4章1燃油雾化与油束特性-2010

第四章燃油雾化与油束特性高等内燃机学北京理工大学介绍内容一自由湍动射流二油束特性参数研究四单油滴蒸发过程五油束碰撞三油束分裂与雾化模型供喷油系统及喷油过程引言燃油雾化的重要性增加蒸发气化面积、增大燃烧率（~成正比）质量燃烧率~反比于油滴平均直径平方值。将3mm直径的油滴雾化成直径为30m的细油滴1百万颗（当前喷油容易实现），则燃烧率可增加1万倍。改善柴油机燃烧特性和排放特性保证起动可靠性引言复杂性1.动态过程(任一瞬间并不平衡)2.影响因素多。喷嘴结构、喷射压力、缸内压力、温度、气流……，各自的雾化机理不完全相同，雾化理论也不成熟。例如：较低压力的孔式喷嘴实心圆锥油柱的破裂；超高压喷油喷孔内就雾化；涡旋式阀座喷嘴空心圆锥燃油薄膜的破裂。3.气缸内油束生成、变化过程复杂。包括：油束雾化、油滴破裂、油滴碰撞和聚合、油束碰壁、燃油多种成分蒸发，等4.目前无法进行准确数值计算。上述过程发生的时间和空间标尺常常小于目前计算机容量所能允许的网格尺寸（统计法）。5.准确测量观测难。密集的油滴使激光技术的应用十分困难，因此描述油滴破裂、聚合等的动态过程的实验数据也很少。许多理论建立在假设的基础上。一自由湍动射流0iixu1.基本方程（不可压缩流体）1）连续性方程式中，括号内第二项为雷诺应力，反映的是湍流脉动对时均流动的影响。2）动量守恒方程——湍流时均运动方程（雷诺方程）''11jijijiijijiuuxuxxpfxuutu2恒定湍流边界层方程0)(1rrrxuvururrrfxuv1不可压缩流体、恒定轴对称边界层方程（适当简化，省略相对较小的项）1）连续性方程2）动量守恒方程——湍流时均运动方程（雷诺方程）0;0rpxp3普朗特混合长度理论-1925基本思想：将湍流脉动比拟于分子运动由于分子动量输运而引起的粘性切应力为：dydu与此相应，认为湍动引起的雷诺应力也可表示为：dyudutt其中，μt为湍动粘性系数或涡粘性系数3普朗特混合长度理论-1925如图为简单的平行流动，时均流速只是y的函数，当流体微团在A点湍动时，湍动波幅为ℓ（混合长度），x向的脉动速度可以表示成：dyudyuyuyuyuu))()()()((211111同时有理由假设，纵向脉动速度与横向脉动速度量级相当，即：dyud~)(yuy1ℓℓ)(1yu)(1yu)(1yuy0xA即：22~dyudu3普朗特混合长度理论-1925将上式代入雷诺应力比拟关系式，并考虑到符号关系，得：dyuddyuddyuddyudttt22涡粘性系数普朗特混合长度理论在自由湍流中的应用：)()(minmaxminmaxuukbdyuddyuduukbttt涡粘性系数k为常数，由试验确定；分别为轴向最大、最小时均速度；b为雾柱半径。minmax,uu即：ℓ~b为雾柱半径。|dū/dy|~(ūmax-ūmin)/b3圆形湍动射流待定系数—xrxxutt223222)4/1(4/)4/1(2初始段过渡段主体段势流核剪切层0虚源u0分裂长度（自模区）xrb∝x；um∝1/xμt∝bum=constr=0v=0,u/r=0r=∞u=0•初始射流与静止流体间形成速度不连续的间断面；•速度不连续间断面不稳定产生波动发展成涡旋引起湍动；•射流的卷吸现象；•射流的卷吸、扩散和掺混产生射流阻力射流边缘速度降低；•射流分成三段:初始段、过渡段、主体段4自由湍动射流的一般特性初始段过渡段主体段势流核剪切层0虚源u0分裂长度（自模区）•初始段：出口边缘（减切层）掺混、减速，保持出口速度的势流核的面积逐渐缩小，在初始段结束处减为零。