定容弹内汽油掺混酒精燃料的喷雾特性分析-毕业论文.doc

定容弹内汽油掺混酒精燃料的喷雾特性分析院 系动力与能源工程学院专 业热能与动力工程班 级学 号姓 名指导教师负责教师33沈阳航空航天大学毕业论文目 录1 绪论11.1课题的背景及研究意义11.2研究的现状4 1.3本文主要研究的内容.52雾化机理及模拟计算62.1雾化机理62.2喷雾特性82.3喷雾过程中的其他特性102.4CFD模拟仿真软件介绍123定容弹喷雾仿真计算及分析133.1参数设置133.2酒精掺混汽油燃料的喷雾13 3.3温度对喷雾贯穿距的影响.15 3.4缸内压力对喷雾贯穿距的影响.18 3.5喷油压力对喷雾贯穿距的影响.194结论21参 考 文 献22致 谢241 绪论1.1课题背景及研究意义内燃机是机动车辆的心脏，它的出现促进了汽车的发展，汽车的大发展又带动了内燃机的飞速发展。而内燃机工业的发展也极大地促进了人类社会的文明与进步，给人类创造了许多行业和就业机会。然而内燃机的大量使用也严重影响到了我国的能源安全，目前汽车耗油约占整个石油消费量的1/ 3，预计2020年中国汽车石油消费比例将上升到 57%，同时向大气排放的有害物质成为我国城市环境的主要污染源。在石油资源逐渐枯竭、环保意识日益增强的情况下，人们迫切要求提高内燃机的动力性、经济性和排放性能。传统汽油机采用进气节流方式对负荷进行“量调节，相比缸内直喷“质调节”的柴油机，具有较高的泵气损失；并且其压缩比为9-11较低（柴油机为16-22），热效率比柴油机低15%左右；当前主流汽油机采用电控进气道燃油喷射(PFI)和三效催化器(TWC)后处理技术，但是，TWC高效转化要求发动机必须燃用化学计量比的混合气，使燃油经济性高于使用稀混合气的柴油机。综上所述，降低汽油机的油耗显得更迫切。在汽油机中，把混合气的实际空燃比A/F大于化学计量比14.7的燃烧称为稀薄燃烧，而采用该项技术也是提高汽油机燃油经济性的众多技术中一项重要措施。传统均质混合气燃烧的稀燃空燃比上限为22，稳定运转即不发生失火的空燃比上限为18，因而提高汽油机燃油经济性的能力有限。近些年来，一种非均质、充量浓度分层、稀薄燃烧为特征的汽油机缸内直喷（GDI）技术可以极大地提高汽油机的燃油经济性，因而该种汽油机成为行业研究和开发的热点。GDI技术出现于上世纪30年代，但受到当时内燃机技术水平的限制，没有得到实际地应用。直到20世纪90年代，随着电子控制技术的发展和广泛应用、燃油经济性法规和排放法规的日益严格，GDI才重新得到快速地发展。日本三菱汽车公司自1996年率先向市场投放第一台GDI发动机以来，先后又开发出了多种不同类型的GDI发动机，即2.4L四缸机、3.0L六缸机和3.5L六缸机，它们分别装用于四种中、大型轿车投放市场。近年来，该公司又推出多种GDI新机型：4.5L的V8机、1.5L的直列四缸机和0.66L的直列三缸机。三菱公司称其1.8L的GDI发动机不仅可节省燃油20、降低排放20，而且还可把发动机的功率和扭矩提高10；继三菱之后，丰田公司研制出一种D4型2.0L的GDI发动机，并已批量装车使用。随后，丰田公司又开发出1.6L、1.8L和2.0L的GDI发动机。据该公司说其D4型GDI发动机可降低油耗30左右、功率提高约10。