[发明专利]一种可模拟各向同性和各项异性湍流场中喷射与雾化过程的定容实验装置

说明书

本发明提供了一种可模拟各向同性和各项异性湍流场中喷射与雾化过程的定容实验装置，该实验装置包括：圆柱形腔体，径长比不低于35％；轴流扇叶器，直径在圆柱形腔体内径80％‑100％之间；多孔孔板，将轴流扇叶器形成的旋流转化成射流流束；旋转电机和变频器，用于控制轴流扇叶器的旋转；磁力联轴器，通过非接触的磁力实现轴流扇叶器和旋转电机间的传动，从而避免实验时存在泄漏的问题；燃料喷射器，安装于圆柱形腔体母线中心位置；光学观察窗，直径不低于圆柱形腔体内径65％。在使用本发明提供的实验装置进行湍流喷射与雾化实验时，可实现在各向同性的湍流下的实验，也可实现存在单一主流湍流下的实验，还可实现在各种复杂的各向异性湍流下的实验。

技术领域

本发明设计一种定容实验装置，尤其涉及一种可模拟在各项同性和各项异性湍流场中喷射与雾化过程的定容实验装置。

背景技术

对于车船发动机而言，燃烧性能直接由燃气混合质量决定，而燃气混合质量又与燃料在发动机缸内的喷射与雾化过程密切相关，因此开展燃油喷射与雾化过程的基础性研究对于从本质上提高发动机工作的经济性和排放性都将至关重要。在车船发动机的缸内，由于活塞运动、进气流动等多因素的作用下，燃料的喷射与雾化过程都发生在湍流环境之中。因此，只有全面认知燃料在湍流环境中的喷射与雾化过程、深入了解燃料在各种湍流因素(包括湍流强度和湍流尺度)影响下的喷射特性与雾化特性，才能切实有效地根据实际的湍流环境和需求来控制和优化燃料喷射与雾化过程，提高车船发动机工作的经济性和排放性等问题。因此，在燃料的喷射与雾化特性的研究中，湍流环境中的喷射与雾化是研究的重点和核心。

目前，在对燃料的喷射与雾化过程的研究中，研究人员通常使用定容实验装置来开展研究工作，这是由于封闭的空间可以营造出与车船发动机缸内相似的高温高压环境，同时可以避免实验过程中燃料的外泄对研究人员和实验仪器产生毒性伤害。在定容装置中，研究人员通常在层流环境下开展燃料的喷射与雾化过程的研究当前主要还是在层流环境下开展，只有极少数是在球形定容装置中通过以球形内腔的中心位置处均匀布置的风扇来营造湍流环境并开展相应的实验研究工作。在层流环境中开展的研究，完全无法获得湍流因素(包括湍流强度和湍流尺度)对喷射和雾化过程的影响规律。安装有对称风扇的球形定容装置虽然可以营造湍流环境，但是所营造出来的湍流场存在很多影响研究内容和研究意义的技术瓶颈。图1所示为典型的安装有对称风扇的球形定容装置内湍流场的分布以及燃料在该类装置中从单孔喷射器喷出后的喷射与雾化过程示意图。如图所示，在这类定容装置中，空间内的湍流场具有分层分布的特点，只有距离球形中心距离相等处的湍流场才构成是等强度和等尺度的均匀各向同性；然而，燃料的喷射是以一个射束的形态进入空间，其在空间的喷射过程中，每时每刻所处的湍流强度都并不相同，甚至是其射束前锋面先经过层流区域，再经过较弱湍流区域，再经过较强湍流区域，再经过较弱湍流区域这样的一个过程。这就造成了无法分析燃油射束形态的变化是由于湍流场的连续变化造成的还是其固有喷射特性的结果，从而使得实验结果不具备科学的统计、分析和研究的意义。如果这是一个多孔喷射器在喷射，那么每个喷孔喷出来的射束行进中所通过的湍流场都不相同，这就进一步降低了实验数据的可用性。同时，对于液态燃料的喷射特性而言，其射束轮廓上的卷吸结构是重要的分析对象，而在这类实验装置中，湍流是风扇旋转而形成的旋流，而旋流在作用于液态燃油射束后，射束的卷吸结构也很难判断是旋流直接作用的结果，还是湍流喷射特性自身的结果。正是因为既有的实验装置在工作本质上存在技术障碍，湍流喷射与雾化特性的研究在过去几百年间一直处于定量认知的空白。因此，如何能模拟各项同性和完全可控的各项异性湍流场中的喷射与雾化过程成为了燃料喷射与雾化特性研究中的一个难点。