•过渡段：在初始段与主体段之间，很短，常不考虑。•主体段：湍流充分发展以后的射流段。•主体段射流上下边界的延长线，交汇于o点——射流的虚源。•所有各断面上的无量纲速度分布重合度很高。4自由湍动射流的一般特性初始段过渡段主体段势流核剪切层0虚源u0分裂长度（自模区）（1）极稀薄区（边缘，远端）喷雾场外围，扩散至此的油已经雾化，而且很少，质量和体积均可以忽略，油滴之间无相互作用，可以只求解气相方程，以便考虑气流对油气的混合作用。（2）稀薄区（自模区，前段）油滴质量不可忽略、但体积所占比例小，可以忽略。油滴间距离远，可以不考虑油滴间的直接相互作用，可以通过交替求解气相和颗粒相的控制方程组，以体现两者之间的耦合。（3）稠密区（过渡段）需要考虑油滴间的直接作用（碰撞、聚合、破碎等）和间接作用（靠近影响），但是油滴以离散态出现。可以借助于统计力学的方法考虑碰撞问题。（4）翻腾流区（液核附近）油与气相当，甚至更多，油不能在空气中弥散开来形成油滴，而是以薄片、丝、网的形式出现。翻腾流是雾化过程的第一步。对揭示雾化机理有重要意义。5喷雾场分区二油束特性参数研究1.油束射程（对缸内气流弱的内燃机尤为重要）⑴对大缸径静止空气燃烧室，Dent（登特）公式为：4/12/104/129407.3ggTdtpL计算用时间为t，单位为s；喷孔直径为d0，单位为m；喷孔内外压降为Δp，单位为Pa；空气温度为Tg，单位为K；空气密度为ρg，单位为kg/m3。增长因素：t1/2、d01/2、Δp1/4；缩短因素：空气Tg-1/4、ρg-1/41.油束射程⑵对小缸径高速柴油机，新井（Rrai）公式：gbgbgbdLpdtpdtLL02/102/12/102/18.15/65.28034.0未减速的时间式中：当t≤tb油束射程与时间t成正比1.油束射程2/12/1095.2gptdL在有空气涡流时，油束射程L经修正为Lf当t≥tb油束射程与时间t的1/2次方成正比（与Dent公式相同，只是没有考虑Tg的影响）jfULLL/211/式中：ω为空气旋转转速，单位为1/s；Uj为起始喷油速度，单位为m/s。2.油束夹角4/122005.0ggdp式中：油束夹角θ以度º表示；喷孔直径d0单位为m；喷孔内外压降Δp单位为Pa；空气运动粘度νg单位为m2/s；空气密度ρg单位为kg/m3（ρg增加，油滴的聚合作用增强）。2.油束夹角油束夹角θ以度º表示；喷孔长度L单位为m；喷孔直径D单位为m；D/D0喷孔在入口处的直径收缩比；空气密度ρa单位为kg/m3；燃料密度ρl单位为kg/m3。3.破碎长度（分裂长度）破碎长度测试装置Lb—破碎长度m；D—孔径m；r—喷孔入口导角m；Pa—环境压力Pa；L—喷孔长度m；ρa—气体密度kg/m3；ρl—燃料密度kg/m3；Vi—喷射速度m/s4.油滴尺寸及其分布油滴尺寸测试装置4.油滴尺寸及其分布大部分的试验数据来自定容弹：积累油滴数分布CNF是ΔN=f1(Dd)的积分曲线：dddDDfCNF01)(积累油滴容积分布CVF是ΔV=f2(Dd)的积分曲线：dddDDfCVF02)(Sauter平均直径(SMD)、d32来表示整个油束的油滴细化程度：2332diidiiDNDNSMDd4.油滴尺寸及其分布主要需要知道：f1(Dd)，f2(Dd)，或CVF等的经验公式：a，b，c，q均为经验常数。)exp()(2qdbddDcDaDf积累油滴容积分布函数CVF一般应用Rosin-Rammles分布：qddiDDCVF0exp1式中：Dd0为参考直径，相当于CVF=1-exp(-1)=63.2%处的油滴直径。