除上述两家公司外，日本其它厂家也有多种GDI发动机上市，如日产3.0L和2.5L的V6机、富士重工2.5L的卧式对置四缸机、马自达2.0L的直列四缸机本田1.0L的直列三缸机；克莱斯勒汽车公司开发的四冲程GDI汽油机在采用了其两冲程汽油机科研成果后，使燃油经济性提高了20-30，该公司称目前所获得的这种燃油经济性(5.2L/100km)可以与小排量的直喷式柴油机相媲美；德国奔驰汽车公司于上世纪末投资近亿马克，开始全面启动GDI研究项目；奥迪公司也于上世纪末推出了其1.2L三缸GDI发动机(每缸5气门)，据介绍，该机的油耗较同等功率(56kW)的传统发动机低15-20；宝马公司前不久推出了采用第二代汽油直喷技术（高精度喷油）的两款四缸和六缸燃油分层燃烧自然吸气发动机，无论是在欧洲行驶循环还是在客户端实际运行中都达到了明显的节油效果。在参照工况点，其3L六缸发动机以295g/kWh的油耗取得了比已经是非常节能的Valvetronic发动机降低油耗大约14%的成绩，而且比传统的以节流方式调节扭矩的汽油机低20%。搭载其四缸发动机的118i轿车以其5.9L/100km的欧洲行驶循环试验油耗(对应于140g/km的CO2排放值)成为油耗非常突出的车型，从而在该车所属的功率等级和轿车等级中树立了新的范例。目前市场上的GDI汽油机存在两种主要工作模式：1）非均质、充量分层的稀薄燃烧；2）均质当量混合气燃烧。大多数采用充量分层稀薄燃烧的GDI发动机根据工况不同采用混合燃烧模式：中小负荷时，为了获得较好的燃油经济性，GDI发动机的节气门保持全开，燃油在压缩冲程后期喷入燃烧室，形成非均质的混合气，在火花塞周围的混合气较浓，远离火花塞区域为稀薄混合气，全局空燃比为2540，为分层稀薄燃烧，燃油消耗下降率高达35%；在大负荷时，为了得到较高的动力性，采用化学计量的混合气，燃油在进气冲程早期喷入燃烧室，燃油与空气在燃烧室内充分的混合，为均质当量燃烧，此时动力性比PFI提高10%左右；当GDI发动机全部采用均质当量混合燃烧模式时，它可以使用目前PFI发动机上广泛使用的、技术成熟的TWC满足严格排放法规的要求，从而避免了使用技术尚未成熟、对汽油硫含量要求较高的稀燃NOx催化转化器，尽管均质当量GDI发动机的节油效果不如分层稀燃的GDI，但在与其它先进技术结合下，也能获得较好的节油效果，因而成为目前国际上GDI发动机的发展主流。从2000年以后，欧洲开始采用均质当量混合气燃烧为特征的技术路线。2003年，欧洲新开发并上市了5款轿车GDI发动机，其中3款采用均质当量燃烧模式；而同年日本新开发并上市的4款轿车GDI发动机仍然采用分层稀薄燃烧模式。2005年，欧洲新开发并上市的7款轿车汽油机中有4款是GDI，日本新开发并上市的8款轿车汽油机有2款是GDI，这6款GDI全部采用均质当量燃烧方式。而对于分层稀燃的GDI，从2006年起，主要依靠适当喷雾特性的分层燃烧系统也开始投放市场，并被公认为是性能最好的分层燃烧系统。而上面所列举的宝马公司最近推出的发动机就是采用了适当喷雾特性的分层燃烧系统，也就是后面所说的喷雾诱导方式的燃烧系统。为了研究直喷汽油机缸内喷雾及混合气的形成，研究者们做了很多试验和分析工作：在定容弹或光学发动机内利用激光多普勒方法测量喷雾液滴的速度和直径；用高速数字照相机摄下喷雾的形状；利用激光诱导荧光法测量燃油的雾化等等。由于缸内直喷汽油机喷油器的多样性及发展时间不长，商业软件中目前还没有现成的缸内直喷汽油机喷雾的计算模型。用计算流体力学方法直接模拟喷油器内的燃油流动及将喷油器出口的燃油液柱分解为大的液滴计算代价太大，现在比较多的做法是在定容弹或光学发动机内测量喷雾的特性，然后用单缸机验证发动机的性能或用CFD标定好模型后再计算缸内的混合及燃烧。