柴油-生物柴油雾化质量数值计算及喷嘴内部流动和空化现象的CFD模拟硕士论文.pdf
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1、 分类号:TB05 10710-2010122062 硕 士 学 位 论 文 柴油/生物柴油雾化质量数值计算及喷嘴内部流 动和空化现象的 CFD 模拟 陈海龙 导师姓名职称 曹建明 教授 申请学位级别 硕士 学科专业名称 动力机械及工程 论文提交日期 2012 年 11 月 20 日 论文答辩日期 2012 年 12 月 15 日 学位授予单位 长安大学 Numerical Calculation of Diesel/Biodiesel Fuel Atomization and CFD Simulation of Internal Flow and Cavitation Phenomenon
2、A Dissertation Submitted for the Degree of Master Candidate:Chen Hailong Supervisor:Prof. Cao Jianming Changan University, Xian, China I 摘 要 环境污染的加重、石油资源的枯竭,这些都制约着柴油机的发展,但是公路运输又 离不开货车,而大多数货车的发动机还是柴油机。为了解决这些问题,人们开始研究新 的燃烧方式,寻找柴油的替代产品。新燃烧方式的研发是以控制喷射雾化形成的可燃混 合气来实现的。本论文主要研究了燃油喷射雾化过程中喷孔内的空化现象以及柴油和生 物柴油喷射
3、雾化液滴尺寸分布。 首先,本文借助 GAMBIT 软件建立喷嘴的二维计算模型,并进行了网格划分,然 后利用 FLUENT 软件对喷孔中的空化现象进行了全面的模拟。模拟结果表明,提高喷 压力,降低喷射背压都有利于喷孔内的空化形成,然后通过改变喷嘴结构形状,进一步 研究了喷嘴结构对空化的影响, 模拟结果表明, 增大喷孔长径比, 空化现象受到了抑制; 增大喷孔入口圆角半径,有利于燃油的流动,但是不利于空化现象的产生;喷孔形状对 对空化现象有很大的影响,当喷孔形状为喷孔出口直径小于入口直径的压缩喷孔时,喷 孔内很容易产生空化现象,当喷孔形状为喷孔出口直径大于入口直径的扩张喷孔时,喷 孔内的空化现象受到
4、了抑制。 其次,本文对柴油和生物柴油喷孔中的空化现象进行了模拟,结果表明柴油和生物 柴油的喷孔中空化现象相同,只是喷嘴出口速度不同,柴油的喷嘴出口速度大于生物柴 油的喷嘴出口速度。导师曹建明教授根据最大熵原理推倒液滴尺寸分布函数,根据此函 数编写了 FORTRAN 计算程序,对柴油和生物柴油雾化液滴尺寸分布进行了理论计算, 并与实验结果进行对比,对比结果表明生物柴油的雾化粒径大于柴油的雾化粒径。为了 改善生物柴油的雾化质量,我们配制了生物柴油和液化石油气的混合燃料 L10(生物柴 油质量分数为 90%,液化石油气质量分数为 10%)和 L20(生物柴油质量分数为 80%, 液化石油气质量分数为
5、 20%) ,并且对这两种混合燃料的雾化液滴尺寸分布进行了理论 计算,计算结果表明,L20 的雾化质量比 L10 的雾化质量要好,并且 L20 的雾化质量更 接近柴油的雾化质量。另外,理论计算中最重要的一个因数就是拉格朗日因子变换系数 初始值的选取,经过反复的尝试发现,对于本论文中所选的工况而言,拉格朗日因子 变化系数初始值在 1.9 左右时,理论计算和试验结果得到了很好地拟合。 关键词:柴油机,喷雾,空化现象,数值模拟,尺寸分布 II Abstract Environmental pollution and petroleum resources are restricted the dev
6、elopment of diesel engine, but road transportation cannot leave the truck, however most of the truck engine is diesel engine. In order to solve these problems, people begin to research the new combustion mode, and looking for diesel replacement products, the new combustion mode development based on
7、control atomization formation of combustible mixture. This paper mainly studied the nozzle internal cavitation phenomenon of fuel atomization process, and droplet size distribution of diesel and bio-diesel atomization. First of all, build and mesh the two-dimensional calculation model of nozzle by u
8、sing the gambit software then simulated the nozzle internal cavitation phenomenon by using fluent software. The results show that cavitation takes place more easily by improving spray pressure and reducing outlet pressure. Then change the nozzle structure and further studied the structure change inf
9、luence on cavitation phenomenon of nozzle internal flow. The results show that increase lengthdiameter ratio restrains the cavitation phenomenon. And increase the nozzle inlet edge radius avail of the fuel flow, but restrains the cavitation phenomenon. The shape of the spray hole has a great influen
