体力学问题的复杂性，数学分析和数 值计算只能处理比较简单的问题，对于大量复杂问题只能通过实验的手段来研 究。流体力学实验分为实物实验、比拟实验和模型实验，其中模型实验是流体力 学领域经常运用的研究手段。模型实验是以实际系统为基础，将实际需要研究的 流动区域经过放大或缩小，制成模型装置，通过研究模型装置中的物理现象，推 测原模型中发生的情况。为使模型流动能表现出原型流动的主要现象和特性，并 从模型流动上预测出原型流动的结果，就必须使两者在流动上相似。即两个互为 相似流动的对应部位上对应物理量都有一定的比例关系，这需要在设计模型装置 的过程中满足流体力学的相似原理。 2 1 1 流体力学相似条件 流体力学的相似原理是进行流体力学模型实验的基础，流体力学的相似条件 主要有三种，分别是几何相似、运动相似、动力相似。 ( 1 ) 几何相似 模型和原型的全部对应线形长度的比值为一定常数。即流场几何形状相似， 相应长度成比例，相应角度相等。同时几何相似还包括流场相应边界性质相同， 如固体壁面，自由液面等。几何相似需要满足的关系式为： 笋= 争： ( 2 1 ) 乙厶一7 峥叫 1 0 第二章大尺度喷嘴非稳态实验系统组成 争= 箬：智 厶磋 1 ：箬：霄 臻 。 9 p = 0 m ( 2 2 ) ( 2 3 ) ( 2 4 ) 式中a ，为长度比尺。 ( 2 ) 运动相似 满足几何相似的流场中，对应时刻、对应点流速( 加速度) 的方向一致，大 小的比例相等，即它们的速度场( 加速度场) 相似。运动相似需要满足的关系式： 生= 一u p ：一i 无 v m u m 以= 乏= 镌= 砉 乃= 等= 等 ( 2 - 5 ) ( 2 6 ) ( 2 - 7 ) 式中凡为速度比尺。 ( 3 ) 动力相似 在对应瞬时，流场中各种成分的力( 时变惯性力、位变惯性力、质量力、压 差力和粘性力) 矢量图都相似，即相应点力的大小成比例，方向相同。 式中砧为力的比尺。 2 1 2 相似准则 f p1 t 2 九f 1 ，玎 ( 2 - 8 ) 所谓相似准则是指两个相似流动中，各种作用力之间保持固定不变的比例关 系，这种比例关系称之为相似准则。流体所受到的力分为维持流动状态的惯性力 和改变流动状态的其他力，各种作用力之间的比例关系应以惯性力为一方来相互 比较。两种流动相似原则上需要各种力与惯性力的比值保持一致，即砌尸矿= 此， 称为牛顿数相似准则，满足牛顿数相似的两种流动称为完全动力相似。实际上完 全动力相似是很难做到的，往往流动中只有一种力起主导作用，因此令这种力满 足相似准则即可，这样得到的虽然是相似结果，但实践中已经证明这是有效的。 实践中常见的几种相似准则有弗劳德数准则、雷诺数准则、欧拉数准则、韦 伯数准则和马赫数准则，这五种相似准则中，雷诺准则、弗劳德准则和欧拉准则 运用较为广泛，对于不可压缩流体的定常流动中，只要满足雷诺准则、弗劳德准 第二章大尺度喷嘴非稳态实验系统组成 则和欧拉准则就可以实现动力相似，并且由于流体中的压强或压差往往决定于其 他参数，因此只要保证雷诺准则、弗劳德准则即可。 2 1 3 实验满足的相似条件 由于实际流动的复杂性，几乎不能同时满足全部相似准则，因此，在研究实 际流体流动问题时，一般采用近似的力学相似，只需要考虑对流动起主要作用的 力，其它对流动现象不起主要作用的力则忽略不计。实践证明，两个流动一般很 难实现同时满脚p 和乃准则数相等，而在恒定有压流动情况下，起决定性作用的 是r p 准则，f r 准则通常可以忽略。考虑到这些因素，我们设计了以下的实验系统。 可视化实验是空化研究的重要手段，但是实际柴油机喷嘴的喷孔直径非常 小，直接进行可视化观测是很困难的，因此广泛采用的办法是利用流体力学相似 原理，参照实际喷嘴的结构尺寸，将喷嘴放大，但要保证实验喷嘴与原喷嘴在流 体力学上保持相似。几何相似方面，主要保证大尺度喷嘴与实际喷嘴线性长度对 应成比例，对应角度相等。动力相似方面，主要保证主要两个无量纲数尽可能地 相似，即无量纲空化数c n ( 以保证空化效应的相似性) 和无量纲雷诺数r p ( 以保 证流动状态的相似性) 。柴油机喷孔内的燃油流动是典型的湍流流动，尺p 数大小 决定了湍流的剧烈程度，流体流动的混乱程度不同，将会直接影响空化现象的产 生和发展。因此，空化数c n 与雷诺数r p 两者共同决定了喷孔内流动形式，均 对空化有影响作用。