喷嘴空穴流动机理及其对二甲醚喷雾与燃烧影响的研究

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1、分类号学号2004521210032学校代码10487密级博士学位论文喷嘴空穴流动机理及其对二甲醚喷雾与燃烧影响的研究学位申请人：徐波学科专业：动力机械及工程指导教师：张煜盛答辩日期：2014.8.27万方数据万方数据AThesisSubmittedinPartialFulfillmentoftheRequirementsfortheDegreefortheDoctorofEngineeringAStudyonNozzleCavitationFlowMechanismandItsEffectsonSprayandCombustionofDMEFu

2、elPh.D.Candidate:XuBoMajor:PowerMachineryandEngineeringSupervisor:ZhangYushengHuazhongUniversityofScience&TechnologyWuhan430074,P.R.China,2014.8.27万方数据万方数据独创性声明本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除文中已经标明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。

3、本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。学位论文作者签名：日期：年月日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权华中科技大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。保密□，在年解密后适用本授权书。本论文属于不保密□。（请在以上方框内打“√”）学位论文作者签名：指导教师签名：日期：年月日日期：年月日万方数据万方数据华中科技大学博士学位论文摘要二甲醚

4、(DME)作为高效清洁的石油替代燃料，其应用研究是能源领域的一项重大科学问题。二甲醚具有高饱和蒸气压使得其应用于喷射雾化时，喷孔内会存在“气泡”（空化）现象，而这种喷孔内的流态会影响喷孔近场的流态和油滴雾化。由此开展了二甲醚喷射条件下，喷孔内空化现象的发生、发展规律及其对强化喷雾雾化和混合的数值模拟研究，以便深入理解喷孔内部的复杂流动现象及其变化规律，为优化孔式喷嘴结构、强化二甲醚雾化和混合过程提供有效的研究手段及基础数据资料。基于广泛应用于描述气泡生长和溃灭过程的R-P方程，建立了全面描述空穴气泡生长、收缩、反跳及破碎过程的气泡动力学微分方程，

5、并发展了求解R-P方程的分段自适应算法。运用新算法可显著提高R-P方程的求解速度。由于气泡在收缩阶段速度梯度很大，进行积分运算时需要很小的时间步长，进行分段积分可以控制自适应算法的区间，使其能更好地发挥算法优势。运用R-P方程，就喷油系统结构与运行参数对喷孔内空穴流动的影响进行了计算分析，探讨了不同喷射压力、背压、气泡核大小、阶跃宽度，以及不同流体对喷孔内空化现象的发生、发展规律的影响。在此基础上，建立了修正R-P方程。利用该方程能够对空穴流的三种破碎形态，即气泡动力学破碎、湍流破碎及滑移破碎现象进行计算分析。提出了基于VOF模型及离散粒子技术的

6、空穴两相流模型，该耦合模型兼具VOF模型求解两相流速度及压力的优势，以及拉格朗日粒子法对单个气泡追踪的有效性，并且给出了该耦合模型的计算流程图和实现两种模型协调运行的方法，为复杂空穴流动研究提供了一种新的研究思路。利用该模型可以得到通过实验手段难以获取的空穴流动中气泡大小分布以及空穴气泡的状态等信息，为探讨汽泡溃灭对喷雾雾化混合的影响，以及汽泡溃灭对过流部件的侵蚀和可能引起的噪声、振动危害的治理提供新的研究手段。运用基于VOF模型及离散粒子技术的空穴两相流模型，对大尺度和实际喷孔尺度下喷孔内的空穴流动特性进行了计算分析及其结果的实验验证，同时通过

7、实验图像的对比分析，探讨了水、柴油和二甲醚空穴流动的特征及其影响因素。研究表明，对大尺度喷孔空穴流动的计算结果与实验结果不仅在宏观特征上，而且也在细节上都较吻合；通过计算机实验，判明了空穴粒子的空间分布与喷孔的流动状态有关，而粒子尺寸分布与所受到的压力环境有关；针对气泡破碎行为及其气泡破碎空间分布特点进行的研究表明，对于正常的空穴流动来说，气泡破碎对喷孔内壁的侵蚀破坏不大；而当喷孔尺度很小时，喷孔内的空穴流动会发生阻塞现象，导致喷孔内流I万方数据华中科技大学博士学位论文动出现不稳定，此时气泡的破碎对喷孔内壁的汽蚀危害很大。基于喷孔内空穴流动分析所

8、获得的喷嘴出口处的喷射参数（速度分布，湍动能分布及空穴分数等），建立了二甲醚喷射油滴雾化的大涡模拟边界条件，应用大涡模拟方法研究了喷孔近