超近距撞壁喷雾雾化机理与分布特性数值研究

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燃油在燃烧室内的喷雾结构及其空间分布对柴油机燃烧与排放特性具有重要影响。喷雾撞壁现象一直以来是内燃机研究的焦点之一。近些年来,许多运用喷雾撞壁现象优化燃烧室内喷雾和油气混合状况的新型燃烧系统被开发出来。本文从有效减小喷雾液核区体积并改善喷雾空间分布的角度出发,积极合理的利用喷雾撞壁效应,应用三维CFD软件Star-CD进行模拟分析,探索在超近距条件下燃油射流撞壁的雾化机理与喷雾空间分布特性。首先,建立简化的油束撞壁模型,对超近距条件下不同入射角、不同喷孔直径、不同环境温度、不同背压下的撞壁喷雾特性进行了数值模拟研究。结果表明:在超近距撞壁条件下,随着入射角度逐渐变小,喷雾沿壁面贯穿距增加;随着喷孔直径的增大,喷雾沿壁面贯穿距离及最大速度减小;随着环境温度及背压的升高,喷雾沿壁面贯穿距离及最大速度下降。然后,基于改变撞击壁面几何形状的理念,分别建立了多片式导向套和多棱式导向套模型,模拟分析了两种导向套结构对燃油喷雾状况的影响,并与自由喷雾进行对比。结果表明:(1)自由喷雾以较小的扩展角扩散,燃油分布较集中,空气卷吸量小,位于油束中心的液核长度较大,且液核区域未遭到破坏,使其雾化效果较差,油束根部和前锋处均有较大直径的液滴存在;(2)多片喷雾相对于自由喷雾贯穿距减小,但喷雾扩散角、喷雾最大宽度及喷雾铺展面积均明显增加;由于液核区遭到破坏,多片喷雾液滴分布范围比自由喷雾广,但喷雾根部和前锋处仍有较大直径液滴,喷雾前锋处出现左右液滴大小不均匀的现象;(3)多棱喷雾的贯穿距进一步减小,油束由于撞击到导向棱而分裂为两束较细油束,因此喷雾扩散角、喷雾最大宽度相应增大;但是由于贯穿距损失较大,使得喷雾铺展面积相对于自由喷雾变化不大;多棱喷雾液滴雾化效果良好,分布均匀,仅油束根部液滴直径较大。
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