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原文传递高功率密度船用柴油机喷嘴空化可视化实验与数值模拟

论文题名：	高功率密度船用柴油机喷嘴空化可视化实验与数值模拟
关键词：	船用柴油机;燃油流动;透明喷嘴;空化化可视化
摘要：	柴油机拥有较高的热效率和燃油经济性，并且具有良好的运行稳定性，被广泛的应用于陆地交通、船舶运输、工程建设乃至军用领域。随着中国排放法规的日益严苛以及基于碳中和的节能减排要求，改善柴油机燃油喷射特性以优化柴油机燃烧和排放性能，已经成为内燃机行业的重大需求。而喷油器的空化特性又是影响柴油机喷射特性的极其重要的一环，喷孔内部的空化现象会显著降低喷嘴内燃油流量与射流速度，继而影响喷雾雾化特性，同时空化气泡周期性溃灭所产生的瞬态冲击会损坏喷嘴结构，对整个柴油机热效率与使用寿命带来不良影响，因此针对喷油器的空化特性研究至关重要。本文的研究对象为某高功率密度船用柴油机副喷油器，该喷油器在实际使用过程中出现了严重的空化现象，燃油喷射性能远低于预期，并在长期工作后喷嘴内壁结构因空蚀而损坏。本文针对该研究对象，通过可视化试验与数值模拟相结合的方式，深入研究不同射流参数与喷嘴结构因素对喷油器喷嘴内空化生成与发展特性的影响规律，并根据空化演变机制提出喷嘴结构优化方向。全文主要工作内容与成果如下：　　（1）设计并搭建了配备高压共轨燃油喷射系统的喷孔空化可视化试验平台，采用有机玻璃加工了基于真实喷嘴尺寸的透明喷嘴，配合显微高速摄像机进行喷孔内燃油两相流场的观测，定义空化参数并通过图像后期处理实现喷孔内空化特征的定量研究。　　（2）考察了整个喷油过程中空化的时空演变规律，深入研究了不同喷油脉宽、喷射压力、喷孔长径比下的喷孔内空化的生成、发展以及流场两相分布状态。研究表明，喷孔内空化不受喷油脉宽影响，喷射压力与喷孔长径比的增大会促进喷孔入口处空化的生成与发展，喷孔内空化程度显著提高，同时喷孔的倾角越大孔内空化越剧烈。　　（3）建立船用喷油器喷嘴流场的CFD模型，通过数值模拟探究实际工况下喷射压力、无量纲化粗糙度，无量纲化喷孔圆角，针阀开度对喷孔内燃油流动特性，空化区域体积与分布的影响规律，针对不同参数分析空化形成机理的异同。研究表明，喷射压力增大会提高空化的生成与流动速率；圆角的存在会削弱喷孔入口处燃油流动的突变幅度，进而降低气泡生成速率，抑制空化发展；粗糙度的增大会增加流动阻力，同时会抑制喷孔内空化的发展，这种阻碍作用使流场内两相流动较为复杂，整体上使喷孔燃油流量降低；针阀与针阀座间的燃油会因节流作用而在密封面区域产生局部空化，针阀开度增大后密封面处压力上升、空化完全消失，同时喷孔内空化特性进入准稳定状态：喷孔倾斜角度越大，燃油进入喷孔时流向突变越剧烈，进而促进了喷孔内空化的产生。同时根据空化模拟结果，提出喷嘴结构的优化方向。
作者：	吕嵩
专业：	动力工程
导师：	王兆文
授予学位：	硕士
授予学位单位：	华中科技大学
学位年度：	2021