随着国际原油价格的攀升以及国内外节能减排呼声的日益高涨,代用燃料的推广和普及对缓解我国石油资源不足具有重要意义。醇类燃料作为最有前途的汽车发动机代用燃料已经越来越引起国内外科研机构和政府部门的重视。醇类燃料与汽油相比具有更高的辛烷值、 更宽泛的着火范围、 更高的火焰传播速度以及更高的汽化潜热值。将醇类燃料或者油醇混合燃料应用在发动机( 进气道喷射和缸内直喷)上, 对减少 CO2 以及其他燃烧排放物有一定的作用。影响喷雾雾化效果的因素主要有三方面: 外界控制条件、 燃油物性以及喷油器结构。目前, 对于醇类代用燃料发动机,研究的重点主要集中在解决冷起动、 燃料腐蚀性等问题,而并没有重点考虑燃料物理化学属性的变化对喷雾及燃烧过程的影响。大部分的代用燃料发动机都只是采用原来的、 适用于汽油燃料的喷雾燃烧系统, 这样势必影响代用燃料发动机的性能。而部分针对代用燃料发动机喷雾与燃烧系统的研究也只限于通过优化燃烧室的结构使其适应喷雾以提高燃烧的质量, 这是被动的,没有考虑从控制燃烧过程的源头( 喷雾雾化)来解决问题。相对于高压直喷系统, 低压直喷系统拥有低成本、 系统结构简单等优势,而当油醇混合燃料用于低压直喷系统时喷雾雾化效果会降低, 这时就需要优化喷嘴结构以削弱低喷射压力对雾化效果的负面作用。 本研究通过对乙醇汽油物性的测量、 计算及在高压定容容器中乙醇汽油的喷雾特性闪光灯测试试验,研究乙醇汽油物性与喷雾特性的关系,并利用计算机仿真来探索喷嘴内部结构对雾化效果的影响,为乙醇汽油在直喷发动机尤其是低压直喷发动机上的应用提供基础研究。1.2研究现状液体的喷雾与雾化过程在国民经济许多部门都有着广泛的应用，加之其重要的理论和学术意义，国内外对该领域的研究都十分重视。国际上也专门成立了液体雾化与喷雾系统学会（ILASS：Institute for Liquid Atomization &Spray Systems）定期召开国际会议讨论各种液体喷射雾化问题。以致喷雾与雾化近年已逐渐形成了流体力学加工程热物理的一个新的分支。对喷雾的研究主要集中在实验测试法和数值计算仿真法上。利用实验，可以用同步闪光照相法、高速摄影法和高速摄像法测量喷雾锥角和喷雾贯穿度及油束的空间形态；可以用激光法、热线法、导线法、液滴固化法、摄影法等测量液滴尺寸和速度。其中运用较多的是激光法，包括：激光全息摄影法、干涉条纹光普法、散射光强比法、多元散射光法和马尔文法等。燃油喷射后要经历油滴破碎、油滴碰撞和聚合、油束撞壁、燃油多组分蒸发等，而以上过程的发生的时间和空间尺度非常小，往往小于计算机所能划分的最小网格，因此对喷雾过程的数值模拟是一个极其困难的课题。国内外大量科研工作者通入了大量的时间和精力在上面。Los Alamos 实验室和英国帝国理工学院在 1980 年发展了离散液滴模型（DDM）。Ranz研究了气体密度对射流分裂的影响并提出液滴尺寸取决于最不稳定波的波长。林松飘提出气动力干扰理论在假定射流表面所受扰动在各处以相同速度增长存在缺陷。史绍熙、李理光、成晓北和黄荣华等人对喷雾滴径分布和雾化过程进行了深入的研究。史春涛用 LDV 测定了高压下柴油喷雾的速度场。许振忠用类似的方法测量了喷雾碰壁前后粒子的速度。随着 CFD 计算方法的成熟，国外一些研究人员在计算模型和数值计算方面进行了大量的研究工作，并取得了极大成功，已经开发出了一系列具有气体流动计算、缸内燃油喷雾、燃烧等方面功能的商业软件，例如日本西迪阿特公司的 STAR-CD 软件、AVL 公司的 FIRE 软件、KIVA 软件和 Ricardo 公司的 VECTIS 软件等。