详情

原文传递船用低速柴油机喷嘴内流及喷雾燃烧特性模拟研究

论文题名：	船用低速柴油机喷嘴内流及喷雾燃烧特性模拟研究
关键词：	船用低速柴油机;重油热物性;喷嘴内流;重油喷雾;燃烧特性
摘要：	国际贸易运输事业中海运仍然是占比最大的运输形式，船用低速柴油机长期以来以其经济性优势和对燃料的包容性成为了大型船舶的主推进装置。在排放法规日益严格的背景下，面对排放法规和燃油经济性的双重挑战，柴油机的喷雾燃烧优化是最根本的解决方案。作为影响柴油机油气室匹配的重要影响因素，船用低速机燃油喷射系统需要被给予足够的重视，其中针对船用低速机特殊喷嘴结构和大尺寸喷孔的燃油流动特性以及喷雾发展特征的研究是优化燃烧系统的关键，同时作为船用低速机经济性的保障，重油燃料热物性明显不同于常规的柴油燃料，其在船用低速机条件下的流动及喷雾研究也是优化燃烧系统的重要环节。为实现船用低速机优化燃烧目标，需要针对船用低速机的喷嘴内流特性以及重油喷雾发展特征开展深入研究。　　为充分考虑重油热物性对流动及喷雾的影响，本文首先提出一种可以表征重油热物性的计算方法，并建立船用低速机条件下的喷嘴内流和喷雾燃烧模型，从空化效应、工质流速和湍流效应等方面研究喷嘴内流特性及近场喷雾发展特征，最后围绕喷油方向、喷油背压以及环境温度等边界参数研究涡流环境中喷雾发展以及火焰传播路径等关键流场特征。论文主要研究工作如下: 　　(1)针对模拟研究中不完善的重油热物性表征方法，通过对重油热物性相关理论和关联式的研究，建立单组分重油热物性模型，在此基础上提出通过双组分替代重油表征热物性的计算方法，建立双组分重油热物性模型，并对比研究关键热物性参数受温度影响的变化规律。研究结果表明:双组分重油热物性模型更真实地反映了重油热物性特征。　　(2)开展大尺寸喷嘴内流及近场喷雾模拟研究，建立基于大涡模拟方法的喷嘴内流及近场喷雾模型，通过可视化喷雾研究的实验数据进行验证，并以一种船用低速机非对称多孔喷油器为研究对象，建立基于RANS方法的大尺寸非对称多孔喷嘴的全局流动模型，对比研究该结构喷嘴不同喷孔内部及近喷孔区的流动特性。研究结果表明:模型能够较准确地反映喷雾初期发展历程，且喷雾贯穿速度与实验值接近;正庚烷和柴油在喷孔内部流动过程中均产生了空化效应，而相同条件下以单组分替代重油模拟喷嘴内流的研究中，未捕捉到水力回流区和空化现象;受喷孔内部不同径向涡流的影响，喷油方向偏离了喷孔轴线，不同喷孔燃油射流的空间偏转角分别为13°、6.5°、7.6°和4.4°。　　(3)开展针对柴油和重油两种低速机主要燃料在船用低速机相似条件下的喷雾模型研究。为保证船用低速机喷雾模拟预测的准确性，修正初次喷雾破碎子模型，建立船用低速机相似条件下的柴油和重油喷雾模型，并通过喷雾贯穿距实验数据进行对比验证。验证结果表明:柴油喷雾模型可以较好地反映喷雾贯穿距受温度、压力以及涡流影响的变化规律，双组分重油喷雾模型真实地反映了低速机相似条件下重油的喷雾发展历程。　　(4)研究船用低速机相似条件下喷油方向等边界参数对喷雾发展及燃烧过程的影响，着重分析喷雾贯穿距、燃油蒸发速率以及索特平均直径等关键参数受喷油方向和喷油背压影响的变化规律，并对比研究船用低速机相似燃空比条件下的着火现象和火焰发展路径。结果表明:喷油方向偏离涡流运动方向的法向时，燃油容易获得更好的喷雾破碎效果;随着喷油背压升高，重油喷雾获得了更好的喷雾破碎效果，但高背压环境不利于柴油油滴破碎;中心对称的两束重油火焰射流受涡流影响较小，导致定容燃烧室中心区供氧不足，而柴油火焰射流在涡流影响下呈现出弧形运动轨迹，定容燃烧室中心区在燃烧初期存在富氧区。
作者：	高瑞锋
专业：	轮机工程
导师：	周松
授予学位：	博士
授予学位单位：	哈尔滨工程大学
学位年度：	2020