燃料单液滴及喷雾撞击机油液膜特性试验和数值模拟研究

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随着缸内直喷汽油机的小型化和喷射压力不断提高,发动机燃烧室内燃料喷雾撞壁现象加剧,燃料喷雾撞击缸套导致机油稀释会造成拉缸现象,损害发动机;喷雾撞击缸套机油液膜导致机油液滴从壁面剥离也被认为是导致早燃与爆震的原因之一。在此背景下,本文开展了燃料GDI喷雾撞击机油液膜试验,在此基础上进行了燃料单液滴撞击机油液膜的试验与仿真,研究了燃料液滴撞击机油液膜的交互作用,为解释实际发动机中机油稀释和早燃形成原因以及完善喷雾撞壁模型提供理论依据。使用了激光诱导荧光法(LIF)和高速摄影法,将撞壁后的机油流动特性分为三类:堆积稀释,中央液柱,破碎飞溅。定性得分析了喷射压力,机油液膜厚度,机油粘度对撞壁现象的影响,得到以下结论:(1)燃料喷雾撞击机油液膜会稀释机油形成较厚的堆积液膜。(2)提高喷射压力会促进机油液滴飞溅。(3)机油粘度的提高会抑制机油液膜流动和飞溅。(4)当机油液膜厚度增大至50μm时,机油液膜会形成飞溅机油以及中央液柱。通过LIF和高速摄影的方法进行了燃料单液滴撞壁的试验,将燃料液滴撞击机油液膜壁面现象分为指环型,稳定冠状,冠状飞溅,冠状破碎飞溅,定量的分析了燃料液滴韦伯数(Weber),机油粘度μ,无量纲机油液膜厚度δ对无量纲冠状高度H*的影响,得到以下结论:(1)H*随着Weber的增大而增大,Weber为1500时会形成冠状破碎飞溅造成冠状提前破碎消失。(2)μ的增加会降低冠状的最大高度并减少冠状存在时间。(3)随着δ的增加,冠状最大高度先增大后减小,在δ=0.3工况下达到最大高度,δ=0.1工况下的冠状冠顶直径大于冠底部直径,会形成破碎冠状飞溅,冠状存在时间随δ增大而增大。(4)拟合了单液滴撞击不同粘度的相容液膜的飞溅经验公式K=We Oh-0.4δ-0.3,飞溅临界值常数K=3548。使用Volume of Fluid模型与组分输运模型对燃料液滴撞击机油液膜进行了仿真计算,对撞壁后的速度和压力场以及燃料与机油的混合过程进行了定量分析,结论如下:(1)冠状的形成是由于燃料和机油的混合区域形成较高的滞止压力,推动混合液体沿着轴向生长。(2)高Weber会提高撞壁期间的流动速度,并造成冠状结构中燃料质量分数减小。随着机油粘度的升高,流动速度下降,冠状中燃料质量分数增加;撞壁初期速度场主要受Weber影响,受μ的影响较小,撞壁后期速度场主要受μ影响。随着δ减小,流动速度增大,冠状中的燃料质量分数增大,δ=0.5与δ=1工况下的初期撞壁过程的速度场差异较小。(3)随着燃料与机油混合区域径向速度梯度增大,颈部射流的轴向速度增大。
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