其中STAR-CD 软件件具备湍流模型( k-模型、RSM 模型)、喷雾燃烧模型(油滴爆裂模型、油雾蒸发模型、壁膜模型、污染物生成模型等)以及燃烧等涉及的各种计算模型。其自带的网格处理工具 ES-ICE 可以处理结构化移动网格，能模拟发动机进气喷雾燃烧的多个过程。本课题就是利用大型 CFD 模拟仿真软件 STAR-CD 对内燃机流础场及缸内流动及燃油喷射进行数值模拟研究。本文的燃烧始点定义为已燃燃油质量分数从负值变为正值(取燃烧 0. 1 %燃油)时所在曲轴转角 ,燃烧终点定义为燃烧 90 %燃油质量对应的曲轴转角 ,滞燃期定义为从点火开始至燃烧始点的曲轴转角 ,燃烧持续期为燃烧始点至燃烧终点曲轴转角 ,火焰发展角定义为从点火开始至燃烧 10 %燃油质量对应的曲轴转角。定容燃烧弹( 容弹)主要模拟活塞在上止点附近发动机的燃烧状况, 具有结构简单、 易于研究单一湍流参数的变化对燃烧过程的影响等优点, 因而被广泛运用于内燃机燃烧研究。 实验时可根据研究的需要, 在容弹内生成具有不同湍流特性的湍流场。本文采用传统集平均和循环分辨分析两种方法,对结果进行分析比较,以便进一步了解集平均脉动、 平均速度的循环变动和湍流脉动的各自特征尺度以及它们之间的相互关系,为深入研究特定湍流参数对燃烧的影响做好准备。1.3本文主要研究的内容根据研究的任务和本文的选题，广泛阅读了一批国内外相关的研究文献，明确了国内外在缸内流动和燃油喷雾领域内所展开的研究工作、已取得的研究成果、存在的问题和不足等，为确定本文的主攻方向和研究内容奠定了基础。据此本文拟在下面的几个方面展开研究：1.使用AVL Fire软件对某定容弹进行三维瞬态数值模拟，进行物理建模。2.运用AVL Fire进行仿真计算，与对应的实验数据进行对比验证。3.研究了喷油压力，环境压力及温度对喷雾特性的影响。2.雾化机理及模拟计算2.1雾化机理喷射雾化过程可以分为初次雾化和二次雾化两个过程。液体射流喷入气体介质后，在气动力，粘性力和表面张力等力的相互作用下回形成液膜和大量的大直径液滴，这一过程成为初次雾化。但是，这一过程是不稳定的，液膜和大直径液滴会进一步破碎，形成大量的细小液滴，成为二次雾化。同时，初次雾化后形成的液滴除了发生二次雾化外，还会经历碰撞聚合，湍流扩散，蒸发等过程或者还发生喷雾碰壁，从而逐步与空气混合。2.1.1初次雾化过程Ohneorge 提出应用欧尼索数Z和雷诺数Re来定量地描述射流的分裂过程。 (2.1) (2.2) (2.3)式中， u射流的速度； 气液交界面处的表面张力； 液体的密度； 液体的动力粘度； 喷孔的直径。 根据液体的欧尼索数Z和雷诺数Re的不同，可将射流分裂为四种破碎形态。 1)瑞利型分裂 分裂发生在射流下游距喷口相当远处，形成直径大于射流直径的液滴。这种分裂是由于射流也面出现的轴对称振荡波在表面张力作用下增长而引起的。 2)第一类风生分裂 分裂发生在射流下游相当远处，液滴直径与射流直径为同一量级。其分裂原因是射流与周围气体的相对运动增强了表面张力的作用，而表面曲率的变化又使得内部产生不均匀的静压力分布，压力梯度使液体流向曲率大处，从而加速了液柱的分裂。此时表面张力起着不稳定的作用，促进分裂。 3)第二类风生分裂 分裂发生在距喷口一定距离处，形成的液滴平均直径远小于射流直径。分裂原因是小波长扰动波得不稳定增长。该类型小波长扰动波也是由于射流与周围气体介质间的相对风所引起的。