柴油温度对柴油机喷嘴孔内流动特性影响研究

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在柴油机中,燃油的喷射、雾化性能对于发动机的燃烧和排放具有关键性作用。鉴于此,国内外学者对该领域的研究十分关注,并对燃油喷射雾化机理进行了深入的研究。经过学者们长期不懈地努力,人们逐渐认识到液体射流分裂雾化是多种因素综合作用的结果,空气动力、喷孔内的空穴现象和湍流扰动是三个基本原因。目前只有在空气动力不稳定性的研究上比较成熟,因此进一步研究喷孔内部流动现象非常有必要。现阶段的研究成果基本上确定了喷嘴空穴流的宏观结构及其影响因素。但是,迄今绝大多数有关喷孔内空穴流的研究、尤其基础研究工作都是在固定温度条件下来进行研究的。事实上,实际发动机工况是变化着的,喷嘴内燃油温度约在0℃到150℃范围内变动。在不同工况下,柴油的物性参数如表面张力,粘度,密度,和饱和蒸汽压随着温度的变化相应会有变化,进而会对孔内流动以及喷雾性能产生影响。本文分析了柴油物性参数如蒸汽压,粘度,表面张力和密度随温度的变化关系,柴油蒸汽压随温度升高而升高,在四个物性参数中随温度变化幅度最大;其次是柴油粘度和表面张力,其随着温度的升高而降低;柴油密度随温度升高而降低,在四个参数中变化幅度最小。探讨了空化数,雷诺数,韦伯数和OH数随温度和喷射压力的变化规律,其中空化数随着温度的升高而增大,这是因为空化数增大意味着蒸汽泡数量增多,而气泡的增长速率是受燃油和蒸汽的热力学性质所决定;雷诺数和韦伯数均随着温度的升高而增大;Ohnesorge数包含了主要的柴油物性,随着温度的变化规律与粘度相近,且其与喷射压力无关。最后,利用CFD模拟软件选取了三个喷射压力值和四个温度点对喷孔内流动进行了计算模拟,并得到以下结论:1、柴油温度升高,孔内流动的空穴程度增大,从而引起质量流量的减小2、柴油温度的升高大大提升了空穴的发展空间,空穴能够得到更充分的发展,延伸至更远的距离,这可能要归因于柴油温度的升高显著提升了柴油的蒸汽压力,从而引起孔内更多的空穴存在;3、在空穴流发生之前,柴油温度升高,能量增大以及粘度降低是孔内流动速度增大的主要原因,在空穴流发生之后,柴油温度对于孔内流体速度的影响主要体现在空穴的发展程度上,柴油粘度影响相对变为次要。空穴的发展会引起孔内流体速度增大,这个现象可能是由于空穴的发展在很大程度上减小了液相的流动面积;4、超空穴流发生之后,柴油温度对于孔内流动的影响很小。
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