另外因为本次实验是大尺度非稳态实验，与以往稳态和准稳 态实验不同，还需要考虑针阀运动的影响，因此本实验在保证流体力学相似的基 础上，还保证了大尺度喷嘴与实际喷嘴的针阀运动速度的匹配，实验中采用的是 针阀运动的无量纲速度参数匹配，即保证针阀运动速度与喷孔内液体流动速度的 比值相等，对于理想流体而言，根据伯努利方程，喷孔内速度由喷孔进出口压差 决定，当具有相同出口压力时，只由入口压力决定，因此根据大尺度喷嘴与实际 喷嘴内喷射压力的比值，结合实际针阀运动速度，即可确定大尺度喷嘴的针阀运 动速度。 2 2 大尺度喷嘴非稳态实验系统组成 基于以上的理论基础，设计了如下的大尺度非稳态实验系统，本套系统主要 目的是在大尺度条件下，使喷射系统实现非稳态运行，通过高速摄影技术采集不 同工况下喷嘴内的空化图像，为喷嘴内的非稳态研究提供可靠的实验数据，并研 究相关因素对非稳态空化的影响。实验系统主要包括供油系统、喷射系统、真空 背压系统、数据采集系统和控制系统。图2 - 1 是实验系统的示意图。 第二章大尺度喷嘴非稳态实验系统组成 1 滤清器、2 油箱、3 齿轮泵、4 进油管、5 节流阀、6 位移传感器、7 气缸、8 密封和导向组 件、9 泵端压力传感器、1 0 喷油器体、1 1 电磁阀、1 2 压气机、1 3 进油阀门、1 4 抽气阀门、 1 5 真空泵、1 6 计算机、1 7 真空压力罐、1 8 高速摄像机、1 9 出油管、2 0 嘴端压力传感器、 2 1 有机喷嘴、2 2 针阀、2 3 毛玻璃、2 4 镁光灯、2 5 电动机 图2 1 大尺度非稳态实验系统组成 2 2 1 供油系统 供油系统为喷油器提供具有一定压力的燃油，并能够实现燃油压力的精确调 节。供油系统主要组成部件有油箱、电动机、高压齿轮油泵、柴油滤清器、限压 阀、分流阀、高压输油软管等。 电动机：型号y 1 0 0 l 2 - 4 ，四级三相异步电动机，电压3 8 0 v 、转速1 4 2 0 r m i n ， 功率3 k w 、额定电流6 8 a ，绝缘等级b 级，采用星形接法，为保证安全，电动 机接有地线。由于实验系统处于非稳态运行工况，在两次实验间隔时，需要保存 数据，电机需要频繁开停机，因此加装带有超载保护器的启停开关。并且实验开 始前检查电路状况，严格保证实验安全。 高压齿轮泵：型号c b f c2 5f l ，可提供最高压力1 6 m p a ，最高转速 2 0 0 0 r m i n ，排量2 5 m l r 。电动机和齿轮泵通过连轴器相连，电机带动齿轮泵转动。 电动机、齿轮泵、油箱和滤清器固定在一起，组成液压工作站，为实验系统 提供高压燃油。 实验中采用限压阀和节流阀控制喷射压力，实验开始时将限压阀开到最大， 使得柴油全部回流至油箱，然后调节限压阀开度，控制回油量，对喷射压力进行 粗调。在粗调的基础上，调节分流阀开度，控制出油量，进行细调，两者配合即 可实现喷射压力调节。 第二章大尺度喷嘴非稳态实验系统组成 2 2 2 喷射系统 喷射系统由针阀驱动装置、密封和导向组件、喷油器体、针阀、密封垫片、 大尺度透明喷嘴等组成。 针阀驱动装置包括双向活塞式气缸、电磁阀和活塞式压气机，气缸的工作气 体是由活塞式压气机提供的压缩空气。 双向活塞式气缸：缸径6 0 m m ，工作压力范围2 l o b a r ，工作环境温度2 0 计8 0 ，工作介质为过滤的压缩空气，最大行程5 0 m m 。 电磁阀：位数五口二位柱塞式，工作电压d c l 2 v ，公称通径8 5 m m ，双向 流动，最大压力7 k g f c m 2 ，流量4 0 0 5 3 3 n 1 m i n 。 活塞式压气机：型号f b 3 6 7 ，转速1 3 8 0 r r a i n ，公称容积流量1 0 2 l m i n ， 功率5 5 0 w ，额定排气压力0 7 m p a 。 密封组件用于针阀与气缸连接部位运动件的密封，针阀与气缸采用轴承钢连 接。密封组件使用液压密封用喇叭形密封垫，在油压作用下压紧轴承钢，实现密 封作用。导向组件用于限制针阀运动速度方向，并在组件上开过油槽，保证压力 室与喷油器内燃油的交换。喷油器体内壁尺寸及针阀尺寸采用成品v c o 喷油器 保持几何相似放大2 0 倍得到。 大尺度透明喷嘴是根据v c o 喷嘴尺寸经过几何相似放大2 0 倍得到，材质为 有机玻璃，图2 2 是透明喷嘴的结构示意图和实物图。 图2 - 2 大尺度透明喷嘴结构图和实物图 表2 1 是实验用喷嘴的主要结构参数，标准喷嘴是喷孔与轴线角度为1 0 1 5 0 ， 喷孔直径为3 m m 的斜单孔喷嘴，实验喷嘴共五个，用于研究不同结构参数对空 化效应的影响。 