船用发动机微观喷雾碰壁特性和宏观油膜形成与演化机制的基础研究

The development of the shipbuilding industry is of great significance for enhancing China's overall national strength and realizing the great strategy of “going out”. However, the problem of insufficient localization capacity of marine engines has seriously restricted its developments. In order to achieve the global control and optimization of spray atomization in marine engine，based on the microscopic droplet dynamics characteristics and fuel film formation mechanism, this project is proposed. Through two optical diagnostic techniques – PIA (particle image analysis) and RIM (refractive index matching), the two key issues of “droplet-wall breakup characteristics” and “fuel film formation and evolution mechanisms” can be solved at the micro and macro levels. At the same time, by combining the droplet dynamic characteristics with fuel film, the multi-droplets wall-impact model can be established based on the existing single-droplet wall-impact model. The variation law between the fuel spray flow characteristics in the cylinder space before and after impingement on the wall with adhered fuel formation are explored, then the influence mechanism of the multi-droplet wall impingement is revealed. The results of this research provide the theoretical guidance for the optimal design and development of the marine engine fuel spray.

船舶工业的发展对于提升我国综合国力，实现“走出去”的伟大战略具有重要意义。然而船用发动机国产化能力不足的问题严重制约了其发展。为了实现船用发动机喷雾雾化特性的全局控制与优化，本项目提出了基于微观液滴动态喷雾特性与宏观喷雾油膜形成机制的基础研究课题。通过利用光学诊断技术-PIA(particle image analysis)和RIM（refractive index matching），在微观和宏观两个层面上，分别解决“液滴碰壁破碎特性”、“油膜形成与演化机制”两大关键问题。同时将液滴动态特性与油膜变化相结合，在已有的单液滴碰壁模型的基础上，建立多液滴碰壁模型。探求碰壁前后缸内空间油液流动特性表征参数与碰壁后形成的油膜之间的变化规律，揭示多液滴碰壁的影响机理。其研究为我国船用燃料发动机喷雾优化设计开发提供理论指导。

船舶工业的发展对于提升大国综合国力，实现“走出去”的伟大战略具有重要意义。然而船用发动机国产化率欠佳，综合能耗较高的现实严重制约了我国成为海洋强国战略。为了实现船用发动机喷雾雾化的控制与优化，本项目提出了基于微观液滴动态喷雾特性与宏观喷雾油膜形成机制的基础研究课题。利用RIM(refractive index matching)方法探求了油膜形成与演化机制，掌握了不同热力学工况下的液膜形成规律。同时对比分析了蒸发态与非蒸发态下液膜特性从而归纳了液膜蒸发“时间寿命”理论，得到喷射压力会缩短液膜“寿命”，提高环境压力可以延长液膜“寿命”的重要结论。此外，借助光学诊断技术-PIA(particle image analysis)解决了液滴碰壁破碎特性，讨论了微观下撞壁喷雾液滴在准稳态和喷射结束后液滴的尺寸和速度等参数的分布特性。获得了撞壁前，液滴的数目沿着轴向方向呈“M”型分布；撞壁之后，液滴的数目沿着垂直距离呈“＞”分布的重要结论。同时，利用自主设计的喷雾“切片”装置，攻克了液滴稠密区无法观测的难题。最后结合液滴动态特性与油膜变化规律，根据已有数据对比分析了前人已经建立的单液滴撞壁的模型发现干壁面撞壁模型不适用于喷雾。同时进一步发展推演，建立了简单的多液滴碰壁模型。研究结果和相关结论对于发动机结构优化与减碳降排具有指导意义；同时建立的喷雾撞壁模型为仿真建模工作提供了基础。基于本项目已经发表相关SCI论文11篇，2本英文专著，获批实用新型专利1项。在项目执行期间，项目负责人获得日本广岛县知事赏和日本先进能源高度利用中心优秀论文赏2个国际奖项。同时被聘为国际期刊Sustainability (IF:3.889) 和Applied Sciences (IF:2.838) 的客座主编与国际期刊Green Energy and Resources, GER 国际青年编委。此外，依托于课题项目和成果，负责人被聘为中国内燃机协会第九届理事会青年工作委员会委员。更感谢本课题的资助与支持让我对于船舶动力有了更加深入的了解与认识，更进一步拓展了研究领域，对于未来科学研究奠定了坚实的基础。