3章燃油雾化与油束特性-文字

垂直气流及阻力作用下的变形
RT不稳定表面波 加速油滴扁 不稳定表面波 平化 分裂出一些大尺度碎片
短波长KH不稳定表面波 大尺度 不稳定表面波 碎片割成丝状 生成更细的油滴
燃油雾化与油束特性
二 油束模型
影响油束特性的参数： 影响油束特性的参数：（Wisconsin-Madison大学的Reitz教授）
复杂性
1. 动态过程 2. 影响因素多。喷嘴结构、喷射压力、缸内压力、温度、气流……， 影响因素多。 各自的雾化机理不完全相同，雾化理论也不成熟。例如孔式喷嘴 实心圆锥油柱的破裂；涡旋式阀座喷嘴 空心圆锥燃油薄膜的破裂 3.气缸内油束的生成过程复杂。包括：油束雾化、油滴破裂、油滴碰撞 气缸内油束的生成过程复杂。 气缸内油束的生成过程复杂 和聚合、油束碰壁、燃油多种成分的蒸发，等。 4.目前无法进行数值计算。上述过程发生的时间和空间标尺常常小于目 目前无法进行数值计算。 目前无法进行数值计算 前计算机容量所能允许的网格尺寸。 5.准确测量观测难。密集的油滴使激光技术的应用十分困难，因此描述 准确测量观测难。 准确测量观测难 油滴破裂、聚合等的动态过程的实验数据也很少。许多理论建立在 假设的基础上。
（1）喷孔出口处的流动状态；（2）喷孔内部的孔穴效应；（3）射流速 度和湍流；（4）液体入研究的问题：
（1）喷孔内部流动对高速油滴破裂的影响（孔穴现象和湍流情况）； （2）油滴在运动中的变形、丝状化和液膜的生成与伸展对雾化的影响； （3）油束与燃烧室壁面碰撞； （4）燃油滴群多组分蒸发； （5）表面波理论中气体粘性效应（切向应力）对油滴破碎过程的作用 （目前只考虑液-气界面上的法向应力）； （6）目前所有油滴破碎模型都不能确定破碎时油滴尺寸分布规律以及完 成油滴破碎的时间；等。
初始大油滴以极高的速度在空气中运动， 初始大油滴以极高的速度在空气中运动 ，受到空气阻力而急剧 减速，往往导致油滴背风面不稳定而分裂出小的油滴。 减速，往往导致油滴背风面不稳定而分裂出小的油滴。
最快生成率：Ω RT 相应波数：K RT = 2 − gt ( ρl − ρ g ) = ρl + ρ g 3 3σ − gt ( ρl − ρ g ) 3σ
燃油雾化与油束特性
KH波模型 波模型
在每一条曲线上可以出现一 个最大波生成速率 及其相应的 波长Λ， 波长 ，该点可以用来表征表面波 的最快生长或最可能出现液柱破 裂的情况， 裂的情况 ， 可以将其作为最终导 致液柱破裂的假设条件。 拟合式： 致液柱破裂的假设条件 。 拟合式 ：
Λ (1 + 0.45 Z 0.5 )(1 + 0.4T 0.7 ) = 9.02 a (1 + 0.87We12.67 ) 0.6 0.34 + 0.38We12.5 ρ 1 a 3 0 .5 Ω（ ） = σ (1 + Z )(1 + 1.4T 0.6 )
I1′(ka) 2kl I1 (ka) I1′(la ) − 2 2 ω + 2ν 1k ω I 0 (ka) k + l I 0 (ka) I 0 (la ) σk l 2 − k 2 I1 (ka) = (1 − k 2 a 2 )( 2 ) + 2 2 ρ1a l + k I 0 (ka)
燃油雾化与油束特性
1 KH波模型（Kelvin-Helmholtz,1982） 波模型 ）
液体在高压下通过小圆孔喷入静止的不可压缩气体中的射流破碎问题。 液体在高压下通过小圆孔喷入静止的不可压缩气体中的射流破碎问题。 即圆柱液体射流表面受到外来小扰动作用下的稳定性问题。 即圆柱液体射流表面受到外来小扰动作用下的稳定性问题。经过大量简化 方程、 气运动方程 运动、力边界条件，推导出(色散方程 气运动方程、 色散方程)： 后，由N-S方程、液-气运动方程、运动、力边界条件，推导出 色散方程 ： 方程
2 2
ρ2 iω 2 2 l 2 − k 2 I1 (ka) k0 (ka) + (U − ) k ( 2 ) 2 k l + k I 0 (ka) k1 (ka) ρ1
k 为 波 数 k=2π/λ；λ 为 波 长 ； ω 为 生 长 率 ； ω=2πf；f为频率 ； 最快生长率记为 ， 相 为频率； ； 为频率 应的波长记为Λ； 为液体的运动粘度； 应的波长记为 ；ν1为液体的运动粘度；U 为液气相对速度； 为液气相对速度；ℓ2=k2+ ω / ν1 。 I0和I1分别为零阶和一阶修正的第一类 分别为零阶和一阶修正的第一类Bessel函数 函数 k0和k1分别为零阶和一阶修正的第二类 分别为零阶和一阶修正的第二类Bessel函数 函数
第三章 燃油雾化与油束特性
高等内燃机学
北京理工大学
燃油雾化与油束特性
一 燃油雾化 二 油束模型 三 油束特性的经验公式 四 单油滴蒸发过程 五 油束碰撞
