[发明专利]一种自动识别柴油喷雾破碎过程自动实现喷雾连续计算的方法

说明书

本发明公开了一种自动识别柴油喷雾破碎过程自动实现喷雾连续计算的方法，从而自动判断柴油喷射过程中液膜破碎到液滴这个过程，实现喷雾连续计算的SD‑ELSA算法。SD‑ELSA算法以计算网格中液相的球形度和平均粒子直径为判断依据，使用拉格朗日方法计算流场中的粒子，使用欧拉模型计算全流场内网格节点信息中属于连续液相的网格，对符合两种判据的欧拉团块，将其转化为粒子应用拉格朗日法重新进行计算。该方法实现了欧拉‑拉格朗日模型的动态转化耦合，能够自动获得流场离散相与连续相的完整信息并进行迭代计算，获得柴油射流的液柱、一次破碎以及二次破碎三个阶段，完整表现柴油喷雾过程。

技术领域

本发明属于柴油机喷雾特性研究领域，涉及喷雾特性的仿真计算方法。

背景技术

高压柴油通过喷孔射流进入柴油机气缸内，柴油在射流过程中会首先从出口连续的液柱状态逐渐在液柱外围形成液膜，并进一步随着射流发展，液膜破碎开始产生液滴，这些液滴进一步破碎发展，最终形成雾化。这是一个沿着射流方向上，存在连续液相区域、连续相和离散相混合的过渡区域以及一个全部都是离散相的全液滴区域的过程。现有的光学测试方法成本较高，仿真计算模拟是实现柴油射流过程可视化研究的主要手段。

整个柴油喷雾过程，按照从喷孔出口开始，最先喷出的为液柱状态，此时流态为实心圆柱；当液柱以连续液体的形式喷出时，受外界气体扰动，液柱头部会形成液膜，液柱头部呈现为蘑菇状形态；随着柴油喷射，液膜边缘由于表面张力与空气阻力失衡发生液膜破碎，此时形成的液滴为液膜破碎形式；同时在液柱表面形成的表面波，随着振幅逐渐扩大，破碎的液膜分裂成液片和大液滴，此时为初级雾化，液柱直径变窄，蘑菇状头部发生形变；当大液滴的直径超过临界值，会进一步破碎成小液滴，该过程为二级雾化，此时液滴长度成为破碎长度并稳定存在于喷雾场中。

有两种描述流体运动的方法：欧拉(Euler)和拉格朗日(Lagrange)方法。欧拉法着眼于确定位置的空间点，基本思想是考察不同时刻相同位置的流场中各种变量的分布，适合于连续相的液柱和液膜计算。拉格朗日法即为离散相模型，基本思想是跟踪每个流体质点在流动过程中的运动过程，适合于离散的液滴计算。

目前主要的计算方法是更多采用拉格朗日(Lagrange)方法，重点关注喷射射流中液滴特征，如DDM模型。应用DDM模型时，认为喷孔出口就已经有液滴离散相存在，需要明确喷孔出口等效直径、粒子直径和平均速度。这种方法一是这个初始条件需要反复迭代试凑，而且这个计算方法简化了液柱区和混合区，与实际雾化过程不相符合。现在的研究已经开始结合欧拉和拉格朗日方法，通过预先在喷射的方向上定义确定的空间位置来假设该区域为连续相和离散相的混合区域，该区域到喷孔之间采用欧拉法，该区域之后使用拉格朗日法，即ELSA方法，但是这种方法一是确定该混合空间的准确度对计算精度影响很大，而且不能动态改变该区间位置，不适合应用于当喷射压力等条件改变的变化工作状态。

为了能够自动实现当边界条件改变也能自动连续实现喷雾过程的计算，本方法对射流过程中液膜连续相到液滴离散相过程进行动态识别，以球形度与平均粒子直径为判断指标，从而实现欧拉方法和拉格朗日方法的自动耦合。

发明内容

此方法的应用要满足两个假设：液相永远存在于流场中且每个区域会随时产生粒子；粒子会成为气相但不会成为液相，即拉格朗日方法永远不会返回到欧拉法。

在仿真计算中，一个网格体系下只能应用一种计算体系，故本方法以欧拉法为基本体系计算完整的流场，对于符合球形度和平均粒子直径判据的初生粒子，使其脱离出原有网格空间，在原有欧拉法上覆盖另一层拉格朗日计算体系来实现对流场粒子特征的动态识别，具体步骤如下：