4章1燃油雾化与油束特性-2010

g
0. 121 0. 131

广安，1974
0 .54 SMD 3 .08 10 6 p g
0. 06
0 .737 0.385 0 .737
El kotb,1982
式中： σ=0.03 表面张力，单位为 N/m；V每冲程喷油容积，单位 m3/冲 程；qm喷油率，单位为kg/s；Aorf油孔面积，单位为m2；A(t) eff有效喷孔面 积，单位为m2 。 空气密度增加，SMD将增加（油滴的聚合作用增强）
2
du 涡粘性系数 t dy
2
普朗特混合长度理论在自由湍流中的应用：
kb(umax umin ) t
du du t dy dy
涡粘性系数 kb(umax u min ) t
k为常数，由试验确定； u max , u min 分别为轴向最大、最 小时均速度；b为雾柱半径。 即：ℓ ~b 为雾柱半径。|dū/dy|~(ūmax-ū min)/b
（3）稠密区（过渡段）
需要考虑油滴间的直接作用（碰撞、聚合、破碎等）和间接作用（靠近影 响），但是油滴以离散态出现。可以借助于统计力学的方法考虑碰撞问题。
（4）翻腾流区（液核附近）
油与气相当，甚至更多，油不能在空气中弥散开来形成油滴，而是以薄片、 丝、网的形式出现。翻腾流是雾化过程的第一步。对揭示雾化机理有重要意 义。
a，b ，c，q均为经验常数。 积累油滴容积分布函数CVF一般应用Rosin-Rammles分布：
q Ddi CVF 1 exp D d 0
式中： Dd0为参考直径，相当于CVF=1-exp(-1)=63.2%处的油滴直径。
Dd Dd Dd f2 13.5 exp 3 d d d 32 32 32
2. 油束夹角
油束夹角θ以度º 表示； 喷孔长度L单位为m； 喷孔直径D单位为m； D/D0喷孔在入口处的直径收缩比； 空气密度ρa单位为kg/m3； 燃料密度ρl单位为kg/m3 。
3. 破碎长度（分裂长度）
破碎长度测试装置
Lb— 破碎长度m；D— 孔径m；r — 喷孔入口导角m；Pa— 环境压力 Pa； L— 喷孔长度m；ρa —气体密度kg/m3；ρl —燃料密度kg/m3；Vi—喷射速度m/s
剪切层 u0
虚源 0
分裂长度 势流核 初始段 过渡段 主体段（自模区）
4 自由湍动射流的一般特性
• 初始段：出口边缘（减切层）掺混、减速，保持出口速度的 势流核的面积逐渐缩小，在初始段结束处减为零。 • 过渡段：在初始段与主体段之间，很短，常不考虑。 • 主体段：湍流充分发展以后的射流段。 • 主体段射流上下边界的延长线，交汇于o点— — 射流的虚源。 • 所有各断面上的无量纲速度分布重合度很高。
3 圆形湍动射流
t 2 2 u x ( 1 2 / 4 ) 2
b∝x；um∝1/x μt∝bum=const
t 3 / 4 r=0v=0, u/ r=0 x ( 1 2 / 4 ) 2 r=∞ u=0 r — 待定系数 x
r
剪切层 u0
虚源 0
x
分裂长度
势流核
初始段
过渡段
主体段（自模区）
4 自由湍动射流的一般特性
• 初始射流与静止流体间形成速度不连续的间断面； • 速度不连续间断面不稳定产生波动发展成涡旋引起湍动； • 射流的卷吸现象； • 射流的卷吸、扩散和掺混产生射流阻力射流边缘速度降低 ； • 射流分成三段:初始段、过渡段、主体段
du ~ dy
即：
u ( y1 ) u ( y1 ) u ( y1 )
2
A
u ( y)
ℓ ℓ
du u ~ dy
2
y1 0 x
3 普朗特混合长度理论-1925
将上式代入雷诺应力比拟关系式，并考虑到符号关系，得：
du du du t t dy dy dy
如图为简单的平行流动，时均流速只是y的函数，当流体微 团在A点湍动时，湍动波幅为ℓ （混合长度）， x向的脉动速度 可以表示成： 1 du u ( u ( y1 ) u ( y1 ) u ( y1 ) u ( y1 )) 2 dy 同时有理由假设，纵向脉动速 y 度与横向脉动速度量级相当，即：
g
1. 油束射程
当t ≥ tb油束射程与时间t的1/2次方成正比 （与Dent公式相同，只是没有考虑Tg的影响）
p L 2.95 d0 t g
1 Lf / L 1 2 L /U j
时，油束射程L经修正为Lf
3
索特Sauter平均直径
Knight，1955（没有考虑空气密度的影响） 0. 916 0. 209 0. 215 Aorf 6 0. 458 SMD 1.605 10 p qm A(t ) eff
SMD 2.33 10 p
3
0.135
一 自由湍动射流
1.基本方程（不可压缩流体）
1） 连续性方程
ui 0 xi
2） 动量守恒方程——湍流时均运动方程（雷诺方程）
ui ui 1 p 1 u ' ' i uj f i ui u j t xj xi xj x j
第四章 燃油雾化与油束特性
高等内燃机学
北京理工大学
介绍内容

