[发明专利]一种预测缸内油束喷雾及燃烧现象的建模方法

说明书

本发明提供了一种预测缸内油束喷雾及燃烧现象的建模方法，包括建立以概率学分布为基础，利用正态分布，建立喷雾模型中小液滴的速度概率分布与浓度概率分布的关系的喷雾模型；利用能量守恒及质量守恒定律计算燃油油柱破碎后的初速度的算法公式；对于燃油破碎过程的简化算法；本发明可以从原理上反映缸内油束喷雾及后续燃烧的具体情况，更好地反映缸内油束复杂的能量及动量变化，在保证计算精度的同时兼顾计算的快捷。

技术领域

本发明涉及一种预测缸内油束喷雾及燃烧现象的建模方法，属于船用柴油机喷雾与燃烧测试技术。

背景技术

对于船用柴油机缸内喷雾与燃烧情况进行深入研究，是实现节能减排目标的有效手段。通过构建喷雾及燃烧的现象学模型，可以对油束在缸内喷射所产生的时空干涉问题进行数值仿真计算，进而为后续的相关实验提供参照与预测结果，从而达到控制燃烧速率，调节喷油规律的作用，为船用柴油机系统的优化提供理论依据。

在现有的现象学模型建模方法中多基于前人总结的各类经验公式，不能从原理上反映缸内油束喷雾及后续燃烧的具体情况，更不能反映缸内油束复杂的能量及动量变化，计算过程也更耗时。

发明内容

本发明的目的是为了解决现有的现象学模型建模方法中无法从能量及动量守恒上反映缸内油束喷雾及后续燃烧的具体情况而提供一种现象学模型建模方法，可以对缸内油束的喷雾问题进行数值仿真计算，为后续的船用柴油机系统优化提供预测结果及理论依据。

针对现有技术的不足之处，本方案提出了一种基于粒子动力学和概率分布现象学模型的预测缸内油束喷雾及燃烧现象的建模方法，可以准确地预测缸内油束喷雾及燃烧，显著地提高数值模拟运算速度，解决了在工程实验中需要准确快速地得出模型预测结果的问题。

本发明的目的是这样实现的：

一种预测缸内油束喷雾及燃烧现象的建模方法，该方法包括以下步骤：

所述现象学模型中对于柴油喷雾中的液滴浓度分布做了更加符合实际情况的假设，在喷雾模型中以概率学分布为基础，利用正态分布，建立喷雾模型中小液滴的速度概率分布与浓度概率分布的关系，液滴水平方向的分速度形成燃油喷雾贯穿距，竖直方向的分速度造成燃油液滴在二维平面上的展开，根据正态分布里的三西格马原则，确保绝大多数燃油液滴均分布在燃油喷雾范围之中，所述模型将其沿径向划分为10个区间，燃油液滴浓度分布的概率密度如图1所示，依次为：0.0056、0.0275、0.079、0.1591、0.2262、0.2262、0.1591、0.079、0.0275、0.0056。

所述现象学模型中利用能量守恒及质量守恒定律计算燃油油柱破碎后的初速度。燃油油柱向前运动的过程中，气体对油柱施加了阻碍其运动的阻力，在液体表面张力与气体摩擦阻力共同的作用下，油柱破碎形成柴油液滴，为保证破碎前后燃油的质量守恒，将计算对象视为一个时间步长里喷射出的燃油。

所述模型中对于燃油破碎过程做如下的简化：在破碎时油柱直接破碎成液滴，且这些液滴的直径相同；油柱破碎变成液滴是在极短的时间内完成的，即在破碎的那一瞬间空气阻力不做功，只有液体表面张力与燃油内部的拉普拉斯压力做功，将燃油油柱的一部分动能转化为燃油液滴表面自由能与拉普拉斯压力能。

根据上述简化对计算对象列能量守恒方程如下所示：

上式中：m_f为燃油的质量；ρ为破碎之前的燃油密度；p₁为破碎之前的燃油压力；u₁为破碎之前燃油的向前运动速度；g为重力加速度；Z为破碎之前燃油的相对高度；σ为燃油的表面张力系数；S₁为破碎之前的燃油液柱的相对表面积；p₂为破碎之后的燃油压力；u₂为破碎之后燃油的向前运动速度；S₂为破碎之后的燃油液滴的相对表面积。