此时的表面张力却抑制小扰动波的增长。 4)雾化液体一离开喷口，在射流下游很微小一段距离处，射流表面就立即发生分裂，形成大量细微液滴，其平均液滴直径远小于射流直径。此种分裂方式是内燃机喷射雾化研究的主要对象。对于从Rayleigh区域过渡到空气动力模式作用区域，可以予以分区。从空气动力模式作用区域过渡到雾化模式加以标识。2.1.2二次雾化过程离开射流或液膜的液滴，同样会由于高的气液相对速度而受到空气动力的作用，液滴在表面非均匀分布的压力扰动下发生变形，当这个作用力大到足以克服液滴表面张力的恢复力时，液滴就会分裂成更小的液滴。定义液滴破碎的一个有效指标是气体Weber数： (2.4) 式中， 气体的密度； 液滴与气体间的相对速度； D液滴的直径； 液滴的表面张力。根据数的不同，液滴表现出不同的破碎模式。在数较低时液滴发生哑铃式振动，并发展到破碎成两个较小的液滴；当数值增加是，袋形破碎发生，液滴变形成四周为液体圆环，中间为薄膜的空心袋囊形状；当变形足够大时，袋囊，随后液体圆环破碎成许多细小液滴；再继续增加数时，便产生袋形破碎的一种变形，叫做伞形破碎，它与袋形破碎的主要差别为在破裂之前形成一个中心杆；当数继续增加超过100时，形成剪切形破碎，这是破碎由气流对液滴的剥离控制，在液滴周围及其尾部形成许多细微的雾状液滴；当数大约超过350时，在液滴迎风面上的表面波迅速增长，在液滴发生明显变形或剥离之前就会突然破碎，称为爆炸式破碎。2.2喷雾特性2.2.1喷雾的宏观特性宏观特性主要是指喷雾的几何轮廓形状及其在空间的发展情况，是描述喷雾特性最基本最直观的参数，直接影响到喷油系统和燃烧室的匹配设计。宏观特性主要由贯穿距离S和喷雾锥角等集合参数来衡量。其中，贯穿距离S是喷雾体在完全蒸发前所能达到的最远距离，在燃烧室内决定喷雾是否发生碰壁行为:喷雾锥角则反映了燃油在径向上的分布情况。这两个参数均与喷射压力，喷孔几何参数，燃油及介质气体性质有关。在下图中角度称作初始喷雾锥角，是燃油离开喷嘴出口时所成角度，此时并未考虑液滴与空气之间的相互作用。图2.1高压旋流喷雾结构示意图2.2.2喷雾的微观特性微观特性主要是指喷雾的内部结构及分布情况，主要包括雾化粒度，液滴尺寸分布等。1)燃油雾化后所产生的油滴大小是评定雾化质量的一个重要指标，这一指标称为雾化粒度。在喷雾场中，液滴的大小是不均匀的，最大的与最小的可能相差50-100倍，因此只能用平均直径来表示雾化粒度。通常采用两种方法表示液滴的平均直径：a.质量中间直径法所谓质量中间直径是一个假设的直径，大于这一直径的所有液滴的总质量正好等于小于这一直径的液滴的总质量，即= （2.5）很显然，质量中间直径越小，雾化粒度越小，雾化质量越好。b.索特平均直径它是将不同直径的液滴组成的喷雾假象成由单一直径即索特平均直径的液滴组成，而液滴的总表面积和总体积保持与实际喷雾相同，即 （2.6） （2.7） （2.8）式中，N喷雾场中液滴的总数目；直径为的液滴的数目。从式中可以看出，索特平均直径越小，则液滴的表面积越大，这对于液体燃料的蒸发汽化是有利的。2）液滴尺寸分布液体经过雾化后产生的液滴使不均匀的，因此仅使用液滴的平均直径来评价雾化质量是不够全面的。比较完善的表达方法，应该既能表示出液滴直径的大小，又可以表示出不同直径液滴的数量和质量，可惜至今还没有从理论上得到液滴尺寸分布表达式。目前，所采用的液滴分布表达式均属于经验公式，其中最为常用的有以下两个：a.