大缸径船用柴油机喷雾宏观特性研究
Research on Spray Characteristics of Large Size Marine Diesel Engines
柴油机喷雾特性与燃烧室内的空气利用及混合气均匀性有着密切联系,是影响柴油机燃烧最重要的因素之一.目前国内外学者针对车用柴油机喷雾进行了大量研究,而对大缸径船用柴油机的喷雾研究较少.由于大缸径柴油机和小缸径柴油机喷孔尺寸差距较大,经大量简化和假设得到的经验公式或喷雾模型都有其适用范围,若不进行验证就直接对大缸径柴油机喷雾及燃烧进行预测往往会造成较大误差.因此,获得大缸径船用柴油机喷雾特性及适用的喷雾模型,为燃烧系统开发提供依据,具有工程应用价值和理论研究价值.本文主要开展了以下工作:(一)分析相关文献,以柴油机喷雾宏观特性(喷雾贯穿距,雾化锥角)为研究对象,确定了喷射压力、环境气体条件和喷孔结构为主要影响因素,通过定容弹喷雾测试平台进行试验研究.设计了11个试验对比方案,获取了不同条件下的喷雾图像,分析不同因素对喷雾宏观特性的影响规律.研究结果表明:(1)随着喷射压力由70MPa升高到160MPa,油滴喷射速度增大,同时油滴平均直径减小、阻力增大,因此喷雾贯穿距增大且增长幅度逐渐减小;而雾化锥角随喷射压力升高由减小的趋势;(2)充入N2或SF6使环境气体密度由11.5kg/m3升高到80.5kg/m3,油滴所受阻力增大,因此喷雾贯穿距减小;环境气体介质相同时,随环境气体密度升高气体与油滴相互作用增强,向径向运动趋势增加,雾化锥角增大;环境气体介质不同时,由于SF6的分子质量大于N2,虽然其密度更高但分子个数少,对油滴的破碎作用减弱,雾化锥角反而更小.(3)环境气体温度由298K升高到393K,在该温度范围内整个喷雾场的蒸发作用有限,因此喷雾贯穿距变化不大;而在喷雾场周围的细小液滴会随着环境气体温度升高而蒸发为气相,阴影测试法无法记录气相,因而造成记录下的雾化锥角减小.(二)在喷雾试验的边界条件范围内,利用三维仿真软件AVL-FIRE对比研究了WAVE和KH-RT模型,比较这两种模型在研究范围内对大缸径船用柴油机喷雾仿真预测精度,进而确定适用的喷雾模型.研究结果表明:对于本文定容弹喷雾试验,两种模型的仿真精度差别不大,而WAVE模型需调整的参数少,标定效率高,故选择WAVE模型为适用于大缸径船用柴油机的喷雾模型,并通过试验数据标定了关键参数C2的值.(三)利用标定的喷雾模型,对比分析了非蒸发与蒸发条件下喷雾特性的差异,并研究了蒸发条件下喷射压力、环境气体密度、环境气体温度以及喷孔结构对喷雾贯穿距的影响.研究结果表明:(1)非蒸发条件下,油滴蒸发缓慢,喷雾油滴一直向前发展达到计算域边缘而碰壁;蒸发条件下油滴大量蒸发,液相喷雾会有最大发展距离,而燃油蒸汽一直向前发展;(2)在环境气体温度800K的蒸发条件下,喷射压力由70MPa升高到160MPa,喷雾动能增大,因此气相贯穿距增大;虽然液相油滴的速度随着喷射压力升高而增大,但液滴平均直径小、蒸发速度快,存在时间缩短,因此最大液相贯穿距反而有减小趋势;(3)在环境气体温度800K蒸发条件下,环境气体密度由11.5kg/m3升高到54.5kg/m3,环境气体对喷雾的阻力作用增大,这种影响对气、液相喷雾影响是一样的,因此气、液相喷雾贯穿距均减小;(4)环境气体温度由600K升高到800K,对喷雾的运动速度影响较小,故气相喷雾贯穿距变化不大;随着环境气体温度升高,液相油滴蒸发速度加快,存在时间大大缩短,因此最大液相喷雾贯穿距急剧减小.(四)在本文的研究中,喷孔直径由0.94D增大到D(D为基准喷孔直径)、喷孔长径比由6.5增大到8.5(只改变喷孔长度)时,对雾化锥角影响较大,而在非蒸发和蒸发条件下对喷雾贯穿距影响都很小.可能是因为大缸径船用柴油机喷孔尺寸大,喷雾贯穿距对本文研究范围内的喷孔直径和长径比的变化不敏感.具体原因可下一步开展喷孔内部流场计算进行研究.本文采用试验结合CFD仿真的方法,掌握了自主研发的大缸径船用柴油机高压共轨燃油系统的喷雾宏观特性变化规律,完成了喷雾模型标定,为燃烧系统开发及优化提供了依据,为满足大缸径船用柴油机高效率、低排放性能要求奠定了基础,进而促进了节能减排目标的实现.
- 作者：
- 沈刚
- 学位授予单位：
- 中国舰船研究院
- 专业名称：
- 轮机工程
- 授予学位：
- 硕士
- 学位年度：
- 2016年
- 导师姓名：
- 平涛
- 中图分类号：
- U664.121
- 关键词：
- 大缸径船用柴油机；喷雾贯穿距；雾化锥角；定容弹；三维仿真
- Large Size Marine Diesel Engine; Spray Penetration; Spray Cone; Constant Volume Bomb; CFD;