基于VOF方法的喷嘴空穴流动与近场喷雾数值模拟研究

摘要

喷油器作为发动机喷油系统内的终端部件，在控制喷射燃油流量的同时，喷嘴内部的流动状况也给燃油喷射的雾化效果带来显著影响，进而直接关系到发动机的燃烧与排放。大量有关研究文献显示，喷嘴内发生的空穴过程对喷嘴内部流动及外部射流雾化有重要影响。因此，在充分考虑喷嘴内部空穴过程的条件下，对喷嘴喷射过程的内部流动和外部射流形成及雾化进行完整的喷射研究是十分必要的。考虑到实验条件下观测实际喷嘴内部流动及近场雾化的难度，借助数值模拟的手段对喷射过程进行分析研究是很有发展前途的。
　　 本研究基于VOF方法，在建立一个液-蒸汽-空气多相流模型的基础上，加入空穴模型，改造多相流的质量平衡方程及体积分数方程，建立起关于空穴多相流的数值模型。
　　 基于Linux系统下的开源CFD软件OpenFOAM，参照程序内部已有的相关标准求解器的源代码，自行设计并编译了针对空穴多相流问题的求解器interMpcFoam，并由此构建起模拟喷嘴喷射过程中空穴流动及射流雾化过程的CFD计算平台。新开发出的求解器interMpcFoam，涉及到多相流的流动过程、液相与蒸汽相的空穴相变过程、以及空气相同蒸汽相的相互扩散混合过程，可在求解算例时自行选择对应的空穴模型，并可根据需要调用OpenFOAM支持的相关湍流流动模型。
　　 参照有关文献中的喷射实验过程，对不同喷射条件下喷嘴内发生的空穴现象进行了一系列的二维喷嘴模拟，并将模拟结果同实验结果进行对比，得到较好的吻合，从而验证了数值模型及软件求解器的准确性，同时也反映出与实验结论基本一致的有关空穴作用规律。二维喷嘴的模拟结果不单显示出应用该方法对空穴流动及射流雾化过程进行研究的可行性，更为接下来模拟实际条件下喷嘴的喷射过程提供了模型参数及控制设定的相关经验。
　　 在模拟二维喷嘴喷射中空穴流动的基础上，针对实际VCO喷嘴条件下高压柴油喷射的空穴过程及射流雾化进行了三维模拟。模拟结果展现了喷嘴内燃油喷射的空穴流动及外部射流破碎雾化过程，验证了空穴过程对射流形成及雾化的影响。根据燃油喷射过程图像及流场情况，并对比无空穴模型条件下的模拟喷射雾化效果，分析了喷嘴的非对称结构及由此带来的非对称空穴效应对外部射流破碎的影响。通过对喷雾体破碎状况的深入分析，进一步证实了射流完整雾化过程的两个阶段，即内部空穴流动及湍流作用所引起的初次雾化，和气动雾化理论所描述的二次雾化。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 选题背景及课题来源

1．2 喷嘴空穴流动与近场喷雾的实验研究概况

1．3 喷嘴空穴流动与近场喷雾的数值模拟研究概况

1．3．1 喷嘴空穴流动的数值模拟

1．3．2 喷嘴近场喷雾的数值模拟

1．3．3 喷嘴空穴流动与近场喷雾的耦合数值模拟

1．4 本文主要内容

第2章 基于VOF方法的空穴多相流动模型

2．1 基于VOF方法的多相流模型

2．1．1 VOF方法简介

2．1．2 控制方程

2．2 空穴模型

2．2．1 Kunz质量传输模型

2．2．2 Sauer质量传输模型

2．3 大涡模拟

第3章 数学模型在OpenFOAM中的实现

3．1 OpenFOAM简介

3．2 求解器interMpcFoam的设计

3．3 求解器interMpcFoam的求解方程

3．4 求解器interMpcFoam的计算流程

3．5 求解器interMpcFoam的Case文件

3．5．1 Case文件的基本结构

3．5．2 网格的生成方式

3．5．3 数值格式的设定

3．6 求解器interMpcFoam的并行计算

第4章 二维喷嘴空穴流动和近场喷雾模拟

4．1 计算模型

4．1．1 计算网格

4．1．2 并行计算的网格划分

4．1．3 模型参数设定

4．1．4 初始和边界条件的设定

4．2 计算结果与实验的对比分析

4．2．1 空穴与射流形态

4．2．2 二维喷嘴射流的空穴数分析

4．3 柴油喷射的模拟结果

4．3．1 柴油喷射瞬态过程的空穴与射流形态

4．3．2 二维喷嘴柴油射流的空穴数分析

4．4 本章小结

第5章 实际喷嘴高压喷射的空穴及射流雾化过程模拟

5．1 计算模型及条件

5．2 喷嘴近场流动过程的模拟结果及分析

5．3 喷嘴近场喷雾的雾化特性分析

5．4 喷嘴近场喷雾的流场分布

5．5 喷雾破碎液滴的离散化处理与分析

5．6 本章小结

第6章 全文总结与展望

6．1 全文总结

6．2 研究展望

致谢

参考文献

攻读学位期间的研究成果