喷雾碰壁两相流场的数值研究

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1、喷雾碰壁两相流场的数值研究李云清,吕匡(北京航空航天大学,汽车工程系,北京100083)摘要:本文运用CFD软件对定容室中的两相喷雾碰壁过程进行数值计算,考察了在高温高压环境下,着壁后燃油在壁面的运动、蒸发过程和射流漩涡的发展形态,以及近壁面区域浓度和速度场的分布情况,重点考察了近壁区的轴向速度变化规律,并将计算结果与实验进行了对比分析.结果显示高速的射流漩涡对混合气的卷吸能力很强,上边界后方的滞止区呈现较高的浓度.壁喷过程距离壁面最近的一层射流速度最快,并随离壁面距离的增加而逐渐减小.计算的液滴速度比实验测量的液滴速度相比结果偏大,峰值出现时间提前.关键词:柴油机

2、,喷雾碰壁,CFD,两相流NumericalSimulationofFuelSpray/WallimpingementandTwo-PhaseFlowLiYunqing,LuKuang(TheAutomotiveDepartment,BeiHangUniversity,Beijing100083,China)Abstract:Inthispaper,theCFDsoftwarewasusedinNumericalSimulationofFuelSpray/wallimpingementandtwo-phaseflowinthevolume-fixedchamber.

3、Underthedieselengineenvironmentwithhightemperatureandhighpressure,themovementandevaporationofwalljetvortexweresimulatednumerically.Thedistributionofconcentrationandvelocitynearbythewallalsowerestudiedforseveralsituation.Especially,thevarietyofaxialvelocitywhichisgatheredfromcalculatedr

4、esultismoreimportantforanalysis.TheresultsbetweennumericalsimulationandexperimentshowthattheconcentrationinstagnantareaismorehigherthantheothersandthevalueofaxialvelocitywhichiscalculatedwithnumericalmethodisbiggerthantheexperimentresultwhichismeasuredwithPDA.Intheotherhands,withtheinc

5、reaseofthedistancefromthewall,thevelocityisdecreasingevidently.Keywords:Dieselengine,spray/wallimpingement,CFD,two-phaseflow1概述:直喷式柴油机的燃烧是燃油喷雾的燃烧，其燃烧放热规律和有害物的生成取决于喷雾的混合特性。各种柴油机燃烧系统统计分析的资料表明，当喷孔到壁面距离小于喷孔直径的300倍时，不可避免地存在壁喷。文献[1]的内窥镜高速摄影结果表明，当高速直喷式发动机负荷超过50%，大部分燃油将着壁。近些年，随着柴油机小型化和结构紧凑性的提高

6、,以及高压喷油系统的广泛运用，燃烧室内喷雾碰壁现象已变得不可避免.因此，喷雾着壁现象越来越被研究者所重视。目前很多国内外学者研究利用喷雾碰壁过程来提高燃油与空气的混合效果,以此来改善燃烧过程,降低污染物的排放。近几年，基于这个设计原理而开发的燃烧室有OSKA、TRB、[2~6]BUMP、TR型燃烧室，这些燃烧室的开发都是通过控制碰壁形式,如喷雾特性和碰壁区几何结构,来影响碰壁后油束的形状,发展方向和扩散程度,从而影响缸内混合气的形成和发展,实现高效燃烧.为了进一步深入研究喷雾碰壁过程,本文先从模拟柴油机缸内环境开始,研究定容室中垂直碰壁情况,考察所使用的各种计算模型

7、和方法,并分析碰壁后定容室中油膜运动,速度和浓度场的分布情况以及射流漩涡的发展运动过程,重点比较了近壁区的轴向速度变化规律,并将计算结果与文献[7]的实验结果进行了对比分析.2数值计算模型及方法:2.1计算方法本文运用CFD软件STAR-CD进行模拟计算,采用有限体积法,将计算域网格划分成许多互不重复的控制体,对每个控制体分别求解N-S方程和标量输运方程,方程的数值解反映燃油的雾化、破碎、碰壁、蒸发、混合等一系列物理化学过程,并采用瞬态PISO(PressureImplicitwithSplittingofOperators)算法对流场和其它标量场进行耦合求解.