亚临界及跨/超临界均相射流喷雾模型的构建及应用
发布时间：2021-07-02 16:40
精确的预测燃料的喷射雾化过程和喷雾结构是预测内燃机燃烧过程和排放特性的重要前提,也一直是一个热点课题;此外,随着近几年新燃烧理念和增压技术的应用,缸内的压力不断升高,使得跨/超临界喷雾混合研究成为一个新的热点。本文利用欧拉均相模型与方法对亚临界和跨/超临界射流喷雾模型进行研究和探索,主要完成了以下工作。（1）亚临界均相欧拉-拉格朗日喷雾模型算法的构建和冷态喷雾的模拟在开源CFD程序OpenFOAM中基于均相模型添加了欧拉-拉格朗日喷雾模型求解器,扩充了程序中的喷雾计算模型。在构建的模型下对冷态ECN（Engine Combustion Network）喷雾的近场欧拉特性进行模拟,分析新模型下不同RANS湍流模型对喷雾流态和扩散计算的差异,确定了模型的有效性。计算结果发现对于高雷诺数和大密度差的喷雾,在源项中考虑密度差修正的k-ε湍流模型,即HDR（High density ratio）湍流模型,可以正确地模拟出湍流脉动和气液间的扩散。此外与实验值对比发现,HDR模型中选取Cε1系数为1.6时模型的预测精度更高。为了对离散相液滴求解,在欧拉模型程序中增加气液界面面积密度输运方程,建立完整...
【文章来源】：大连理工大学辽宁省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：162 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
图１．２液体射流分裂形态；ａ：瑞利分裂ｂ：第一风生分裂ｃ：第二风生分裂ｄ：雾化??Ｆｉｇ．?１．２?Ｓｐｌｉｔｔｉｎｇ?ｐａｔｔｅｒｎ?ｏｆ?ｌｉｑｕｉｄ?ｊｅｔ??
（ＣＬＳＶＯＦ）。在ＶＯＦ中，一种流体区域的相函数Ｆ取值为１?（如液体相）：而另一种流??体区域的相函数Ｆ取值为０?（如气体相）；两相界面所在区域的相函数取０到１之间；??ｌｅｖｅｌ－ｓｅｔ方法的两相气液界面则对应于一个高阶方程的零等值面，如图１．３。??Ｆ＝〇?Ｆｌｕｉｄ?ｆｙ????ｎ＾）＞〇??Ｆｌｕｉｄ?１????／?〇＜〇＼??７?Ｆ＝１?．＿＿［?．．．．．．．．．．．．．．．．＾??ｊ￣?？?＜Ｊ＞?＝?ｘ２?＋?ｙ：?－１?＝?０??／?ｉｎｔｅｒｆａｃｅ??ａ：?ＶＯＦ?ｂ：?Ｌｅｖｅｌ－ｓｅｔ??图１．３?ＶＯＦ和Ｌｅｖｅｌ－ｓｅｔ相界面构建??Ｆｉｇ．?１．３?Ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ?ｏｆ?ＶＯＦ?ａｎｄ?Ｌｅｖｅｌ－ｓｅｔ?ｉｎｔｅｒｆａｃｅ??但以上两者均存在各自的缺点：ＶＯＦ方法在三维计算条件下存在计算表面张力和界??面曲率不够精确的问题，但可以避免Ｌｅｖｅｌ－Ｓｅｔ方法存在的质量不守恒问题：Ｌｅｖｅｌ－ｓｅｔ??方法虽然在求解时不能保持界面的质量守恒，但可以解决ＶＯＦ相界面法向、曲率以及??计算精度低等问题。因此，近年来一些学者提出了结合Ｖ０Ｆ和Ｌｅｖｅｌ－ｓｅｔ两者优点的??ＣＬＳＶＯＦ［５８－６３］相界面追踪方法。??？４－??
