超高压柴油射流雾化特性及前缘激波演变过程的实验研究

Diesel spray atomization characteristics and evolution of the leading shock waves under ultra-high injection pressure are analyzed systematically using experimental method in this study. With the ultra-high injection pressure fuel spray experimental device established by our research group, this study uses high-speed photography and laser particle analyzer techniques to analyze the structures and evolution of ultra-high pressure fuel spray when fuel injection pressure is greater than 300MPa. Effects of injection pressure, jet Mach number and nozzle diameter on the spray shape, penetration length, spray angle etc. are analyzed. Spatial distributions of the fuel spray under ultra-high injection pressure are discussed. Correlations between droplets SMD and injection pressure, jet Mach number, Reynold number and Weber number are carried out. Then the empirical models of spray penetration, spray angel and SMD are established. Using high speed photography and schlieren techniques, the structure of leading shock waves and its propagation characteristics are studied. In addition, this study also analyzes the leading shock waves evolution over time and the interaction mechanisms between shock waves and fuel spray. In conclusion, the fundamental study on the spray atomization of ultra-high pressure diesel spray is valuable to deepen the understanding of spray atomization of diesel engine and enrich the relative basic theory. Therefore, our study has theoretical guiding significance.

应用实验研究方法，对超高压柴油射流雾化特性及前缘激波演变过程开展系统深入的研究。借助课题组建立的超高压燃油喷雾实验装置，采用高速摄影、激光粒径测量技术，研究喷油压力大于300MPa时柴油射流结构及演变特性，分析喷雾形态、贯穿距离、喷雾锥角等宏观特性随喷油压力、射流马赫数Ma和喷孔直径的变化规律。研究超高压燃油射流雾化液滴的空间分布特性，分析燃油雾化液滴SMD与喷油压力、射流马赫数Ma、雷诺数Re和韦伯数We的相关性。建立超高压柴油射流喷雾贯穿距离、喷雾锥角及SMD等参数的经验模型。采用高速摄影和光学纹影方法，对射流前缘激波结构及其传播特性进行实验研究。分析前缘激波随时间的变化规律，探讨激波与燃油喷雾间的相互作用机理。深入开展超高压柴油射流雾化过程的的基础研究，有助于加深人们对超高压燃油射流雾化机理的理解和认识，丰富和发展燃油雾化的相关基础理论，具有重要的理论意义。

高压燃油喷射是改善现代柴油机燃油经济性和排放性能的重要措施。柴油喷射压力伴随着技术的进步在不断的提高。目前商用化喷油系统的最高喷油压力已经达到300MPa。本项目以超高压燃油喷雾（喷压大于300MPa）这科学问题为切入点，应用实验研究方法，对超高压柴油射流雾化特性及前缘激波演变过程开展研究。借助课题组建立的超高压燃油喷雾实验装置，采用高速摄影、激光粒径测量技术，研究了喷油压力大于300MPa时柴油射流结构及演变特性，分析了喷雾形态、贯穿距离、喷雾锥角等宏观特性随喷油压力、射流马赫数Ma和喷孔直径的变化规律。研究了超高压燃油射流雾化液滴的空间分布特性，分析了燃油雾化液滴SMD与燃油喷射参数之间的相关性。采用高速摄影和光学纹影方法，对射流前缘激波结构及其传播特性进行了实验研究。分析了前缘激波随时间的变化规律，并从现象学的角度探讨激波与燃油喷雾间的相互作用机理。研究表明，在室温条件下，超高压燃油喷雾的贯穿速率明显超过当地声速，显著高于常规喷雾。在10cm贯穿范围内，超高压喷雾的贯穿距离与时间关系近似线性。喷雾前缘出现弓形或斜激波，同时在喷雾体中上游区域还存在强度相对较弱的多重附体激波。前缘激波与附体激波均产生于喷孔出口区域。随着燃油喷射压力的增加，喷雾索特平均粒径SMD值趋于稳定，其临界喷射压力Pinj,cr约为200MPa。喷油压力为300MPa和400MPa时的喷雾动能衰减时刻（分别为启喷后90μs和70μs）出现要明显早于200MPa的情况。随着喷雾马赫数的增加，前缘激波角逐渐降低。深入开展超高压柴油射流雾化过程的的基础研究，有助于加深人们对超高压燃油射流雾化机理的理解和认识，丰富和发展燃油雾化的相关基础理论，具有重要的理论意义。