内燃机中附壁油膜-气泡微尺度两相流及油膜蒸发机理研究

It is a common phenomenon that the fuel film impingement on the piston wall of the internal combustion engine, which significantly effects engine emission characteristics. This project focuses on the detailed wall film evaporation processes, including the bubble formation, rise, mergence and break away from the film through the way of theoretical analysis, numerical calculation and necessary experiment. By using theoretical analysis, the bubble nucleation model and phase transition and heat transfer model are firstly developed to investigate bubble nucleation evolution and heat mass transfer characteristics. Furthermore, by using CFD method combined with the tracking interface technique, the second atomization mechanism of wall fuel film by droplets impingement and film boiling will be explored to improve the wall film evaporation model. The model is capable of reproducing the bubble nucleation in the fuel film, growth process and break away from the film. Finally, visual observation and local measurement of the transient film surface microstructure will be conducted using the High Speed Camera to reveal the second atomization mechanism and the bubble break characteristics. Relevant experimental data is used to verify the film nucleation and evaporation model and heat transfer model. This research will build theoretical foundation for promoting quick film evaporation, which has important theoretical and practical application value to decrease the emissions and improve the efficiency for the internal combustion engines.

内燃机中油滴碰撞壁面形成附壁油膜是常见的现象，并将明显影响内燃机的排放。本项目以内燃机中附壁油膜蒸发为研究背景，采用理论、计算和实验相结合的技术路线，探索与油膜蒸发相关的热物理微尺度问题。通过理论分析，研究油膜蒸发过程中气泡形核演化及热质传递特性，建立形核模型、相变模型和传热模型。应用CFD方法结合界面跟踪技术，再现油滴碰壁二次雾化，油膜内气泡形核、长大、合并和破碎历程，探索气液流动和传热传质特性，揭示气泡破碎产生的二次雾化机制，完善油膜蒸发模型。采用高速摄像测试手段，对瞬态油膜表面微观特性进行可视化观测，明确油滴撞壁二次雾化特性和气泡表面破碎规律，并对本研究提出的气泡形核、蒸发相变和传热模型进行有效验证。本项目旨在阐明油膜蒸发传热相变特性和影响因素的作用规律，确定促进油膜蒸发的有效途径。研究成果将为实现油膜快速蒸发奠定理论基础，对实现内燃机高效燃烧及降低排放具有重要的理论意义和实际价值。

内燃机中油滴碰撞壁面形成附壁油膜是常见的现象，并将明显影响内燃机的排放。本项目采用理论、计算和实验相结合的技术路线，全面深入地探索了与内燃机中附壁油膜形成及蒸发相关的热物理问题。首先，搭建了喷雾碰壁实验台，采用高速摄像、热重分析、纹影法等测试手段，完成了燃油喷雾特性实验、静止油膜蒸发实验、喷雾碰壁拐角处油膜分离破碎的实验。建立了改进的基于拉格朗日型的喷雾破壁、液滴破碎、油膜运动、传热和蒸发模型，分别针对进气道内低压单孔喷射、缸内高压多孔直喷、拐角处分离破碎等工况进行了数值研究。结果显示，改进的模型较原有模型可以更好地预测喷雾碰壁过程中油膜的运动、传热和蒸发特性。对于低压单孔喷射，增大喷射高度、喷油脉宽、喷射角度、喷射压力、壁面温度及空气流速等都会对油膜的蒸发起到促进作用。针对缸内高压多孔直喷，形成的最大油膜厚度为几十微米，壁面温度和环境温度的升高比喷射压力的增加对壁面油膜蒸发的影响更大。相比于常规喷雾碰壁的发展，油膜分离特性强烈地受到拐角角度的影响，较大的拐角角度会促进油膜分离。建立了油膜蒸发理论模型，完成了油膜蒸发的解析求解，发现附壁油膜的加热蒸发过程可以分为三个阶段，即初始表面迅速加热阶段，稳定加热蒸发阶段和末尾阶段。应用CFD方法结合界面跟踪技术，对单液滴碰撞，单液滴碰撞液膜，双液滴碰撞液膜等过程进行了系统研究，分析了表面张力、惯性力、重力和粘性阻力等作用力对液滴碰壁后如粘附、铺展、反弹、破碎、飞溅、表面波等形态演化过程的影响。应用理论解析方法，建立了油膜内气泡成核模型和气泡生长演化模型，完成了气泡演化的解析求解，揭示了气泡破碎产生的二次雾化机制。通过以上实验、理论和数值研究，揭示了喷雾碰壁、油滴碰撞和气泡演化对油膜蒸发的作用机理和影响规律，明确了促进油膜蒸发的有效途径。研究成果为实现油膜快速蒸发奠定了理论基础，对实现内燃机高效燃烧及降低排放具有重要的理论意义和实际价值。