柴油机喷雾近场结构及非稳定性研究与初次雾化模型再构

The fuel spray characteristics is known important to the combustion and emission process in diesel engines and the primary breakup near the nozzle exit directly affect the subsequent spray development. But at present, the knowledge of mechanisms of primary breakup is not clear and the accurate primary breakup models need to be setup. Based on the previous fundamental researches on full-field spray characteristics and nozzle internal flow, the spray configuration near the nozzle orifice exit and surface instability of fuel liquid core will be investigated in this program. Focus on the near nozzle region in which the temporal and spatial scale is quite small, the synchrotron-based ultrafast phase-contrast X-ray and high-speed microscopic imaging techniques will be utilized to capture the surface perturbation and breakup process of liquid jet core. Tomo-PIV combined with PLIF will be implemented to measure the spray droplet velocity and concentration of near-nozzle field. And eventually the precise inner structure and shear layer instability characteristics of this region induced by turbulence, cavitation and ambient air flow will be acquired. Meanwhile, detailed simulation based on the two- phase flow theory will be performed to analyze the change of liquid jet core surface perturbation and breakup process of fuel liquid jet, which accounts for the turbulence, cavitation and aerodynamic interaction with ambient air flow. The results will be then used to reveal the physical mechanism of primary breakup of fuel spray and the accurate primary breakup models based on the KH instability mechanism will be setup to predicate the spray characteristics of actual diesel engine precisely.

柴油机燃油喷射雾化特性对其燃烧和排放性能至关重要，特别是近喷嘴区域的初次雾化对喷雾的发展起决定性作用，而目前对初次雾化机理的认识仍很缺乏，精确的初次雾化模型有待建立。在前期对全场喷雾特性和喷孔内部流动的研究基础上，本项目提出开展柴油机近场喷雾结构和液核表面非稳定性研究，针对时空小尺度喷雾近场区域采用X射线同轴相衬成像新技术结合长距显微高速摄影捕获喷雾液核区表面波形态和破碎图像，采用Tomo-PIV联合PLIF技术测试近场液核区速度场和浓度场，获取湍流、空穴和气流共同作用下的喷雾近场区域的内部精细结构和剪切层非稳定性特征；同时，运用两相流理论详细数值模拟湍流和空穴作用下，燃油射流在喷雾近场区域与气流相互作用后的液核区表面非稳定波变化特点和破碎形态。在此基础上，进一步揭示燃油喷射初次雾化机理，构建基于K-H非稳定性理论的精确初次雾化模型，为准确预测柴油机喷雾特性奠定基础。

柴油机燃油喷射雾化特性对燃烧性能至关重要，尤其是柴油机喷雾近场（近喷嘴区域）的初次雾化过程对随后的二次雾化特性和燃烧过程起非常重要作用，但初次雾化特性与燃油喷射压力、缸内气流、喷嘴内流以及喷嘴几何结构等因素密切相关，使得初次雾化过程的研究变得非常困难。本项目通过实验和模拟相结合的方法，加深对初次雾化过程的理解，以获取柴油机近场喷雾结构和液核表面非稳定波的发展规律以及建立精确的初次雾化模型。. 针对柴油机近场喷雾雾化机理与模型，完成了本项目的研究工作并取得预期成果：（1）建立了柴油机燃油喷射可视化试验装置，包括高速相机拍摄系统、燃油供给系统、定容装置以及光源等，并基于此试验装置，结合PIV和PDPA测试系统，构建了远场喷雾测试系统。获得了柴油机连续动态的近场喷雾图像以及近场喷雾锥角在喷雾各个阶段的发展规律和不同因素对其的影响，同时，开展了喷嘴结构对于近场喷雾特性的影响，并研究了远场喷雾的相关特性（喷雾速度场以及喷雾液滴的粒径分布）。重点研究了近喷孔区微观喷雾特性及表面波形成和发展过程，尤其是表面波的振幅和波长之间的变化规律。（2）构建了喷嘴内空穴流动及喷雾的可视化测试系统，采用长工作距离显微高速成像技术，获得了清晰的喷孔内部空穴发展及近喷孔区喷雾表面波结构图像。研究了不同针阀升程、不同长径比、不同倾角、不同压力室结构、不同放大比例喷嘴、不同燃油介质以及不同喷孔数目喷嘴内部空穴流动特性，及对近场喷雾的影响机理。（3）建立了欧拉-拉格朗日方法耦合喷嘴内流的喷雾模型。基于界面追踪方法，将喷孔外部视为空气相，喷孔内部为液、汽、气三相，运用多相流理论准确描述喷孔内部流动与喷孔近场喷雾特性，较好的捕捉到了喷孔内部空穴流动对近场喷雾特性的影响，计算结果与实验结果更为接近，并结合国际上近些年最新提出的ELSA（Eulerian-Lagrangian Spray and Atomization）方法，将近场欧拉喷雾和远场拉格朗日喷雾模型进行耦合，建立了耦合喷嘴内流的CAV-ELSA喷雾雾化模型解决了喷雾多尺度耦合问题，引入了喷嘴内流对初次雾化的影响机制。. 项目研究共发表国际期刊SCI检索论文10篇，国内核心期刊论文14篇，国际会议论文5篇，国内会议论文2篇；出版专著1部；授权国家发明专利8件；参加国际学术交流12人次；培养博士毕业生2名，硕士毕业生8名。