二甲醚噴霧特性與燃燒過(guò)程的實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬研究.pdf

1、二甲醚作為一種理想的柴油機(jī)替代燃料，近年來(lái)受到了眾多研究者的廣泛關(guān)注。針對(duì)其與柴油不同的特點(diǎn)，本文采用先進(jìn)的激光測(cè)試手段與多維數(shù)值模擬相結(jié)合的方法，對(duì)二甲醚噴霧混合和燃燒的發(fā)展變化歷程進(jìn)行了深入的研究。研究?jī)?nèi)容和取得的成果主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：
　　 ⑴為了提高噴霧模擬的精度，對(duì)O’Rourke液滴碰撞模型的網(wǎng)格依賴(lài)性問(wèn)題進(jìn)行了分析，提出了以交錯(cuò)網(wǎng)格和碰撞限制角相結(jié)合的CMC液滴碰撞改進(jìn)算法。分別在定容燃燒室和發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸內(nèi)，從

2、噴霧結(jié)構(gòu)、索特平均半徑(SMR)和噴霧貫穿距三個(gè)方面，分析了網(wǎng)格型式、網(wǎng)格精度以及噴霧粒子數(shù)對(duì)改進(jìn)算法計(jì)算結(jié)果的影響。結(jié)果表明：CMC液滴模型在極坐標(biāo)網(wǎng)格和直角坐標(biāo)網(wǎng)格下，均具有較低的網(wǎng)格依賴(lài)性，和較低的網(wǎng)格精度和粒子數(shù)敏感性；但在噴霧貫穿距預(yù)測(cè)方面，CMC液滴算法只是略好于O’Rourke液滴碰撞算法。這主要是由于CMC算法設(shè)計(jì)用來(lái)較好的解決液滴碰撞的徑向分量，而噴霧貫穿距是液滴軸向運(yùn)動(dòng)的測(cè)量。
　　 ⑵在綜合研究了二甲醚噴霧

3、的有關(guān)實(shí)驗(yàn)文獻(xiàn)后，發(fā)現(xiàn)二甲醚噴射過(guò)程中易于出現(xiàn)閃急沸騰現(xiàn)象。以TSI公司的數(shù)字PIV系統(tǒng)為基礎(chǔ)，構(gòu)建了適用于噴霧研究的PIV噴霧測(cè)試系統(tǒng)。根據(jù)CCD照相機(jī)捕獲的噴霧圖像，分析了單孔直噴式柴油噴嘴形成的二甲醚閃急沸騰噴霧的結(jié)構(gòu)及其發(fā)展過(guò)程。結(jié)果發(fā)現(xiàn)：按照噴霧軸線(xiàn)方向，閃急沸騰噴霧的結(jié)構(gòu)可以分為噴霧初始核區(qū)，閃急沸騰噴霧的主體區(qū)和渦環(huán)形成區(qū)。根據(jù)渦環(huán)結(jié)構(gòu)的形成與發(fā)展，其噴霧發(fā)展過(guò)程可以分為以下四個(gè)主要階段，即渦環(huán)結(jié)構(gòu)的形成階段，渦環(huán)結(jié)構(gòu)的發(fā)

4、展與變形階段，渦環(huán)結(jié)構(gòu)的破碎階段，以及充分發(fā)展的閃急沸騰噴霧階段。另外，由于微爆效應(yīng)的作用，二甲醚閃急沸騰噴霧與柴油噴霧在宏觀特性方面也表現(xiàn)出較大的不同。
　　 ⑶借助于PIV噴霧測(cè)試系統(tǒng)，對(duì)二甲醚普通噴霧的內(nèi)部特性及其相應(yīng)的機(jī)理進(jìn)行了研究。與柴油噴霧相似，二甲醚噴霧體內(nèi)存在著不均勻的枝狀結(jié)構(gòu)；但噴霧體內(nèi)燃油的分布特性則與柴油存在著較大的差別，二甲醚噴霧體內(nèi)存在著清晰可分的高濃度燃油區(qū)和低濃度燃油區(qū)。隨后，對(duì)二甲醚噴霧的速度場(chǎng)和

5、渦量場(chǎng)等流動(dòng)信息進(jìn)行了測(cè)量，并將不同截面二甲醚噴霧平均軸向速度的無(wú)因次速度分布與阿勃拉莫維奇速度分布剖面進(jìn)行了對(duì)比，發(fā)現(xiàn)在噴霧體中間部分兩者吻合的較好，但在噴霧體邊緣處阿勃拉莫維奇經(jīng)驗(yàn)公式預(yù)測(cè)的值偏??；為了在準(zhǔn)維燃燒模型中更為準(zhǔn)確的描述二甲醚噴霧混合及其燃燒過(guò)程，給出了一個(gè)新的適用于二甲醚噴霧的速度分布公式。另外，還就撞壁對(duì)二甲醚噴霧的影響進(jìn)行了研究。
　　 ⑷以ZS195單缸直噴式柴油機(jī)為原型機(jī)，通過(guò)對(duì)其燃油系統(tǒng)進(jìn)行改裝和調(diào)試

6、，建立了直噴式二甲醚發(fā)動(dòng)機(jī)的試驗(yàn)臺(tái)架。在三種不同工況條件下，對(duì)柴油機(jī)燃用二甲醚的燃燒過(guò)程進(jìn)行了試驗(yàn)研究。試驗(yàn)結(jié)果表明，對(duì)于ZS195柴油機(jī)來(lái)說(shuō)，采用27°CA BTDC的供油提前角更為合適；并分析了進(jìn)氣溫度和壓縮比對(duì)二甲醚發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒與排放的影響。另外，采用類(lèi)似于多點(diǎn)噴射式汽油機(jī)的混合氣組織方式，建立了燃用DME的HCCI發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)臺(tái)架。在三種發(fā)動(dòng)機(jī)部分負(fù)荷工況條件下，對(duì)DME HCCI發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒過(guò)程和排放特性進(jìn)行了研究。在HCCI模式

7、下二甲醚燃燒呈現(xiàn)出明顯的兩階段放熱特性，燃燒過(guò)程中存在的爆燃現(xiàn)象阻礙了發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行工況向中高負(fù)荷范圍的擴(kuò)展。
　　 ⑸為了深刻認(rèn)識(shí)直噴式二甲醚發(fā)動(dòng)機(jī)著火燃燒的機(jī)理，判明二甲醚發(fā)動(dòng)機(jī)與柴油機(jī)在燃燒特性與排放方面存在較大差異的根本原因，本文采用改進(jìn)的KIVA程序，對(duì)ZS195單缸直噴柴油機(jī)燃用二甲醚的著火燃燒過(guò)程進(jìn)行了數(shù)值模擬與參數(shù)分析研究。結(jié)果表明：二甲醚發(fā)動(dòng)機(jī)的著火燃燒過(guò)程之所以與柴油機(jī)表現(xiàn)出較大的不同，主要是由于二甲醚具有良好的