分布： （2.9）式中，D液滴的直径；尺寸常数，等于/3；V(D)液滴的体积积分分布，表示直径小于D的液滴占喷雾液滴总体积的百分数。b.Rosin-Rammler分布：V(D)= （2.10）式中，D液滴的直径；尺寸常数，等于/3；q均匀分布指数，其值越大，液滴尺寸分布越均匀；V(D) 液滴的体积积分分布，表示直径小于D的液滴占喷雾液滴总体积百分数。2.3喷雾过程中的其他现象2.3.1液滴的蒸发喷雾过程形成的液滴在运动的过程中，通过与周围环境气体交换能量，使其温度升高，从而在液滴表面发生汽化，形成蒸汽。可见，液滴的蒸发是一个同事伴随着传热和传质的过程。该过程是内燃机混合气形成的一个重要环节。可见，液滴的蒸发是一个同事伴随着传热和传质的过程。该过程是内燃机混合器形成的一个重要环节，因为它直接影响到混合器的浓度分布，从而影响到发动机的着火滞燃期，燃烧率乃至排放特性。2.3.2液滴的碰撞/聚合喷雾越稠密，液滴碰撞的几率就越大。碰撞若导致破碎，就会伴随许多小液滴生成，增强雾化作用；反之，碰撞若导致聚合则降低雾化作用。但不管如何，都会改变液滴粒径分布，因而碰撞对喷雾的微观特性有重要影响。根据近年来关于液滴碰撞试验和直接数值模拟的研究结果，液滴碰撞后发生的现象可以分为四种类型：反弹；聚合；反射分离；摩擦分离。见下图： 图2.2 液滴碰撞的类型 在聚合液滴分离的过程中，在两分离液滴之间一般伴随有拉丝现象，在相对速度较高时，拉丝将分裂为许多细小的卫星液滴，即所谓碰撞破碎现象，如上图(e)所示。2.3.3液滴的湍流扩散气相湍流涡团的无规则运动必然使液滴在其运动过程中不断受到一种随机的干扰力。液滴愈小，这种随机干扰运动愈明显，因而液滴的运动轨道并非光滑的曲线，二是充满曲折和脉动的不光滑曲线。由湍流脉动作用而在运动液滴上增加的这种附加运动就是液滴的湍流扩散，如下图所示。 图2.3液滴的湍流扩散示意图 一般认为湍流的作用只取决于液滴在湍流涡团内的滞留时间和湍流涡团的脉动时间，实际上，还取决于液滴直径与湍流涡团尺寸之比，液滴与湍流速度之比，液滴分布密度等因素。2.3.4液滴的碰壁由于燃烧室空间的限制，喷雾与壁面发生碰撞是常见的现象。与自由喷雾相比较，其运动特性，浓度分布都有很大的不同，特别是在近壁面区域。这是因为喷雾液滴碰壁后，可能出现集中不同的形态变化，如粘附，反弹，铺展，飞溅。如下图所示。 粘附 反弹 铺展 飞溅 图2.4液滴碰壁后的形态变化 本章详细阐述了燃油喷雾初次雾化过程和二次雾化过程的主要机理，并且对评价喷雾特性的一些重要指标如贯穿距离，喷雾锥角和索特平均直径进行了充分的论述。此外，还对喷雾过程中伴随的液滴蒸发和湍流扩散等物理现象进行了介绍。2.4CFD模拟仿真软件随着CFD技术的日趋成熟，著名的商业CFD软件如FLUENT,CFX,STAR-CD,FIRE等在热能，航空航天，化工等领域得到了广泛的应用。这些软件具有以下特点：（1）功能比较全面，适用性抢，几乎可以求解工程界中的各种复杂问题。（2）具有比较易用的前后处理系统和与其他CAD及CFD软件的接口能力，便于用户快速完成造型，网络划分等工作。（3）具有比较完备的容错机制和操作界面，稳定性高。（4）可在多种计算机，多种操作系统，包括并行环境运行。随着计算机技术的快速发展，这些商用软件在工程界正在发挥着越来越大的作用。本文使用的FIRE软件是由奥地利AVL公司开发的用于模拟内燃机流动、喷雾、燃烧过程的CFD软件。它由前处理，求解器和后处理三部分组成，拥有网格和动网格生成能力，包含了全自动，半自动以及手动网格生成功能，能够对进气道等的复杂结构轻松实现快速优质的网格划分。