内燃机跨临界/超临界燃料喷雾混合过程的机理与模型

There are essential differences between transcritical/supercritical liquid jets and subcritical ones. Based on a comprehensive review of the research so far on the mechanism and modeling of the fuel spray and mixture formation process in direct-injection diesel engines, this proposal will explore in-depth the microscopic mechanism and macroscopic rules of the liquid fuel injection and mixing process under the transcritical/supercritical conditions through theoretical analysis, experimental measurement and numerical simulation. A multiscale modeling approach will be applied, namely, microscopically, a molecular dynamics simulation for the gas-liquid interface; mesoscopically, a direct numerical simulation for the transcritical/ supercritical gas-liquid mixing layer, and macroscopically, a large eddy simulation and experimental study for the transcritical/supercritical fuel spray mixing in both steady and transient combustion chambers. A new mathematical model for liquid fuel spray and mixture formation in the transcritical/supercritical environment, so called "Mixing Layer Regress" (MLR) model, will be innovatively established, and subsequently, a comprehensive model describing the fuel injection and mixture formation under all subcritical/transcritical/supercritical conditions in direct-injection engines will be formulated, providing a theoretical basis and technical reserve for the research and development of new type internal combustion engines with high efficiency and low pollution. Moreover, new knowledge about the interaction between the the nonlinear equation of state and transport properties and the turbulenct flow under transcritical/supercritical conditions will be acquired, making important contribution to the theories of thermodynamics, fluid dynamics and turbulence modeling.

跨临界/超临界下的液体射流与亚临界下具有本质的区别。本项目在全面审视迄今关于直喷式内燃机燃料雾化混合过程的机理与模型研究的基础上，通过理论分析、实验测试和数值模拟三大手段，深入探索跨临界/超临界条件下液体燃料射流混合过程的微观机理和宏观规律。应用多尺度方法，即微观上对气液界面现象的分子动力学模拟，介观上对跨临界/超临界气液混合层的直接数值模拟；宏观上对稳态与瞬态燃烧室内跨临界/超临界燃料喷雾混合的大涡模拟与实验研究，创新性地建立一个新的跨临界/超临界环境下液体燃料喷射与混合气形成的数学模型-"混合层回缩"（MLR）模型；并进而构建直喷式发动机亚临界/跨临界/超临界燃料喷雾混合过程的全工况统一模型；为新型高效清洁内燃机的研究与开发提供理论基础与技术储备。并获得有关跨临界/超临界条件下非线性状态方程及输运特性与湍流相互作用的新知识，对热力学、流体力学及湍流模拟等学科的发展具有重要理论意义。

本项目通过理论分析、实验测试和数值模拟三大手段，对跨临界/超临界燃油喷雾的特性与机理进行了较系统深入的多尺度研究。旨在探索跨临界/超临界条件下液体燃料射流混合过程的微观机理和宏观规律。.主要完成的工作包括：利用高速摄影技术 (包括直接摄影法、纹影法和阴影法)对高压定容弹和发动机燃烧室内从亚临界到超临界不同工况下的喷雾进行了测试，对跨/超临界环境下流体喷射与混合过程应用多尺度方法开展数值模拟, 微观下采用分子动力学模拟研究，介观下对气液混合层进行直接数值模拟，宏观上利用大涡模拟等CFD手段开展研究。.项目获得的主要成果有：.（1）.对跨/超临界环境下流体喷射与混合过程进行了系统的理论梳理，对其特性及有关参数的影响进行了较深入的分析，总结出相关的规律。.（2）.揭示了超临界下伪沸腾现象的宏观与微观机理。证明所谓超临界现象是一个随温度和压力变化的过程，超临界流体状态并非均匀分布的，而是类似于亚临界状态，可以分为划分为两个不同的区域，即一个与液体相似的区域和一个与气体相似的区域。提出了下临界点和上临界点的概念。.（3）.对气-液界面和混合层厚度等特性进行了较深入的研究，基于密度梯度分布定义混合层厚度并探索了其随工况参数的变化规律。初步建立了适用于跨临界/超临界燃油喷射与混合气形成的"混合层回缩"（MLR）模型。.研究工作达到了预期目标。探明了跨/超临界环境下流体喷射与混合过程的特性与机理，为跨/超临界环境下燃油喷射在内燃机中的应用提供了必要的理论基础和知识储备。本项目范围内共发表论文24篇。其中：国际期刊8篇，SCI收录8篇，EI收录14篇；培养毕业博士2人、硕士6人。