流射流的雾化过程。Ｍ６ｎａｒｄ等人［６７］将Ｌｅｖｅｌ－ｓｅｔ与ＶＯＦ耦合，他们采用ＧＦＷ（ｔｈｅｇｈｏｓｔ??ｆｌｕｉｄ?ｍｅｔｈｏｄ）方法来消除由于压力、密度、粘度等波动引起的误差。此模型在直接数值??模拟下很好的预测了湍流液体射流的破碎过程和纤丝、液滴的形成，如图１．４。??■ａｓ騸??图１．４喷嘴附近液体射流的破碎［６７］??Ｆｉｇ．?１．４?Ｌｉｑｕｉｄ?ｊｅｔ?ｓｕｒｆａｃｅ?ａｎｄ?ｂｒｅａｋ－ｕｐ?ｎｅａｒ?ｔｈｅ?ｊｅｔ?ｎｏｚｚｌｅ??１．２．５均相喷雾射流模型??均相模型是一种简化的多相流模型。该模型将混合物视为一个整体，输运控制方程??中的物性均为混合物特性，相间的扩散通过组分方程来控制。同时，该模型基于局部平??衡的近似假设，认为连续相和分散相之间达到局部的平衡，即具有相同的压力。??均相模型的主要优点是：快速，要求解的方程个数较少；此外，其对分散相的粒度??分布、湍流对分散相的混合影响均描述较好。缺点是：时间迭代的步长较小，导致整个??计算时间过长，尤其是对内燃机燃油喷雾条件，最小时间步长达到１ＣＴ９秒；其次，计算??中收敛困难，如果考虑蒸发和化学反应则会遇到更多困难。??目前
【参考文献】：
期刊论文
[1]轻型汽车国Ⅵ排放标准特点分析[J]. 王伟,石则强,刘元鹏. 交通节能与环保. 2017(04)
[2]轻型汽车国六阶段Ⅰ型试验方法研究[J]. 叶松,邱建岗,李玲,杨凯酬. 交通节能与环保. 2017(03)
[3]超临界环境条件对碳氢燃料液滴蒸发特性的影响[J]. 王宏楠,熊永华. 内燃机学报. 2014(02)
[4]内燃机跨临界/超临界燃料喷雾混合过程的机理与模型[J]. 解茂昭. 燃烧科学与技术. 2014(01)
[5]航空煤油超临界压力流/固/热耦合数值模拟[J]. 王雷雷,徐可可,孟华. 工程热物理学报. 2013(07)
[6]流动参数对超临界喷射特性影响的数值模拟[J]. 范珍涔,范玮. 航空学报. 2013(05)
[7]基于CLSVOF方法的多介质流运动界面追踪（英文）[J]. 陈善群,廖斌. 船舶力学. 2012(03)
[8]亚临界和超临界压力下燃料液滴的蒸发特性[J]. 李云清,王宏楠,陈威. 燃烧科学与技术. 2010(04)
[9]超临界压力下正庚烷的湍流传热数值研究[J]. 华益新,王亚洲,孟华. 航空学报. 2010(07)
[10]氢氧火箭发动机喷雾演化过程作用机理[J]. 丰松江,聂万胜,何浩波,庄逢辰. 宇航学报. 2010(04)
本文编号：3260829
【文章来源】：大连理工大学辽宁省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：162 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
图１．２液体射流分裂形态；ａ：瑞利分裂ｂ：第一风生分裂ｃ：第二风生分裂ｄ：雾化??Ｆｉｇ．?１．２?Ｓｐｌｉｔｔｉｎｇ?ｐａｔｔｅｒｎ?ｏｆ?ｌｉｑｕｉｄ?ｊｅｔ??
