多孔介质结构对燃烧室内流场和喷雾特性影响的数值研究

以多孔介质发动机为背景,用数值模拟方法考察气缸内加入多孔介质蓄热体后对燃烧室内湍流流场及混合气形成的影响.计算基于Antohe和Lage的适用于多孔介质的κ-ε模型,其中引入了Darcy项和Forchheimer项.建立了一种可描述多孔介质随机结构的简化模型.针对燃油喷雾在不同结构多孔介质内的流场进行了数值计算.计算表明,多孔介质结构对燃烧室内燃油液滴的蒸发和混合气的形成过程具有重要的影响.     

喷雾夹角对柴油机性能影响的数值模拟

为研究喷雾夹角对柴油机性能的影响,应用STAR-CD程序对不同喷雾夹角的燃烧过程进行三维数值模拟.计算结果表明喷雾夹角决定了油束在燃烧室的空间分布和燃油与壁面的碰撞参数,进而影响到燃油的雾化与燃烧.当碰撞距离增加,燃油雾化时间增加.当撞壁入射角度减小,燃油壁面涂布能力增强,促进燃油蒸发雾化.当油束将燃烧室有效容积等分时,油气混合均匀,具有良好的燃烧效果.     

实心与空心锥形喷雾与热多孔介质相互作用的数值研究

在KIVA-3V中增加了油滴碰撞热多孔介质壁面的碰撞模型、传热模型及空心喷雾的线性不稳定性液膜破碎模型(LISA).在多孔介质结构简化描述的基础上,详细模拟了实心喷雾与空心锥形油雾与热多孔介质之间的碰撞过程.针对Senda等人的实验进行了数值计算,油束碰壁后油滴和油蒸汽分布的数值计算结果与实验结果吻合得很好.计算结果表明油雾在碰撞到热多孔介质后,油束会发生分裂,为油滴的快速蒸发和油蒸汽与空气充分混合创造了前提.油滴初始动能相同的条件下,空心喷雾的油滴穿越多孔介质的可能性比实心喷雾要小.     

液滴振荡模型及与数值模拟的对比

由于碰撞壁面后液滴内部流动的复杂性, 以及气-液-固三相间的相互作用, 对液滴碰撞壁面形态变化的数学理论研究有较大的难度, 因此所见者多为实验和数值模拟. 本文通过对液滴受力状态的分析, 得到了惯性力、黏性力和表面张力带经验系数的表达式, 并进一步建立了液滴碰撞壁面振荡模型, 得到了液滴铺展半径的振荡表达式, 以及表面张力、黏性系数等参数对液滴铺展的影响. 最后通过与液滴衰减振荡数值模拟结果的对比, 确定了液滴振荡模型中的修正系数, 验证了模型的可行性. 关键词： 液滴碰撞 振荡 铺展半径/高度 数值模拟     

湍流对多孔介质内预混火焰影响的初步研究

当气流速度较大时,多孔介质内预混燃烧的模拟需要考虑湍流的影响,本文利用简化的k-ε双方程湍流反应流模型对多孔介质内的预混火焰进行了数值模拟.结果表明,湍流大大加强了气流的组分和能世扩散,计算得到的火焰传播速度、CO及NO的排放量都与实验值符合得比较好,与层流模型相比,湍流模型能够改善计算结果.     

双层多孔介质内预混燃烧的实验和二维数值模拟

对双层多孔介质燃烧器内丙烷/空气预混燃烧进行实验和数值研究.实验对多孔介质燃烧器内固体温度场分布进行测量分析;数值计算利用商业软件FLUENT6.2,通过添加用户自定义标量方程和用户自定义函数,对有壁面散热的双层多孔介质内预混燃烧进行了二维模拟,并与实验结果进行了比较.结果表明,双层多孔介质燃烧器具有良好的稳定燃烧范围和较低的污染物排放;壁面散热对多孔介质燃烧的影响不可忽视.     

喷雾撞壁后近壁区域火焰发展及碳烟生成研究

本文基于多尺度液滴撞壁形态提出了新的考虑了不同飞溅状态的撞壁模型。结合容弹实验研究了近壁区域喷雾撞壁后火焰发展过程,对影响近壁区燃烧过程及碳烟生成规律的边界温度进行了探讨。结果表明,环境温度和壁面温度对喷雾撞壁后的液膜沉积量以及后续的燃烧过程影响显著。碳烟产生峰值直接和壁面燃油沉积量呈正相关,而较高的近壁区域温度可加速燃油蒸发并减少燃油沉积量。燃油沉积量的不同,其火焰发展形式不同:当沉积燃油较少时,近壁混合气形成较快,从而维持了稳定的燃烧过程;而当沉积燃油较多时,近壁区域的燃烧呈现不稳定的池火过程。随着环境温度和壁温的增加,油膜燃烧时刻提前并形成可燃混合气,从而加速了碳烟的生成和氧化。     

湍流边界层中重粒子弥散的随机模型

在重粒子轨道模型的基础上,引入了Saffman力,并考虑了粒子-固壁碰撞和粒子-粒子碰撞的影响,建立了重粒子运动方程,耦合湍流脉动的随机方程,发展了重粒子弥散的随机模型,并在湍流边界层中考察该模型.将数值计算结果与实验结果进行比较,同时考察了Saffman力和粒子碰撞对计算结果的影响.     

中空液滴碰撞水平壁面数值分析

采用耦合水平集-体积分数法并综合考虑传热及接触热阻作用建立了中空液滴碰撞水平壁面数值模型,并验证了模型的可靠性.通过分析计算结果,获得了中空液滴与实心液滴撞壁的动力学特征差异,揭示了中空液滴撞壁流动传热机理和中心射流形成机制,探索了碰撞速度和壁面浸润性对中空液滴撞壁动力学和传热特性的影响.研究表明:中空液滴撞壁后中心射流特征明显,并伴随有射流收缩和液壳破碎等现象.中空液滴内部压力梯度是液滴铺展、中心射流产生和发展的主要原因;撞壁过程中中心射流表面温度分布较为均匀,破碎液壳表面温度分布波动较大.碰撞速度与中空液滴撞壁最大铺展系数的相关性较小,但其对无量纲射流长度和壁面平均热流密度的影响较大;壁面浸润性与中空液滴撞壁后期铺展系数的相关性较大,但其对无量纲射流长度和壁面平均热流密度的影响较小.     

多孔介质模型在管壳式换热器数值模拟中的应用

本文详细讨论了多孔介质模型在管壳式换热器数值模拟中的应用,开发了一套能自动生成多孔介质特性参数的通用程序。该程序主要基于三维交错网格及SIMPLE算法,然后运用该模型,采用改进的κ-ε模型和壁面函数法,对换热器壳侧的湍流流动进行了数值模拟。计算结果与换热器冷态实验结果符合良好,表明该模型和计算方法是切实可行的。