供喷油系统及喷油过程 一 自由湍动射流 二 油束特性参数研究 三 油束分裂与雾化模型 四 单油滴蒸发过程 五 油束碰撞
引言
燃油雾化的重要性
增加蒸发气化面积、增大燃烧率（~成正比） 质量燃烧率~ 反比于油滴平均直径平方值。 将 3mm直径的油滴雾化成直径为30 m的细 油滴 1 百万颗 （当前喷油容易实现） ，则燃烧率可增 加1万倍。 改善柴油机燃烧特性和排放特性 保证起动可靠性
式中：ω为空气旋转转速，单位为 1/s；Uj 为起始喷油速 度，单位为m/s。
2. 油束夹角
2 p d 0 0.05 2 g g
1/ 4
式中：油束夹角θ以度 º 表示；喷孔直径d0 单位为m；喷孔内 外压降Δp 单位为Pa；空气运动粘度νg 单位为m2/s；空气密 度ρg单位为kg/m3（ ρg增加，油滴的聚合作用增强）。
4. 油滴尺寸及其分布
油滴尺寸测试装置
4. 油滴尺寸及其分布
大部分的试验数据来自定容弹：
积 累 油 滴 数 分 布 CNF 是 ΔN=f1(D d)的积分曲线：

CNF f1 ( Dd )dDd
0
积 累 油 滴 容积 分布 CVF 是 ΔV=f2(D d)的积分曲线：
CVF f 2 (Dd )dDd
式中，括号内第二项为雷诺应力，反映的是湍流脉动对 时均流动的影响。
2 恒定湍流边界层方程
不可压缩流体、恒定轴对称边界层方程
（适当简化，省略相对较小的项）
1） 连续性方程
u 1 ( r ) 0 x r r
2） 动量守恒方程——湍流时均运动方程（雷诺方程）
u 1 u v f r u v x r r r p p 0 ; 0 x r
0

Sauter 平均直径 (SMD)、d32 来表示整个油束的油滴细 化程度：
3 N D i di d 32 SMD 2 N D i di
4. 油滴尺寸及其分布
主要需要知道：f1 (Dd)，f2(Dd)，或CVF等的经验公式：
b f 2 ( Dd ) a Dd exp( c Ddq )
索特Sauter平均直径
1989年，广安提出新的计算SMD 公式，它的适用范围是p 喷射压力从3.5MPa~90MPa。
SMD（低压） 4 .12R
0.12 e
W
0.75 e
g
0.54
dj g
0.37
剪切层 u0
虚源 0
分裂长度 势流核 初始段 过渡段 主体段 （自模区）
5 喷雾场分区
（1）极稀薄区（边缘，远端）
喷雾场外围，扩散至此的油已经雾化，而且很少，质量和体积均可以忽 略，油滴之间无相互作用，可以只求解气相方程，以便考虑气流对油气的混 合作用。
（2）稀薄区（自模区，前段）
油滴质量不可忽略、但体积所占比例小，可以忽略。油滴间距离远，可以 不考虑油滴间的直接相互作用，可以通过交替求解气相和颗粒相的控制方程 组，以体现两者之间的耦合。
二 油束特性参数研究
1. 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（登特）公式为：
p 1 / 2 294 L 3.07 t d0 T g g
1/ 4
1/ 4
计算用时间为t，单位为s；喷孔直径为d0，单位为m；喷孔内 外压降为Δ 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。 增长因素：t1/2、d01/2、Δp1/4；缩短因素：空气Tg-1/4、ρg-1/4
1. 油束射程
⑵对小缸径高速柴油机，新井（Rrai）公式： 当t≤tb油束射程与时间t成正比
L t p g 0.034 Lb d 0
1/ 2
1/ 2
1/ 2
d0 式中：t b 28.65 未减速的时间 1 / 2 p/ g Lb 15.8d0