燃油雾化与油束特性
引言
增加蒸发气化面积、增大燃烧率 增加蒸发气化面积、增大燃烧率（质量燃烧率~反比于油滴平均直径平 方值；例如当前喷油容易将3mm直径的油滴雾化成直径为30µm的细油滴 1百万颗，则燃烧率可增加1万倍） 改善发动机燃烧特性和排放特性
燃油雾化与油束特性
KH波模型 其它 波模型-其它 波模型
可以假设油滴尺寸正比于表面 时的波长Λ 波最大生成速率 时的波长 ：
r = B0Λ
ρl ρg
B0 = 0.61
喷嘴出口没有破碎的液核区长度： 喷嘴出口没有破碎的液核区长度：线 性源雾化模型（ 经验公式） 性源雾化模型（ Taylor经验公式） 经验公式
射流或油束的三个无量纲参数 1. 射流 射流Reynolds数：Rel=(ρU/η)ldj 液体惯性/粘性力 数 ρ η 液体惯性 粘性力 2. 射流 射流Weber(韦伯 数：Weg=ρgU2 dj /σ 韦伯)数 空气动力/表面张力 韦伯 ρ σ 空气动力 表面张力 3. Ohnesorge数Z：Z= We10.5/Re1= ηl /(ρl σ dj )1/2 数 ： ρ
燃油雾化与油束特性
一 燃油雾化
由于高压射流进入空气， 由于高压射流进入空气 ， 从而在液体和气体交界面上 产生小扰动，小扰动的发展是产生液体破碎的主要原因。 产生小扰动，小扰动的发展是产生液体破碎的主要原因。 根据试验，单个油滴的破碎条件为： 根据试验，单个油滴的破碎条件为：
燃油雾化与油束特性
Taylor类比破裂模型—TAB模型
Ca L =
f (T )
由图可得到油束角θ： 由图可得到油束角 ：
4π l/d A = 3 .0 + 3 .6 2
A tan
θ
ρl ρg
= f (T ) l / d 为喷孔长度直径比
燃油雾化与油束特性
线性源雾化模型
燃油雾化与油束特性
2 RT破碎模型（Rayleigh-Taylor） 破碎模型 ）
用研究质点振动的方法类比地研究油滴破碎问题。 用研究质点振动的方法类比地研究油滴破碎问题 。 设油 滴直径为a，振幅为x， 滴直径为 ，振幅为 ，若x>a，则认为油滴破碎，套用单质点 ，则认为油滴破碎， 振动的公式：惯性力+阻尼力 粘性力)+恢复力 表面张力)=干扰力 空气动力) 阻尼力(粘性力 恢复力(表面张力 干扰力(空气动力 振动的公式：惯性力 阻尼力 粘性力 恢复力 表面张力 干扰力 空气动力
[
]
3/ 2
油滴运动方向的加速度：g t = g ⋅ j + a ⋅ j a — 油滴加速度；j — 油滴迹线切向单位矢量
波长Λ RT = 2πC RT / K RT < 变形的油滴直径， 则RT波可在油滴表面生长。 油滴破碎滞后时间：τ RT = Cτ / Ω RT 破碎成的油滴集合体，其半径为： r = πC RT / K RT C RT = 0.3 Cτ = 1.0
燃油雾化与油束特性
一 燃油雾化
燃油的破碎机理的六个阶段（定性的角度） 燃油的破碎机理的六个阶段（定性的角度）
1. 通过喷孔或环形缝隙，把燃油伸展成油柱或锥形空心油片； 通过喷孔或环形缝隙，把燃油伸展成油柱或锥形空心油片； 2. 在油柱或油片的表面出现波纹和扰动； 在油柱或油片的表面出现波纹和扰动； 3. 在表面波和扰动的作用下，在油柱或油片的表面形成油线或空洞； 在表面波和扰动的作用下，在油柱或油片的表面形成油线或空洞； 4. 油线的分裂或空洞的扩大产生较大的油滴； 油线的分裂或空洞的扩大产生较大的油滴； 5. 大油滴在各种外力（气体动力、表面张力、粘性力等）的作用下发生 大油滴在各种外力（气体动力、表面张力、粘性力等） 振动，分散成小油滴； 振动，分散成小油滴； 6. 小油滴之间的碰撞可能产生更小油滴或聚合成较大油滴。 小油滴之间的碰撞可能产生更小油滴或聚合成较大油滴。
燃油雾化与油束特性
三 油束特性的经验公式
1. 油束射程 油束射程（对缸内气流弱的内燃机尤为重要） ⑴对大缸径静止空气燃烧室，Dent 公式为：
∆p ∆p L = 3.07 p g
1/ 4
(t ⋅ d 0 )
1/ 2
294 T g
1/ 4
计算用时间为t，单位为s；喷孔直径为d0，单位为m；压降为 ∆p，单位为Pa；空气温度为Tg，单位为K；空气密度为ρg， 单位为kg/m3。
d 2x dx 2 3 ρℓ a + 5η1a + 8σx = ρ g aU 2 2 dt dt 3
忽略较小的阻尼力和恢复力，并将油滴破碎条件 代入得： 忽略较小的阻尼力和恢复力，并将油滴破碎条件x=a代入得： 代入得
1 / 3 ⋅ ( ρ g / ρ 1 )U x= a
2
2 t = a
由此得油滴空气动力学破碎的最小滞后时间为： 由此得油滴空气动力学破碎的最小滞后时间为：
a ρ1 1/ 2 ∆tb = 1.732( )( ) U ρg