煤油在冷態(tài)超聲速氣流中噴射和霧化現(xiàn)象的初步研究

【摘要】： 本文研究煤油在超聲速氣流中的噴射、霧化和混合現(xiàn)象。該問題是煤油超聲速燃燒的基本現(xiàn)象,也是研制煤油超燃沖壓發(fā)動機(特別是燃燒室設(shè)計)的關(guān)鍵技術(shù)難題。在學(xué)術(shù)方面,該問題伴隨超聲速流動、激波、湍流、射流破碎與霧化、兩相流非平衡效應(yīng)和霧化流場光學(xué)診斷等學(xué)科交叉,急需解決超聲速氣流(即大速差)氣流中的射流破碎、湍流兩相流和霧化參數(shù)在線測量等問題。因此,本文研究有重要的工程應(yīng)用前景和學(xué)術(shù)意義。自60年代以來,煤油超燃霧化問題的研究一直得到重視,但由于兩相湍流和射流破碎霧化等核心問題的理論研究沒有取得實質(zhì)性進展,因此,該問題的理論分析、數(shù)值模擬與實驗結(jié)果對比還是相差甚遠,人們對該問題的現(xiàn)象認(rèn)識也尚待深入。為此,本文采用實驗研究方法,主要說明如下: (1)以煤油霧化參數(shù)在線測量為目標(biāo),為避免尺度效應(yīng)的影響,建造了和單模塊超燃發(fā)動機燃燒室和噴嘴尺寸相同的直連式煤油超燃冷態(tài)霧化實驗臺,力圖獲得和實際發(fā)動機相近的流場特征、霧化現(xiàn)象和參數(shù)分布。 (2)以先進光學(xué)診斷為核心,以平面激光誘導(dǎo)熒光(PLIF)和激光散射、高速紋影測量為主要手段,以霧化參數(shù)的定量和半定量測量為目標(biāo),開展煤油超燃霧化現(xiàn)象的測量研究。其中,采用高時間/空間分辨率的PLIF方法研究煤油的噴射和擴散范圍是本文主要特色,得到的煤油液滴SMD(Sauter mean diameter)分布也是國際上首次公布的在線測量數(shù)據(jù)。 (3)采用先進的光學(xué)測量方法,首次較為系統(tǒng)地研究了不同結(jié)構(gòu)和幾何參數(shù)的凹槽流動機理及其對煤油超燃霧化、混合現(xiàn)象的影響。 本文主要內(nèi)容概述如下: (1)第一章指出本文研究背景、相關(guān)研究進展,介紹了本文主要內(nèi)容和特色。 (2)為開展實驗研究,第二章主要介紹本文研制的直連式煤油超燃冷態(tài)霧化實驗臺以及相關(guān)的測量系統(tǒng)。重點介紹了噴管、實驗段設(shè)計和加工以及配套的光學(xué)測量系統(tǒng)。結(jié)果表明:實驗段內(nèi)氣流較為均勻、雜亂波系較弱,可滿足煤油超燃霧化現(xiàn)象的實驗要求。 (3)針對直通道(平板)燃燒室,第三章主要介紹煤油在超聲速氣流中噴射、混合的實驗研究,給出了煤油擴散范圍、穿透深度和液滴直徑分布等流場圖象和數(shù)據(jù)。結(jié)果表明:射流和來流的動壓比對穿透深度、射流柱破碎和霧化有重要影響。動壓比越大,穿透深度增大,促進了煤油射流的破碎和霧化,但射流激波變強、總壓損失增大。表面波是引起射流柱破碎的重要因素。當(dāng)動壓比較小,射流的表面波發(fā)展受抑制,只有經(jīng)過較長平滑初始段后才出現(xiàn)明顯的表面波。增大動壓比,在射流柱初始彎曲處出現(xiàn)表面波并迅速向下游發(fā)展,表面波振幅也增大。表面波是三維、非定常的。 (4)針對兩種典型的開式和閉式凹槽,第四章介紹了煤油在含凹槽通道內(nèi)的噴射和霧化現(xiàn)象的實驗和測量研究。重點研究不同幾何參數(shù)和結(jié)構(gòu)(前后緣角、導(dǎo)流槽和波狀后緣)對閉式凹槽的流場特征和煤油噴射、混合現(xiàn)象的影響。結(jié)果表明: ●對開式凹槽(L/D=3),其產(chǎn)生的波系較弱,流場總壓損失小,自激振蕩較弱,但槽內(nèi)流向和橫向漩渦較強,可增強煤油與主氣流的橫向輸運和摻混,煤油射流的霧化情況(激波和液滴SMD)與平板相近,但穿透深度降低。