同时，FIRE包含了丰富的湍流，燃烧和排放预测模型，湍流模型有k-湍流模型，RSM模型和AVL-HTM模型等，燃烧模型有EBU模型，小火焰模型，PDF模型，拟序模型和特征时间尺度模型。排放模型包含了Zeldovich NO预测模型、Kennedy-Hiroyasu-Magnussen碳烟模型、Kennedy-Hiroyasu-Magnussen-Rad 碳烟模型以及高级碳烟模型。同时FIRE还有预留给用户自定义模型。用户可以非常方便的根据不同的求解对象和环境选择各类不同的计算模型，以实现模拟计算与实际情况的一致性。 3定容弹喷雾仿真计算及分析 根据上文的描述，通过Fire软件对喷雾进行仿真计算，并通过计算结果分析定容弹内汽油掺混酒精燃料的喷雾特性。3.1参数设定由于实验硬件条件所限，因此下表中数据皆来源于书籍，根据此数据用Fire软件进行运算，计算分析燃料的喷雾特性。表3.1参数数据表燃料90%酒精+10%汽油喷嘴数6喷嘴0.23mm外半锥角10deg喷油定时0-1.5ms喷油质量3.3mg燃料温度293.15K蒸发模型Dukowicz破碎模型Wave3.2酒精掺混汽油燃料的喷雾3.2.1喷雾云图下面两个图，分别从Y向和单独某一截面两个视角进行截图。 图3.1喷雾云图（a） 图3.2喷雾云图（b） 3.2.2喷嘴喷雾的切面图 图3.3液滴喷雾图(a) 图3.4液滴喷雾图（b）说明：图3.3（a）Y向切面，小液滴未完全雾化；图3.3（b）单独某一切面，小液滴未完全雾化。3.3温度对喷雾贯穿距的影响 图3.5液滴和喷雾贯穿距说明:图3.5在25-1bar-10bar条件下，液滴和喷雾的贯穿距。 图3.6液滴和喷雾贯穿距说明：图3.6在100-1bar-10bar条件下，液滴和喷雾的贯穿距。 图3.7液滴和喷雾贯穿距说明：图3.7在150-1bar-10bar条件下，液滴和喷雾的贯穿距。图3.8液滴和喷雾贯穿距说明：图3.8在200-1bar-10bar条件下，液滴和喷雾的贯穿距。上面四组图片是用Fire计算的结果，图中分别表示的是液滴和喷雾的贯穿距。其中每条线代表一个喷嘴曲线，实现是计算的结果，虚线是实验的结果（实验结果均为参考文献内容）。由上面四组图片可以看到，几条曲线合为一条曲线，说明计算结果和实验结果大致上时一致的。（相同喷油压力，相同缸内压力，不同温度对喷雾贯穿距的影响。）3.4环境压力对喷雾贯穿距的影响图3.9液滴和喷雾贯穿距说明:图3.9在25-1bar-10bar条件下，液滴和喷雾的贯穿距。 图3.10液滴和喷雾贯穿距说明：图3.10在25-3bar-10bar条件下，液滴和喷雾的贯穿距。上面两组图片是用Fire计算的结果，图中分别表示的是液滴和喷雾的贯穿距。其中每条线代表一个喷嘴曲线，实现是计算的结果，虚线是实验的结果（实验结果均为参考文献内容）。由上面两组图片可以看到，几条曲线合为一条曲线，说明计算结果和实验结果大致上时一致的。从上图可以看出，随着环境压力的升高，喷雾贯穿距离减小。在喷射压力不变的情况下，环境压力的升高，一方面导致喷孔两端的压力差减小，引起喷雾液滴的初始速度减小；另一方面引起环境气体介质的密度增大，喷雾液滴与气体介质间动量交换增加，造成喷雾的动能损失增加，迎风阻力增大，液滴运动的速度进一步减小，从而导致贯穿距离的减小。同时从参考文献中了解，环境压力会对喷雾油束形状产生很大的影响：当环境压力较低时，喷雾基本呈中空圆锥形结构，油束分布宽广且喷雾锥角比较大；而当环境压力较高时，整个喷雾油束呈现出实心圆锥形结构，喷雾在空间分布逐渐收缩，油束分布紧密，喷雾锥角明显减小。