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天然气发动机混合器结构对混合过程影响的研究

作者:admin来源:本网 日期:2017-10-26 14:07:58 人气: 标签:

  第22卷(2004)第6期内燃机学报天然气发动机混合器结构对混合过程影响的研究张惠明i,龚英利1王强2,黄叶舟1张颖1(1.天津大学内燃机燃烧学国家重点。

  设计遵循的原则是使试验透射式进气管尽可能接近原进气管的结构参数,并尽可能增大透视窗口的尺寸,以增加视场范围。由真空泵的抽吸作用使空气流入进气管模型,管内真空度由负压计测量。

  在混合器喉口附近,沿混合器的直径方向插入引流管(引流管的安装位置如所示)并用密封胶涂抹于接口处。为了研究引流管结构对混合过程的影响,设计了如中所示的三种引流管。方案1、方案2采用圆形截面引流管,方案3采用翼型截面引流管。

  纹影摄影装置由钨卤素灯光源、两个凹面镜(分别作为准直镜和纹影镜)、反射镜、刀口器和高速摄像机组成。刀口与气体流动方向的夹角成90°摄像机为KODAKMotionCorderAnalyzerSR~C高速数字摄像机。其内存为512MB,摄像速度为(30~10000)幅/s.高速数字摄像机拍摄的图像通过READCAM软件下载至计算机上进行处理。为了研究混合器内天然气和空气的混合过程,采用该纹影摄像系统测试混合器内的浓度场。在拍得的纹影图像中,其对比度Rc与视场的浓度梯度为或段长度;ak为光线通过高度;P为气体密度;x、y为刀口切割方向(刀口处光源像的示意图如所示)由上式可知,当视场中的流体混合均匀无浓度差,即浓度梯度¥=或=0时,图像的对比度y x Rc=0.因此可以利用纹影图像的对比度Rc判断不同密度流体的混合过程。

  由于天然气和空气的密度相差较小,因此在纹影系统的设计上,选用球面直径为3000mm、焦距为300mm的大直径、长焦距凹面透镜作为准直镜和纹影镜,并仔细调整刀口位置,以求清晰地拍摄出视场中流体浓度的变化。

  2试验结果和分析2.1无引流管混合器的燃气扩散混合过程试验首先研究了无引流管混合器空气一天然气的扩散混合过程,采用的文丘里式混合器喉口直径d为48. 3mm,喷孔数nX直径di为16X杓mm的喷孔沿喉管壁面均布。试验中使节气门开度顺序增大直至节气门全开。

  中给出了气门开度角0为18°、33°、78°时混合器内天然气一空气混合状态的纹影图像管内真空度由控制真空泵的转速获得。

  由可以看出,随着节气门开度增大,空气流速提高,天然气和空气之间的混合程度变差。在这种混合器中,喷孔燃气射流与混合器中的空气流动成90°夹角。这种交叉射流有利于燃气和空气之间的混合过程。但由于气体燃料由喉管周边进入混合器后在上游空气的作用下首先沿管壁扩散,燃气射流向混合器内空气流扩散的范围相对较小。为此在试验中研究了垂直于管壁的单一喷孔燃气射流在混合器内的扩散混合过程。

  所示为单一喷孔的燃气射入混合器内的空气流后,沿混合器径向行进一较短距离后,即折向混合器的轴线方向(空气流动方向)。当节气门开度(0)较小,为18°、33°时,受节气门的作用混合器内的空气流速较低,空气流的动量较小,燃气射流与空气流相比,其流速较高,动量较大。所以燃气射流沿混合器径向的贯穿距离还可较长,向空气的扩散范围还可较大,可以获得较好的混合效果。当节气门开度变大为58°时,混合器内的空气流速随之提高,空气流动量增大。小孔喷出的燃气与空气流动虽仍然形成交叉射流,但是由于燃气射流的流速和动量与此时空气流动的流速和动量相比较小,使燃气射流进入混合器后沿径向贯穿一较短距离后即向混合器轴线方向偏转,难于达到混合器中心部位,燃气难以向空气流扩散混合,在混合器的周边聚集随空气向下游流动,在纹影图像中出现了大面积的不均匀密度场。这一试验结果也被DavidGimbres等人的研究证实。当节气门开度继续变大为78°时,由于混合器内的空气流速和动量大幅度增加,燃气射流的流速和动量相对空气流动的流速和动量更小,燃气射流几乎流入混合器后即向空气流动的轴线方向偏转,更加难于向混合器的中心部位扩散,燃气与空气的混合效果2.2引流管混合器的燃气扩散混合过程2.2.1圆形引流管射流方向对燃气扩散混合过程的影响为了探索利用引流管改善燃气扩散混合过程的机理,首先研究了圆形引流管的射流方向对混合过程的影响。引流管直径d为14mm,引流管上的燃气喷孔位置和喷孔尺寸如所示。方案1的喷孔与混合器内的空气流动方向成70°夹角,燃气与空气流形成交叉射流;喷孔沿引流管方向均匀分布。方案2的喷孔与混合器内的空气流动方向一致,即燃气与空气形成相伴平行流动。给出了两种不同引流管混合器在节气门开度角9为18°、33°和78°时的天然气一空气混合状态的纹影图像。

