本文针对柴油机的燃油喷射雾化混合过程进行了深入的理论与实验研究。主要内容集中在影响燃油喷雾混合相关过程的机理分析及模型的建立上,并在此基础上进行了喷雾混合过程的多维数值模拟。 为深入研究燃油喷雾的雾化机理,本文将雾化问题的研究范围拓展到喷雾上游边界-喷嘴内部流动。采用两相流混合模型与燃油空穴模型相结合的 CFD(计算流体力学)模拟方法,对不同条件下喷嘴内部的流动情况进行了多维数值模拟研究,为下一步的燃油喷雾模拟提供了较为详实的边界条件。研究结果表明:在较高的喷射压力下柴油机喷孔内的燃油流动状态一般为完全空穴流。而完全空穴流的流动结构,可以划分为两个区域:喷孔中心的液体区和近壁的空穴区,这种流动结构对喷雾雾化产生不同于常的影响。这一研究结论进一步加深了对喷雾雾化机理的理解。 在分析已有的各种雾化机理假说的基础上,结合近年来国内外对近嘴区域喷雾结构的细致实验观察得出的结论,以及对喷孔流动结构的分析,本文提出了一个新的喷雾雾化概念模型:认为在柴油机燃油喷射雾化中,空穴、湍流和空气动力的共同作用是促成射流雾化的动因,并根据各种机理作用区域的不同,将喷雾雾化过程分为一次雾化和二次雾化两个雾化阶段。从能量的角度出发,本文首次建立了空穴和湍流诱导一次雾化模型,模型描述了燃油从喷嘴内的连续流到近嘴区域的稠密喷雾的转变过程,反映了空穴及湍流的雾化作用机理。新模型计算了液滴二次雾化模拟所必须的初始条件,如液滴的尺寸、位置和各速度分量。值得一提地是,还考虑了喷孔内部流动结构中空穴分布位置的影响,使得模型具有模拟非轴对称结构喷雾的能力。从空气动力作用引起的液滴表面不稳定波理论出发,将 KH 和 RT 两种不稳定波破碎理论相结合,本文提出液滴二次雾化模型,较为全面地反映柴油喷雾中液滴发生的各种破碎类型。本文雾化模型用于三维CFD 程序 KIVA3V 后,得到了实验的验证,结果表明:模型能较为准确地模拟喷嘴内部的空穴和湍流流动对喷雾雾化的影响。 在综合研究液滴碰撞的有关实验文献后,考虑了液滴碰撞后的反弹、聚合、反溅分离和摩擦分离四种情况,及环境压力对液滴碰撞反弹的影响,本文建立了新的液滴碰撞模型。该碰撞模型解决了 O’ Rourke 模型计算的喷雾前端液滴由于聚合频率较高而导致滴径较大的误差。另外,本文的碰撞模型还改进了碰撞粒子液滴数密度的计算方法,并首次引入粒子半径的概念,根据粒子的动量守恒关系求解粒子液滴数密度,正确反映了液滴数密度随喷雾发展逐渐变小的过程。这样,新模型在碰撞概率上就表现为在喷雾稠密区大,在稀薄区小的特点,这同时还解决了 O’ Rourke 模型在碰撞概率计算上存在的 I<WP=5>网格依赖性问题。系统地研究了基于 DDM(离散液滴模型)的喷雾模型的数值计算收敛性问题,发现喷雾计算结果具有网格依赖性。究其原因在于:准确计算离散液相的源项分布和连续气相流场两者所需的网格是矛盾的,在本质上这是一个不可协调的矛盾。本文通过修正近嘴区域的气液相对速度,以及改进 DDM 模型中的气液动量耦合算法,使上述矛盾在一定程度上得到缓解。本文利用定容室喷雾实验装置,对多种燃料的喷雾过程进行了高速摄影实测。应用本文提出的雾化理论分析实验结果,并通过与实验对比检验了本文所建立的喷雾模型。模拟计算结果与实验对比取得较好的一致,说明本文所进行的理论研究其结论是正确的,比较符合实际。