喷孔内过热流体的气泡生成及微爆雾化机理研究

For most combustion systems using liquid fuels, fast and effective atomization, evaporation and mixture preparation are critical to combustion efficiency improvement and emission reduction. Comparing to the conventional high pressure injection systems, the superheated liquid fuel flowing inside a nozzle hole will generate bubbles due to cavitation and flash boiling, which could cause prompt atomization and rapid evaporation of the liquid jet, resulting in an effervescent spray. However, due to the flow complexity and space constraint in the nozzle hole, the physical processes and mechanism involved in the effervescent spray formation are not clear. Besides, the bubble formation processes due to the cavitation and the flash boiling are different. The bubble nucleation, growth, break up, coalescence,collapsing and micro-explosion, etc. further increases the complexity and difficulty to study. In this research, the superheated nozzle internal flow and near-field spray atomization are investigated. A specially designed 2D transparent nozzle is used. The bubble behavior from cavitation and flash boiling in the nozzle together with the near field spray atomization processes are imaged using high speed laser based microscopic imaging technique. The objective of this study is to understand the inflences of flow condition, cavitation and flash boiling on bubble formation and development, and the relationship between the bubble micro-explosion and spray atomization. A physical model describing those processes is expected to be built.

在液体燃料燃烧系统中，快速有效的燃油雾化、蒸发和混合气形成对于高效清洁燃烧至关重要。与传统高喷射压力雾化系统相比，过热液体在喷孔内流动过程中由于气穴和闪沸产生气泡，使得液体在喷孔出口处由于气泡微爆而急剧分裂、瞬间蒸发。但是，由于喷孔内部的流动空间极其有限，流动状况复杂多样，气穴和闪沸产生气泡的物理过程和机理各不相同，这些气泡在流动过程中不断地产生、成长、分裂、合体、消失、微爆，是典型的两相传热流动问题，研究难度大，其物理机理尚不明确。本课题以过热流体在喷孔内流动和喷嘴出口处的雾化过程为研究对象，设计独特的二维可视化喷嘴，利用高速激光显微摄影对不同流动状态下喷孔内气穴和闪沸产生的气泡的形成、发展过程进行可视化研究，并与气泡离开喷嘴后的喷雾近场的雾化特性进行关联，解明流动、气穴、闪沸三者对气泡形成、发展的作用机理，以及气泡微爆和雾化之间的关系，建立物理模型。

本课题以孔内过热流体为研究对象，基于一款特殊透明喷嘴利用先进的高速成像技术对孔内过热流体气泡的产生、发展、爆裂等过程及其对喷嘴出口喷雾的影响展开了系统的研究。并且，该喷嘴流道可以根据需求进行合理设计、更改，以研究喷孔结构对孔内流体特性及近场喷雾特性的影响。此外基于实验结果，本课题建立了对应的孔内喷雾的仿真模型。. 实验结果显示，在过热条件下，燃油在喷出喷孔之前就已经发生汽化，并沿着流道内壁面产生气泡。汽化产生气泡的大小、数量，随着过热度的增强而显著增大，燃油在孔内汽化的起始位置也随着燃油过热度的增强而更加远离喷嘴出口。这些气泡会随着流体向喷嘴出口运动，并逐渐向喷嘴中间移动。这些气泡在喷出喷孔的一瞬间由于喷孔约束作用的消失而爆破，由此产生显著的微爆现象，促进喷雾的破碎，导致闪沸喷雾在喷嘴近场瞬间膨胀。 另外， 在进入低压环境之后，燃油仍然处于过热状态，液核内部会由于沸腾产生大量的气泡，这些气泡长大、破碎，也会促进喷雾的破碎过程。所以，闪沸喷雾的雾化主要由燃油喷孔内汽化及燃油孔外的沸腾共同决定，闪沸喷雾初次破碎过程受孔内燃油汽化影响更大。喷孔结构对喷雾雾化、蒸发有着重要的影响。 因此本研究也研究了喷孔长度，入口圆角大小对孔内过热流体汽化现象的影响，并且通过对比气穴与闪沸现象，分析了气穴气泡与闪沸气泡之间的差别。气穴气泡由于喷嘴入口处的瞬间压降产生，气泡内压力小于主流体压力，因此会随着流体远离喷孔入口而被压扁，甚至消失。但是闪沸气泡是由于流体饱和蒸汽压高于流体压力而产生，其内部压力高于流体压力，因此其会一直存在，并随着流体的运动而长大，最终喷出喷孔。.到目前为止，本课题已经顺利完成了各项研究内容和研究目标。研究成果共计发表学术论文 篇，其中国际SCI及其EI期刊学术期刊论文13篇，国际会议 21篇，依托本项目培养硕士研究生2名，博士研究生2名，获得了良好的学术成果和社会价值。