强湍流、机械振动及闪急沸腾诱导的射流破碎机理研究

长期以来，传统喷雾研究一直通过地不断增加喷射压力、减小喷孔直径实现喷雾质量的提升。近年来，一些产生高质量喷雾的新观念不断的引起了研究者的重视，主要包括复杂喷嘴结构产生的内部强湍流喷雾，机械振动引起的喷嘴内部强扰动喷雾，由高温引起的闪急沸腾喷雾。但是，这些喷雾形成机理与传统喷雾形成机理之间的区别尚未阐明。本课题通过建立多种雾化机理共存的实验系统，采用X射线同轴相位衬度成像技术，获取强湍流、机械振动及闪急沸腾诱导的射流初次破碎形态，找出这三种喷雾的典型破碎特征，定性的描述其机理。应用粒子显微阴影成像技术，获取喷雾二次破碎时的粒子直径，将表征湍流、机械振动和闪急沸腾的湍流强度、振动频率和过热度三个参数，在宽广的工况范围下与粒子直径相关联，确认各种工况下的湍流、扰动和闪急沸腾对射流破碎的贡献程度，导出经验关系式。最终建立多种因素共存时射流破碎的一般性认识，为新概念喷雾雾化机理的阐明提供重要依据。

高效、清洁的直喷汽油机燃烧系统必须对燃油喷雾破碎蒸发过程进行优化设计，以实现理想喷雾蒸发及其与燃烧室的匹配。为实现这个目的，本研究从两方面对喷雾破碎机理进行研究。首先，此项目在物理学家雷利提出的液体不稳定性理论的基础上，以实验方法对单束液柱的破碎进行系统研究，从而对破碎的机理进行系统的阐释。其次，设计搭建可视化直喷汽油机，对实际发动机缸内喷雾破碎蒸发过程及后续燃烧过程进行可视化研究。.在单束液柱破碎的研究中，考虑到液束破碎受到机械振动和喷嘴口形貌的影响，研究从振动模式以及喷嘴形貌两个方向展开。通过以圆形孔作为基础孔型，研究中发现，从无振动的自然破碎，到单一振动驱使下的破碎，再到双振动模式下的破碎，液束的破碎长度越来越短，液束破碎成的液滴越来越均一稳定。理论和实验上都证明，当所给电信号的强度越大，频率越接近理论最优破碎频率，两个信号相位差越小，占空比越接近50%时，得到的破碎长度越短。另一方面，通过将液体的孔型进行改变，得到与圆孔相近的趋势。值得一提的是，最优破碎频率和不同孔型的面积之间存在着根号反比的关系，并且，对于不同的孔型，另一个现象——长短轴互换效应，被观察到。通过实验，发现在孔型的长短轴差距越大，液束速度越大时，互换效应越明显。最后，通过计算机模拟，将仿真得到的液束破碎长度和实验值进行对比，将仿真的互换效应和实验图像进行对比，均得到了满意的效果。.在直喷汽油机这种高湍流、强波动、高瞬态的环境下，利用燃油喷雾特性实现稳定的工作循环以及高效的雾化效果，对于发动机性能提升和排放控制起着至关重要的作用。因此以燃油喷雾的雾化机理为研究对象，通过对燃油的温度、压力和周围环境气体的压力的控制实现闪沸喷雾。此外在不同发动机充气运动状态下也对缸内流场的波动性与涡流强度大小进行了研究，利用本征正交分解法对缸内流场的波动特征进行了分解，也将喷雾与流场相互作用的关系进行了定量地分析。最终将燃油喷雾的结构特征和燃油与发动机内流场运动的相互耦合关系以及燃油喷雾对燃烧稳定性和扭矩输出的关系进行了系统性研究，研究结果表明，闪沸喷雾相比于液态非闪沸喷雾能够大大地降低发动机的循环波动性并提供更高的燃烧效果。