  分析中的纹影图像可以看出:与中的无引流管混合器相比,在燃气与空气流形成70°交叉射流的方案1中,不同节气门开度时临近引流管处,燃气向空气流的扩散程度反而不如无引流管混合器。这是由于在燃气从引流管喷出后的一段初始距离内其燃气与空气间的动量交换和扩散不及无引流管混合器的90°交叉射流,且引流管的喷孔分布于混合器的整个直径方向上,因而在该处的整个直径方向有较浓的燃气,呈现了较大的浓度梯度。该处还呈现了另一特征,即随着节气门开度的增大,天然气一空气的混合气浓度梯度也随之有所增大,燃气聚集较多。这是由于增大节气门开度,使燃气流量增加的缘故。在燃气自引流管流出后的中下游区域由于燃气与空气流形成的交叉射流,使空气流在混合器的整个直径方向上吹拂燃气射流,扩大了空气与燃气的作用范围,且燃气也获得了足够扩散空间,消除了无引流管混合器在节气门开度较大时存在的燃气贴壁现象,因而这种引流管方案与无引流管混合器相比,燃气和空气在混合器的中下游获得了良好的混合效果。随着节气门开度增大至33°和78°时,空气流速增大,有较大的空气动量在整个混合器截面上作用于燃气射流,使燃气和空气在混合器的中下游获得了比节气门开度为18°时更好的混合效果,浓度梯度降低。

  中还给出了方案2的混合过程图像。如图所示,在燃气射流自引流管喷孔喷出后的一较短距离内,由于在燃气和空气形成的平行伴流中空气和燃气射流间尚未发生相互作用,燃气射流尚未得到扩散,因而在图中三幅不同节气门开度的图像中,都可以清晰地分辨出在燃气自引流管喷出后的初始段各喷孔喷出的燃气射流图迹。在这一阶段,可以说燃气和空气的混合尚未开始。随着平行伴流中燃气射流向下游行进,燃气射流在自身动能的作用下逐渐向四周扩散与空气混合。但是由于在平行伴流中,空气流对燃气射流的吹拂作用小,燃气射流与空气流之间的动量交换远不如方案1混合过程。在这种混合器的中下游,其混合效果明显较差,燃气和空气的混合效果远不如方案1引流管混合器,也不如前述的无引流管混合器。

  2.2.2翼型引流管对燃气扩散混合过程的影响在混合器中设置引流管增加了进气阻九为此研究了具有较小阻力的翼型引流管对天然气和空气混合过程的影响。翼型引流管按圆头朝向进气上游方向,尖尾朝向下游安装在混合器中(如方案3所示)喷孔与空气流动方向成70°夹角,燃气与空气流形成交叉射流。圆形引流管混合器的混合过程图像中给出了装有翼型引流管的混合Fig然气和空气混合状态的纹影图像。翼型引流管的喷孔数nX孔径d为16XY3mm.这种使燃气与空气形成交叉射流的翼型引流管混合器,在降低了空气流动阻力的基础上,也取得了良好的混合效果。

  分析该图可以看出,这种混合器的特点是:除有上述方案1和方案2混合器在临近引流管喷孔处燃气扩散不很明显的特点外,其与方案1和方案2相比,空气流扰动对燃气扩散的影响很小,在引流管的中、下游没有较大面积燃气聚集涡团的痕迹,燃气流线较平直。笔者认为这是由于空气流经翼型引流管后,流动没有分离,引流管下游没有圆形引流管的旋涡所致。

  众所周知,当流体流经非流线型物体时(如前述的圆柱形的引流管)由于边界层的分离,在物体后形成一个宽阔的旋涡尾迹。这种旋涡在混合器中不仅大大增加了空气和燃气的流动阻力,也对其产生扰动。这种扰动可能有利于燃气和空气的混合。但如所示,引流管后的旋涡阻塞了流体的流动,减小了空气的流动空间,使空气和燃气在一定流动距离内扩散范围减少,且旋涡又带动了燃气射流回旋,形成了燃气局部聚集的涡团,使反映混合均匀度的对比度曲线呈现较大的波动。这种燃气涡团随着向下游流动逐渐扩散。流体力学原理说明这种流线型物体大大地减小了流动阻力。空气和燃气流经流线型的翼型引流管后流动没有分离,没有明显的旋涡,增加了这一区域燃气和空气的扩散混合范围。如所示,翼型引流管后没有燃气聚集涡团出现,对比度曲线的波动明显减小。

  3结论本文建立的纹影摄像系统可以清晰地拍摄得到空气和天然气的混合过程图像。

  无引流管文丘里管式混合器由于气体燃料由喉管周边进入,在上游空气的作用下燃气射流沿径向贯穿一翼形引流管混合器燃气扩散混合过程较短距离后,即向混合器管壁方向偏Fi转,在节气门开度较大时,较难向混合ventuHmixerwithWfoimdeUvMyp器中心部位扩散。

  在文丘里式混合器内设置引流管可以改善混合器内天然气与空气的混合质量。引流管沿混合器直径方向设置,且燃气喷射与空气流动形成交叉射流可明显地改善混合过程。

  按交叉射流设计的翼型引流管大大减小了空气流动阻力,扩大了引流管后燃气向空气的扩散范围,取得了良好的混合效果。

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