10、ce on the cavitation phenomenon, when the outlet diameter is smaller than the inlet diameter its called compression spray nozzle, when the outlet diameter is larger than the inlet diameter its called expansion spray nozzle, compression spray nozzle easily generated cavitation phenomenon, but the cav
11、itation phenomenon of the expansion spray nozzle was inhibited. Secondly, simulation results of cavitation phenomenon show that the diesel and bio-diesel spray holes cavitation phenomenon is the same, just different in nozzle exit velocity, diesel nozzle exit velocity is greater than the biodiesel n
12、ozzle exit velocity. Droplet size distribution function is derived by prof. Cao Jianming based on the maximum entropy principle. According to this function to write a FORTRAN calculation program, then calculated the diesel and bio-diesel droplet size distribution, and compared with the experimental
13、results, the results show that the droplet size of the biodiesel is greater than the diesel. In order to improve the atomization quality of the biodiesel, we have formulated a biodiesel and LPG mixed fuel L10 (biodiesel has a mass fraction of 90% and the LPG has a III mass fraction of 10%), and L20
14、(biodiesel has a mass fraction of 80% and the LPG has a mass fraction of 20%), then calculated the the droplet size distribution of these two kinds of mixed fuel, the result show that atomization quality of L20 is better than the L10, and L20 atomization quality closer to the diesel atomization qual
15、ity. Furthermore, the most important factor of theoretical calculation is the initial guess of the Lagrange factor variation coefficient, for this paper selected operating conditions, when the Lagrange factor variation coefficient initial guess value is about 1.9, the theoretical calculations and ex
16、perimental results have been well fitted. Key words: Diesel engine, Spray, Cavitation phenomenon, Numerical simulation, Size distribution IV 目 录 第一章 绪论 1 1.1 引言 1 1.2 空化现象及国内外研究现状 2 1.2.1 空化现象及其分类 . 2 1.2.2 国内外研究现状 . 4 1.3 本文的主要内容 6 第二章 计算流体力学(CFD)概述及 FLUENT 软件简介 8 2.1 计算流体力学简介 8 2.1.1 CFD 简介 8 2.1.
17、2 CFD 求解过程 . 11 2.2 FLUENT 软件介绍 12 2.2.1 FLUENT 原理 12 2.2.2 FLUENT 求解器的介绍 20 2.2.3 FLUENT 的边界条件 22 2.2.4 FLUENT 中的湍流模式 25 2.3 本章总结 . 27 第三章 喷嘴 CFD 模型的建立及模拟结果分析 . 29 3.1 几何模型建立及网格的生成 . 29 3.1.1 喷嘴的几何参数的确定 29 3.1.2 物理模型的建立 29 3.1.3 计算网格的生成 30 3.2 数值求解过程的设置 . 32 3.2.1 关于网格的操作 32 3.2.2 模型参数的设置 33 3.2.3
18、流体物理特性参数的设置 35 3.2.4 空化模型的设置 36 3.2.5 操作条件的设置 39 3.2.6 边界条件的设置 39 V 3.2.7 求解参数的设置 . 40 3.3 喷嘴内部流动数值模拟结果及分析 . 41 3.3.1 柴油和生物柴油喷孔内部流动的模拟结果对比 41 3.3.2 入口压强对喷孔内部流动特性的影响 45 3.3.3 出口压强(背压)对喷孔内部流动特性的影响 47 3.3.4 不同喷孔直径对喷孔内部流动特性的影响 49 3.3.5 不同长径比对喷孔内部流动特性的影响 51 3.3.6 不同入口圆角对喷孔内部流动特性的影响 . 53 3.3.7 不同喷孔 k 系数(扩
19、张管和压缩管)对喷孔内部流动特性的影响 . 55 3.4 本章总结 . 58 第四章 喷嘴雾化质量的数值计算 . 60 4.1 雾化液滴尺寸分布函数的介绍 . 60 4.1.1 经验分布函数 60 4.1.2 理论分布函数 61 4.2 雾化液滴尺寸计算所需的理论参数 . 63 4.2.1 实验参数、喷雾参数、燃油物理特性参数的确定 63 4.2.2 循环喷油量的计算 63 4.2.3 喷雾持续时间和油滴贯穿时间 64 4.2.4 拉格朗日因子 64 4.2.5 程序收敛的标准 64 4.3 雾化液滴尺寸的理论计算 . 64 4.3.1 BD0(纯柴油)喷雾液滴尺寸分布理论计算 . 65 4.
