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原文传递船用低速机近场喷雾特性数值研究

论文题名：	船用低速机近场喷雾特性数值研究
关键词：	船用低速机;近场喷雾;内部流动;孔内空化;数值模拟
摘要：	面对日益严苛的排放限制法令，提升船机效率当前已成为各国政府与柴油机研制厂商广泛关注的焦点问题。柴油机功效以及排放性能均与燃油雾化水平密切相关，这敦促科研人员不断改善喷射系统和雾化质量，在提高船机燃油经济性和燃烧效率的同时降低废气排放。燃油近场射流雾化过程及稳定性不仅受气-液两相速度差引起的气动力和表面张力影响，还与喷油器内部空化与湍流流动有关。本文基于OpenFOAM，在欧拉-欧拉框架下结合界面压缩技术，在更接近实际运行工况的高喷射压力和高环境压力条件下，对某船用低速机喷嘴展开孔内流动和初次破碎的耦合数值研究。主要工作如下：　　（1）喷孔内部流动特性数值研究。首先，基于修正的Schner-Sauer空化模型描述孔内空化现象。其中，气泡半径充分考虑了初始的气核体积，且气泡数密度不在依赖经验被设置为常量。将数值模拟结果与试验观测图对比后发现，修正的空化子模型可以如实地反馈孔内微气泡的实际演变过程。此外，发展中空化为该船机喷嘴内主要发生的空化类型，无空化到发展中空化，起主导作用的无量纲数为空化数；发展中空化过渡至超空化主要起作用的是雷诺数。其次，利用大涡模拟求解混合流体湍流方程，在相同的压差作用下，小孔径喷孔出口空化范围更广阔，径向扩散趋势明显，出口湍流扰动更强。　　（2）定量分析了空化、湍流以及气动力对初次破碎的影响。射流破碎的验证结果表明，耦合数值模型可以清晰地捕捉液带掐断以及大液滴剥离等细节。此外，较传统VOF模型而言，耦合数值模型的计算结果和试验值更接近，精度更高。当孔内流动达到超空化后，空化效应对初次破碎的影响趋于平稳，同时云空化在孔口出的溃灭对近场雾化也有着积极地影响。在由内部流动和气动力共同主导的主喷雾区，高喷射压力下孔口处具有更强的湍流涡结构，油束承受的气体卷吸作用更剧烈，从而产生了更强的轴向涡流和直径更小的射流。在气动力主导的伞状头部破碎区，提高喷射压力将导致气-液相间速度差变大，拖曳阻力变强，初次雾化质量更佳。　　（3）重质燃油是船舶广泛采用的工质之一，高粘度特性使其通常雾化质量不佳。本研究在三种不同的预热温度下开展了重油喷孔内流和初次破碎的耦合数值研究。研究结果表明：重油加热至394K时有一定量的微气泡在喷孔入口处发生，其余两种加热温度下，孔内压力沿着流向近似线性减小并维持在对应饱和蒸气压以上。液柱破碎角与射流长度均随预热温度的升高而增大。此外，归因于较大的表面张力，重油在354K时表面波发展迟滞；加热至394K时表面波已初具规模，随着流动的持续，表面波的振幅和波长开始增加，颈部开始塌陷。雾化质量随温度的升高得到改善。
作者：	潘业俊
专业：	热能工程
导师：	尹洪超
授予学位：	硕士
授予学位单位：	大连理工大学
学位年度：	2022