（ＣＬＳＶＯＦ）。在ＶＯＦ中，一种流体区域的相函数Ｆ取值为１?（如液体相）：而另一种流??体区域的相函数Ｆ取值为０?（如气体相）；两相界面所在区域的相函数取０到１之间；??ｌｅｖｅｌ－ｓｅｔ方法的两相气液界面则对应于一个高阶方程的零等值面，如图１．３。??Ｆ＝〇?Ｆｌｕｉｄ?ｆｙ????ｎ＾）＞〇??Ｆｌｕｉｄ?１????／?〇＜〇＼??７?Ｆ＝１?．＿＿［?．．．．．．．．．．．．．．．．＾??ｊ￣?？?＜Ｊ＞?＝?ｘ２?＋?ｙ：?－１?＝?０??／?ｉｎｔｅｒｆａｃｅ??ａ：?ＶＯＦ?ｂ：?Ｌｅｖｅｌ－ｓｅｔ??图１．３?ＶＯＦ和Ｌｅｖｅｌ－ｓｅｔ相界面构建??Ｆｉｇ．?１．３?Ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ?ｏｆ?ＶＯＦ?ａｎｄ?Ｌｅｖｅｌ－ｓｅｔ?ｉｎｔｅｒｆａｃｅ??但以上两者均存在各自的缺点：ＶＯＦ方法在三维计算条件下存在计算表面张力和界??面曲率不够精确的问题，但可以避免Ｌｅｖｅｌ－Ｓｅｔ方法存在的质量不守恒问题：Ｌｅｖｅｌ－ｓｅｔ??方法虽然在求解时不能保持界面的质量守恒，但可以解决ＶＯＦ相界面法向、曲率以及??计算精度低等问题。因此，近年来一些学者提出了结合Ｖ０Ｆ和Ｌｅｖｅｌ－ｓｅｔ两者优点的??ＣＬＳＶＯＦ［５８－６３］相界面追踪方法。??？４－??
流射流的雾化过程。Ｍ６ｎａｒｄ等人［６７］将Ｌｅｖｅｌ－ｓｅｔ与ＶＯＦ耦合，他们采用ＧＦＷ（ｔｈｅｇｈｏｓｔ??ｆｌｕｉｄ?ｍｅｔｈｏｄ）方法来消除由于压力、密度、粘度等波动引起的误差。此模型在直接数值??模拟下很好的预测了湍流液体射流的破碎过程和纤丝、液滴的形成，如图１．４。??■ａｓ騸??图１．４喷嘴附近液体射流的破碎［６７］??Ｆｉｇ．?１．４?Ｌｉｑｕｉｄ?ｊｅｔ?ｓｕｒｆａｃｅ?ａｎｄ?ｂｒｅａｋ－ｕｐ?ｎｅａｒ?ｔｈｅ?ｊｅｔ?ｎｏｚｚｌｅ??１．２．５均相喷雾射流模型??均相模型是一种简化的多相流模型。该模型将混合物视为一个整体，输运控制方程??中的物性均为混合物特性，相间的扩散通过组分方程来控制。同时，该模型基于局部平??衡的近似假设，认为连续相和分散相之间达到局部的平衡，即具有相同的压力。??均相模型的主要优点是：快速，要求解的方程个数较少；此外，其对分散相的粒度??分布、湍流对分散相的混合影响均描述较好。缺点是：时间迭代的步长较小，导致整个??计算时间过长，尤其是对内燃机燃油喷雾条件，最小时间步长达到１ＣＴ９秒；其次，计算??中收敛困难，如果考虑蒸发和化学反应则会遇到更多困难。??目前
【参考文献】：
期刊论文
[1]轻型汽车国Ⅵ排放标准特点分析[J]. 王伟,石则强,刘元鹏. 交通节能与环保. 2017(04)
[2]轻型汽车国六阶段Ⅰ型试验方法研究[J]. 叶松,邱建岗,李玲,杨凯酬. 交通节能与环保. 2017(03)
[3]超临界环境条件对碳氢燃料液滴蒸发特性的影响[J]. 王宏楠,熊永华. 内燃机学报. 2014(02)
[4]内燃机跨临界/超临界燃料喷雾混合过程的机理与模型[J]. 解茂昭. 燃烧科学与技术. 2014(01)
[5]航空煤油超临界压力流/固/热耦合数值模拟[J]. 王雷雷,徐可可,孟华. 工程热物理学报. 2013(07)
[6]流动参数对超临界喷射特性影响的数值模拟[J]. 范珍涔,范玮. 航空学报. 2013(05)
[7]基于CLSVOF方法的多介质流运动界面追踪（英文）[J]. 陈善群,廖斌. 船舶力学. 2012(03)
[8]亚临界和超临界压力下燃料液滴的蒸发特性[J]. 李云清,王宏楠,陈威. 燃烧科学与技术. 2010(04)
[9]超临界压力下正庚烷的湍流传热数值研究[J]. 华益新,王亚洲,孟华. 航空学报. 2010(07)
[10]氢氧火箭发动机喷雾演化过程作用机理[J]. 丰松江,聂万胜,何浩波,庄逢辰. 宇航学报. 2010(04)
本文编号：3260829
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