1 4 第二章大尺度喷嘴非稳态实验系统组成 表2 1 实验用喷嘴主要结构参数 序号喷孔数喷孔与轴线角度直径( m m )长径比 111 0 1 5 。39 21 1 0 1 5 。 29 3l1 0 1 5 。49 4 11 1 1 5 。39 52 1 0 1 5 。( 双孔1 8 0 。对称) 39 2 2 3 真空背压系统 真空背压系统由真空罐、进油阀门、抽气阀门、真空表、真空泵组成，可以 提供绝对压力为0 0 5 m p a 至0 0 9 m p a 的负压环境。 真空罐是体积约为5 0 l 的罐体，除了提供真空环境外还起到收集燃油的作用。 进油口通过进油阀门与喷射器连接，出油口则是当真空罐中燃油较多时，起到放 油作用。抽气口和真空压力泵相连，用于抽取压力罐中的空气，制造真空环境。 实验过程中，首先关闭真空罐的各个阀门，然后将真空泵与抽气口相连，通 过真空泵抽去真空罐内的空气。真空罐的设计压力可以达n o 3 m p a ，但抽气过 程需要较长时间，实验时设定最低压力为0 0 5 m p a 。当压力达到设定值时，关闭 抽气阀门，打开进油阀门，并接通电动机，开启喷射系统，进行实验。 2 2 4 数据采集系统 数据采集系统由泵端压力传感器、嘴端压力传感器、直线位移传感器、数据 采集仪、高速摄像机、微距镜头、光路系统组成。 嘴端压力传感器和泵端压力传感器采用的是德国h e l m 高频压力传感器，型 号h m 9 0 ，量程0 5 m p a ，精度0 i f s ，泵端压力传感器频响1 k i - i z ，嘴端压力传 感器频n 向2 0 i a i z 。 直线位移传感器采用德国n o v e t e c h n i k 接触式直线位移传感器，型号t r 2 0 ， 量程0 2 5 m m ，精度0 2 f s ，最大速度1 0 m s 。 数据采集仪采用日本日图多功能数据记录仪，型号g l 9 0 0 ，4 通道，电压测 量范围2 0 m v 5 0 0 v ，数据采集速度最高1 0 0 k h z 。 第二章大尺度喷嘴非稳态实验系统组成 高速摄像机采用日本p h o t r o n 公司生产的f a s t c a ms a1 1 高速摄像机系 统，分辨率1 0 2 4 1 0 2 4p i x e l 5 4 0 0 f p s ，1 2 8x1 2 8p i x e l 9 0 0 0 0 f p s ，最高拍摄速 率6 7 0 0 0 0 f p s ，嵌入式闪存1 6 g b ，能扩展至3 2 g b ，像素位深度1 2 b i t s 。采用脉 冲u g 输出、i r i g 输入同步触发信号。视频输出为p a l 和n t s c 。 微距镜头采用佳能e f i o o m m 专用镜头，最大光圈f 2 8 ，最小光圈f 3 2 ，放大 倍数1 倍。 实验中采集的两处的压力信号分别是靠近喷嘴处的嘴端压力p l 和靠近喷油 器进油管处的泵端压力p 2 ，默认嘴端压力为喷射压力，另外还通过位移传感器采 集了针阀的升程信号h 。 光路组成：镁光灯、反光板、毛玻璃，实验采用阴影法拍摄。对于柴油在喷 孔内的空化现象，一旦强烈空化发生，将无法看到液流内部的具体情况，但在背 景光下，可以看到由于气液密度变化产生的明暗变化，因此采用阴影法拍摄。将 镁光灯发出的光线经过反光板反射后，再由毛玻璃将反射光变为漫反射光，作为 背景光源。 2 2 5 控制系统 控制系统用于控制针阀运动、数据采集和高速摄像机触发，由单片机、电磁 阀和控制软件、计算机组成。这个控制系统以计算机为中心，以单片机为基础， 利用自行设计的控制程序，通过改变电磁阀通路的方式改变气缸的驱动气路，从 而控制针阀抬起和下落的动作，并且向电磁阀、数据采集仪和高速摄像机发出同 步触发信号，实现三个系统的同步动作，使得传感器采集的数据与高速摄像机的 图像信息能够实现对应。 2 3 本章小结 ( i ) 介绍了流体力学模型实验的设计方法和相似原理，以及通常的相似准则 数。 ( 2 ) 说明了实验系统遵循的相似准则。大尺度喷射系统与实际喷射系统的相 似主要包括：几何相似、无量纲空化数和雷诺数相似、无量纲针阀运动速度相似。 ( 3 ) 介绍了大尺度动态喷射系统的组成，实验系统主要包括供油系统、喷射 系统、真空背压系统、数据采集系统和控制系统。 第三章大尺度喷嘴非稳态实验结果分析 第三章大尺度喷嘴非稳态实验结果分析 本研