與凹槽激波相比,射流激波可以忽略不計。 ●對于閉式凹槽(L/D=15),無煤油噴射的凹槽激波較強,導(dǎo)致了上壁面邊界層的分離,總壓損失較大,凹槽后緣流場的自激振蕩較強。減小后緣傾角和采用波狀后緣,可減弱閉式凹槽的后緣激波。減小前緣傾角和采用導(dǎo)流槽,閉式凹槽的剪切層和前緣激波變化不大。當(dāng)有煤油噴射時,射流激波和凹槽激波相比可忽略不計。相對于開式凹槽,閉式凹槽的后緣氣流偏轉(zhuǎn)使煤油射流穿透深度顯著增大。采用波狀后緣,閉式凹槽的后緣激波和上壁面邊界層分離均消失。改變凹槽幾何結(jié)構(gòu)和煤油噴射參數(shù),除了凹槽內(nèi)的煤油略有改變外,對主氣流的煤油射流擴散、混合影響不大。進一步分析還表明:在含凹槽燃燒室中,由于當(dāng)?shù)貧饬魉俣群艽?煤油射流的霧化不是難點,重點是要減弱凹槽產(chǎn)生的波系和增強煤油的擴散混合。凹槽類型不僅取決于幾何特征參數(shù)(長深比),而且和凹槽結(jié)構(gòu)、來流參數(shù)等相關(guān)。 ●在超聲速氣流中,通道內(nèi)是否有無凹槽,對煤油霧化后液滴SMD幾乎無影響,但對煤油的擴散混合影響較大,特別是閉式凹槽。 本文主要特色和創(chuàng)新之處為: (1)本文利用煤油自身受激熒光(磷光)輻射特性和PLIF方法,研究煤油在超聲速氣流中的擴散混合問題,為煤油超燃霧化問題的測量研究提供了新的手段。眾所周知,PLIF方法在燃燒流場小分子自由基診斷方面得到了廣泛運用,國外也將PLIF方法用于內(nèi)燃機的柴油噴霧流場測量研究,但針對煤油在超聲速氣流中的霧化流場測量研究方面,本文是公開文獻首次給出該方法的運用和測量結(jié)果。與高速紋影等傳統(tǒng)方法相比,PLIF可準(zhǔn)確地反應(yīng)煤油擴散邊界及其表面波的三維非定常特性,給出的穿透深度等數(shù)據(jù)也更準(zhǔn)確?；诩y影方法,美國在70～80年代給出的射流穿透深度擬合經(jīng)驗公式存在較大誤差,不能作為煤油超燃發(fā)動機燃燒室設(shè)計的數(shù)據(jù)?？梢灶A(yù)計,PLIF方法將成為有潛力的煤油超燃霧化場測量研究方法。 (2)基于在線測量和實際燃燒室尺度等條件,本文給出了有、無凹槽的煤油霧化液滴直徑分布,這也是公開文獻首次給出的煤油在超聲速氣流中霧化的在線測量數(shù)據(jù)。利用PDPA,盡管LIN測量了水自直徑2mm噴孔在超聲速氣流中噴射的液滴SMD分布,但其實驗條件與超燃發(fā)動機工況相差較大。本文測量數(shù)據(jù)表明:由于氣液相對速差大,因此,煤油在超聲速氣流中的霧化不是決定燃效率的主要因素,降低煤油點火和燃燒的化學(xué)延時是關(guān)鍵。凹槽等強化措施有助于增強煤油的擴散和混合,但對霧化后的液滴直徑分布無明顯貢獻。 (3)通過煤油擴散的PLIF圖象和液滴直徑測量數(shù)據(jù),為煤油超燃冷態(tài)霧化現(xiàn)象提供了新的認(rèn)識。特別是有關(guān)凹槽流動機理及其凹槽幾何結(jié)構(gòu)的影響,這些認(rèn)識校正了過于基于壓力測量和直覺想象得到的不正確判斷,為研究煤油超燃現(xiàn)象和設(shè)計超燃發(fā)動機燃燒室提供了新的數(shù)據(jù)和思路。要說明的是:相關(guān)看法或結(jié)論還需要更多的實驗圖象和數(shù)據(jù)進行驗證。 【學(xué)位授予單位】：中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2007
【分類號】：O357

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