20、3.2 BD100(纯生物柴油)喷雾液滴尺寸分布理论计算 . 66 4.3.3 L10 喷雾液滴尺寸分布理论计算 . 67 4.3.4 L20 喷雾液滴尺寸分布理论计算 . 70 4.4 本章总结 . 72 第五章 全文工作总结与展望 . 74 5.1 全文工作总结 . 74 5.2 展望 . 75 VI 参考文献 76 攻读硕士学位期间的研究成果 79 致谢 80 长安大学硕士学位论文 1 第一章 绪论 本章首先介绍了本课题的研究背景,其次探讨了空化现象以及国内外的研究现状, 最后指出了本论文的主要研究内容和本课题的研究意义。 1.1 引言 随着人们生活水平的提高,现代物流业也在迅速发展,在
21、物流运输中道路运输占据 着很大的比重,道路运输主要是通过大货车来运输,作为大货车的动力来源发动机也 得到了人们高度的重视, 货车的发动机大多是以柴油为燃料, 但是随着环境污染的加重, 国际组织对柴油机的排放标准提出了更高的要求,另一方面,随着石油资源的枯竭,人 们已经开始寻找柴油的替代品。为了解决这两方面的问题,人们提出了高压共轨技术和 开发新的燃烧方式,通过高压共轨技术再配合新的燃烧方式,可以降低柴油机有害排放 物和碳烟值。高压共轨技术主要是通过高压油泵提供比普通喷射高很多的高压燃油,首 先储存在高压共轨管内,然后根据发动机电子控制单元(ECU)发出的指令,在合适的 时间打开喷油器将高压燃油
22、喷雾燃烧室内,形成可燃混合气。新的燃烧方式则是想办法 控制燃烧过程及燃烧路径,如何调制和优化液体燃油在缸内的喷雾过程,从而有效地控 制燃烧室内的油气混合物的当量比和环境温度T的变化是新燃烧方式的核心。图 1.1 是 Kitamura 等人1绘制的T原理图及一些燃烧路径。从图中可以清楚地看出,传统 的燃烧路径(图中大空心箭头所示) ,很容易进入碳烟生成区和 X NO生成区,而对新燃 烧方式 LDC 和 PCCI 来说, 在着火前很短的时间内将燃烧室内的混合物当量比降低到 2.0 附近及以下范围,这样的燃烧路径就不容易进入碳烟生成区,在燃烧后期也可以避 开 X NO高排放区。 燃烧室内的混合物当量
23、比的迅速降低主要取决于燃油的喷雾雾化过 程的精确控制2。 以前人们对喷雾的测试主要局限于喷雾的几何形态,包括喷雾锥角、贯穿距以及液 滴尺寸分布,并且讨论了周围气体运动对油滴运动的影响,但是对射流雾化机理却不是 完全的了解,这对控制射流雾化以及燃烧路径是不利的,也就很难创造新的燃烧方式, 因此人们都把重点集中到了射流雾化机理的研究,日本学者玉木伸茂3认为燃油的雾化 不仅与喷雾场周围的气流作用有关,而且与喷孔中空化产生的湍流有关,并且通过实验 第一章 绪论 2 证实了喷孔中湍流的扰动作用大于周围气体的扰动作用。 图图 1.1 -T原理图和燃烧路径原理图和燃烧路径 随着现代柴油机的发展,高压共轨技术
24、越来越完善,高压共轨柴油机燃油喷射系统 的三个主要特征是:第一,燃油喷射压力高,一般燃油喷射压力都在 100paM以上。第 二,喷孔直径小,高压共轨柴油机喷油器的喷孔直径一般在 0.2mm以下。第三,燃油 喷射更灵活,可以实现多次喷射即预喷、主喷和后喷,这对混合气的形成是很有利的。 在这样高的喷射压力和小的喷孔直径下,喷孔中的流动情况变得相当复杂,但是由于喷 嘴结构小,实验设备有限,直接对真实喷嘴内部流动情况进行实验研究还是很困难的, 因此我们可以借助计算机采用软件模拟的方法很容易的研究不同结构喷嘴以及不同喷 射情况下的喷嘴内部流动。 前面提到过,为了解决石油资源匮乏和环境污染问题,我们提出了
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