323323223exp5.13dDdDdDfddd索特Sauter平均直径Knight，1955（没有考虑空气密度的影响）916.0215.0209.0458.06)(10605.1efforfmtAAqpSMD式中：σ=0.03表面张力，单位为N/m；V每冲程喷油容积，单位m3/冲程；qm喷油率，单位为kg/s；Aorf油孔面积，单位为m2；A(t)eff有效喷孔面积，单位为m2。空气密度增加，SMD将增加（油滴的聚合作用增强）广安，1974131.0121.0135.031033.2gpSMD1982,1008.3737.0385.0737.006.054.06kotbElpSMDg索特Sauter平均直径1989年，广安提出新的计算SMD公式，它的适用范围是p喷射压力从3.5MPa~90MPa。式中：dj为喷孔直径，单位为μmjggeedWRSMD18.054.075.012.012.4（低压）jggeedWRSMD47.037.032.025.038.0（高压）三油束分裂与雾化模型燃油的破碎机理燃油的破碎机理的六个阶段（定性的角度）1.通过喷孔或环形缝隙，把燃油伸展成油柱或锥形空心油片；2.在油柱或油片的表面出现波纹和扰动；（空气分子的作用）3.在表面波和扰动的作用下，在油柱或油片的表面形成油线或空洞；4.油线的分裂或空洞的扩大产生较大的油滴；5.大油滴在各种外力（气体动力、表面张力、粘性力等）的作用下发生振动，分散成小油滴；6.小油滴之间的碰撞可能产生更小油滴或聚合成较大油滴。7.油滴可能碰壁，产生附壁、反弹等问题。无量纲参数射流或油束的三个无量纲参数1.射流Reynolds数：Rel=(U/)ldj液体惯性/粘性力2.射流Weber(韦伯)数：Weg=gU2dj/空气动力/表面张力3.Ohnesorge数Z：Z=We10.5/Re1=l/(ldj)1/2dj—喷孔直径；—表面张力；下标l表示液体；g表示气体油滴破裂状态分区用Rel和Z数作为坐标可以绘出各种油滴破碎状态的分区情况。它实际反映了作用在射流上的液体惯性、粘性力、空气动力、表面张力的不同组合而出现的4种破裂状态。Ⅰ区称为Rayleigh（雷利）破碎区，特点是油滴直径大于喷孔直径，破碎起始区位于几百倍喷孔直径长度的下游；Ⅱ区称为第一风生区，油滴直径与喷孔直径相当，破碎区位于许多倍喷孔直径长度的下游；Ⅲ区称为第二风生区，破碎区位于几倍喷孔直径长度处；Ⅳ区称为雾化区，油滴直径小于喷孔直径，在喷孔出口处即发生破碎；单油滴破碎条件由于高压射流进入空气，从而在液体和气体交界面上产生小扰动，小扰动的发展是产生液体破碎的主要原因。根据试验，单个油滴的破碎条件为：——气体的Re数影响油束特性的参数影响油束特性的参数：（Wisconsin-Madison大学的Reitz教授）（1）喷孔出口处的流动状态；（2）喷孔内部的孔穴效应；（3）射流速度和湍流；（4）液体与气体的物理和热力学状态，等。1.Taylor泰勒类比破裂模型—TAB模型用研究质点振动的方法类比地研究油滴破碎问题。设油滴直径为a，振幅为x，若xa，则认为油滴破碎，套用单质点振动的公式：惯性力+阻尼力(粘性力)+恢复力(表面张力)=干扰力(空气动力)忽略较小的阻尼力和恢复力，并将油滴破碎条件x=a代入得：（t=0,x=0）212233285aUxdtdxadtxdagataUxg221)/(3/1由此得油滴空气动力学破碎的最小滞后时间为：2/11))((732.1gbUat高速油滴破碎机理实际油滴在气缸内由于空气阻力以及燃油蒸发，U