3.5喷油压力对喷雾贯穿距的影响 同上面两类分析一样，讨论喷油压力对喷雾贯穿距的影响，必须在保证其他两个条件不变的情况下，才能得出准确的结果。图3.11液滴和喷雾贯穿距说明：图3.11在25-3bar-10bar条件下，液滴和喷雾的贯穿距。 图3.12液滴和喷雾贯穿距说明：图3.12在25-3bar-10bar条件下，液滴和喷雾的贯穿距。上面两组图片是用Fire计算的结果，图中分别表示的是液滴和喷雾的贯穿距。其中每条线代表一个喷嘴曲线，实现是计算的结果，虚线是实验的结果（实验结果均为参考文献内容）。由上面两组图片可以看到，几条曲线合为一条曲线，说明计算结果和实验结果大致上时一致的。贯穿距离随着燃油喷射压力的提高而增大，这是因为燃油离开喷孔时的速度与喷孔两端压差的平方根成正比，保持燃烧室压力不变，提高燃油喷射压力意味着增大了喷孔两端的压差，从而增大了喷雾液滴的速度，贯穿距离因此而增大。喷雾锥角随喷射压力的提高有所增大，但其变化远不如贯穿距离那么明显。从参考文献海可以清晰地看到喷雾油束的两侧边缘存在两个相对旋转的涡流结构，形成空气卷吸。随着喷射压力的升高，喷雾场中液滴的速度逐渐增大，加强了与周围空气之间的动量交换，使得空气的运动速度增大，并且涡流的范围也越来越大，加快了燃油和空气的混合。因此，提高喷射压力对混合气的形成是有利的。 4结论本研究通过对乙醇汽油的物性测量、 计算及喷雾特性测试试验和 CFD 仿真,研究了在不同条件下乙醇汽油的喷雾特性，本文针对喷雾特性的一个重要性质-贯穿距做了大量的分析与计算，并得到了一下结论：1. 注入压力越大，贯穿距离越大。2. 参考文献 1 Maclean L H , Lave B L. Evaluating Automobile Fuel/Propulsion System TechnologiesJ . Progress in Energy and Combustion Science, 2003, 29(1) : 1-69.2 王松汉.石油化工设计手册M.北京:化学工业出版社,2002:818.3 Xu M, Porter D, Daniels C, et al. Soft Spray Formation of a Low-pressure High turbulence Fuel Injector for Direct Injection Gasoline EnginesC . SAE Technical Papers 2002-01-2746.4 曾东建,杨建军,姚英.不同比例乙醇汽油蒸发性试验研究J .小型内燃机与摩托车, 2008, 37(1) : 71-74.5 蒋德明,夏来庆,袁大宏,等.火花点火发动机的燃烧M .西安:西安交通大学出版社,1992.6 黄勇成.周龙保,赵慧,等.缸内直喷周向分层燃烧系统燃用醇类燃料的试验研究J .内燃机学报 , 2000 , 18(1) :63 - 67.7 周龙保.内燃机学M .北京:机械工业出版社,1999 :94 - 9618 黄勇成.缸内直喷灵活燃料发动机的性能和燃烧特性的理论与试验研究D . 西安:西安交通大学,200119 Box G E P , Jenkins G M. Time series analysis. 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