X射线相衬成像技术研究柴油机喷嘴近场初级雾化机理

利用上海光源X射线成像及生物医学应用光束线站的第三代同步辐射光源，采用X射线同轴相位衬度成像技术，建立由柴油机高压共轨喷油系统、单孔电控喷油嘴、可调压的定容弹组成的柴油机喷雾X射线同轴相衬成像系统，该系统可以模拟柴油机喷雾的工作条件：喷射压力(60-110MPa)、背压(4-8MPa)、介质温度(298K)、燃油温度(298K)。研究不同喷油嘴喷孔形状(R型、S型喷孔)、不同喷孔直径(0.17mm、0.25mm)、不同喷孔内壁粗糙度、不同喷孔长径比(2-10)条件下,喷嘴向静止介质（氮气、压力为4-8MPa）中喷雾时，喷油嘴近场喷雾油束破碎分裂的初级雾化过程；研究Re数、We数和气液密度比Q值对初级雾化的影响，探索柴油机喷雾初级雾化的雾化机理，寻找促进雾化混合的机理和方法，从而为提高柴油机的燃烧效率，降低有害物的排放提供新思路和理论依据。

项目利用X光相位成像技术研究柴油机喷雾近场的初级雾化机理，为此，课题组设计了64种不同结构尺寸（喷孔直径、长径比、入口圆弧）的喷油嘴，研究不同的喷射条件下，喷孔的几何特征尺寸对喷雾近场的初级雾化的影响。为进一步研究喷孔内空穴对喷雾雾化的影响，设计了可视化的二维喷孔，研究喷孔内不同的流态对喷雾雾化机理的影响。.为精确测量喷孔内部尺寸，利用上海光源(SSRF)的第三代同步辐射光源，拍摄了喷油嘴内部图像结构，可清晰地观测到包括压力室在内的喷孔内部结构，精确地测量喷孔的结构尺寸。.2010年课题组申请到三次机时，在上海光源X射线成像及生物医学应用光束线站(BL13W1)开展喷雾过程的拍摄，试验发现光源的光强只有美国阿贡实验室的1/1000，不能实现喷雾过程的超快成像。当时，与上海光源线站负责人讨论的结果是：BL13W1线站由单色光改建成白光线站，光强提高1000倍（美国阿贡实验室用的就是白光），估计2012年上半年可以建成。2011年上半年上海光源二期线站建设计划启动，取消了改造白光线站的计划。但二期线站建设中列入了超快线站建设计划，2015年可以投入使用。.与此同时，我们开展了理论建模的研究。首先应用CFD软件Fluent对孔内柴油流态及喷雾过程进行了模拟研究，研究喷雾贯穿距离、喷雾锥角、SMD等参数随不同背压、入射压力、不同长径比的变化规律，模拟计算结果与相关文献资料的结论吻合。.其次开展了喷孔内流态对喷雾的影响研究，模拟计算了单相流（无空穴现象）、空穴流、超空穴流喷孔内流动现象。设计制备了可视化的二维喷孔，利用2012年申请到的上海光源机时，实验拍摄得到喷孔内三种不同流态的稳态图像，虽然不能得到空穴发生壮大的发展过程（上海光源不能超快成像），但足以证明模拟计算的正确性。.接着开展了柴油的物性参数（表面张力、粘度、密度、饱和蒸汽压）和四个无量纲数（空化数、雷诺数、韦伯数和Ohnesorge数）随温度的变化规律研究，进一步研究物性参数对喷雾的影响。.模拟计算表明：空穴发生之前，柴油温度升高使柴油粘度降低从而使孔内流动速度增大；空穴流发生之后，柴油温度对于孔内流体速度的影响主要体现在空穴的发展程度上，柴油粘度影响相对变为次要。空穴的发展减小了液相的流动面积从而引起孔内流体速度增大；超空穴流发生之后，柴油温度对于孔内流动的影响很小。