高压瞬态喷射诱导激波特性及其对近场喷雾的作用机理

The dramatic increase in injection pressure has brought in the difference in the fundamental knowledge on the spray process. The project is to study the near-field spray characteristics of diesel jets, mainly focusing on the effect of injection-induced shock wave. The advanced optical diagnostics are to be used, including ultra-high speed imaging and Phase Doppler Particle Analyzer (PDPA). The formation conditions of injection-induced shock wave and the features have been analyzed, including occurrence position, timing, duration, Ma number, the evolution of shock wave and detachment. The relationship between the fuel exit velocity and the occurrence of injection –induced shock wave are to be analyzed; the evolutions of injection-induced shock wave and the near-field spray characteristics in order to explore the impact of injection-induced shock wave on spray penetration; the microscopic spray structure of the interface between the shock wave and spray is to be studied. The evolution of droplet size and velocity impacted by the shock wave is investigated in order to analyze the effect of shock wave on the droplet atomization. This study is to find out the fundamental and new knowledge to the understanding of fuel spray process, but also a meaningful investigation on the optimization of diesel spray in modern diesel engines.

柴油机喷射压力的提高导致部分喷雾过程产生激波，传统的喷雾模型已不能完全适应现代内燃机的需要。本研究拟围绕高压柴油近场喷雾过程来展开，利用现有的相位多普勒激光测试技术（PDPA）、高速显微摄影等可视化技术，着重研究高压瞬态喷射诱导激波特性及其对近场喷雾过程的影响。探索喷射诱导激波的形成条件并分析其特征，包括发生位置，发生时刻，持续时间，马赫数，激波波形的演变，脱体时刻和脱体长度等参数，并分析喷嘴出口速度与激波出现时刻和位置的内在关系；研究不同边界条件下激波和近场喷雾贯穿距离的演化过程，以期探索喷射诱导激波对喷雾贯穿特性的影响规律；分析喷雾和激波分界面处油滴的显微结构，以及激波存在下的喷雾粒径和速度分布，解析激波对破碎过程的作用机理。本研究是对高压喷射中的新现象的基础性研究，同时也对现代内燃机喷雾扩散过程的优化组织有一定指导意义。

随着柴油机高压共轨技术的应用，柴油喷射压力逐渐提高，从而导致在喷雾过程中出现激波，该项目即以此喷雾诱导激波为背景展开。主要研究内容包括喷射压力和环境压力对激波强度的影响及其激波对喷雾过程的影响，同时也对激波不存在的情况下的喷雾过程进行了比较。研究结果表明，激波的产生在喷雾前锋面以及喷雾上游均会产生；利用CO2和N2分别作为环境气体来研究气体压缩性对喷雾过程的影响。在等气体密度的前提下，随着喷射压力的升高，不同气体下的贯穿距离变化趋势发生了逆转。在60MPa喷射压力条件下，CO2作为环境气体下的贯穿距离高于N2下的贯穿距离，当喷射压力提高至100以及120MPa时，两者的贯穿距离相当，而在150MPa时，贯穿距离明显低于N2氛围下的贯穿速率。这说明，随着喷射压力的增加，气体的前锋面速度逐渐增加，当超过一定马赫数时，喷雾贯穿过程中的阻力系数会骤然增加，从而导致贯穿速率的下降。该结果表明：在目前柴油机喷射压力逐渐提高的背景下，喷雾分析和建模需要考虑到气体的可压缩性，能量交换以及气体卷吸作用。另外，项目同时利用对喷雾的近场区域的喷雾发展过程进行了高时间精度的捕捉，结果表明：在初始阶段，喷雾前锋面出现了明显的加速过程。而整个喷雾过程可以根据喷雾前锋面到达最大速度的时刻（tpeak）分为两阶段。通过与广安博之提出的破碎时间（tbreakup）比对，证明了tpeak是一个更为有效的区分喷雾发展过程的方式；通过对不同燃油近场喷雾特性的比对，进一步发现残余燃油和新鲜燃油的相互作用（与燃油物性有关）对近场喷雾过程油会很大的影响；利用相位多普勒粒子测试仪测试了不同背压和喷射压力下的油滴直径，结果发现：油滴直径随喷射压力增大而降低，随背压增大而减小。通过对数据的进一步挖掘，表明：高喷射压力对雾化的改善主要是在于对油滴直径一致性的提高；作者试图利用CFD来解析喷雾过程气体压缩性对喷雾的影响，但未取得理想结果，模型及网格精度需要进一步改进。通过此项目的开展，对喷射诱导激波以及近场喷雾特性有了更进一步的认识，其对喷雾过程的建模以及高速射流与气体相互作用过程提供了有力的数据支撑。