基于超高速摄影分析柴油机近场喷雾锥角变化特性

为研究近场喷雾锥角的变化及其对初次雾化的影响,在可视化定容弹试验台上,采用超高速数码摄影和长距工作显微成像技术相结合的方法,研究了不同喷射压力、背压及孔径对距喷孔出口4 mm范围内高速射流的喷雾锥角的影响。结果表明,在整个喷油过程中,近场喷雾锥角呈现三段式的发展,存在2个波峰"始峰"和"尾峰"以及一个稳定波动段;启喷阶段,喷射压力越高近场喷雾锥角的"始峰"值越大,且"始峰"出现的越早,喷油器的启喷性能也越好,而背压对启喷性能影响较小;结束阶段,随着喷射压力和背压的升高,近场喷雾锥角的"尾峰"值越大,同时"尾峰"出现的时刻更为靠后;稳定阶段,背压越大,近场喷雾锥角越大,而近场喷雾锥角随喷孔直径的增加呈现出减小的趋势。     

基于多普勒粒子分析仪的生物柴油喷雾特性试验

柴油机燃烧过程直接决定了柴油机的动力性、经济性和排放性能,而燃油雾化的质量又是影响燃烧过程最重要的因素。该文研究了生物柴油及其调和油的雾化特性,在模拟气缸中,运用相位多普勒粒子分析仪（phase Doppler particle analyzer,PDPA）测量系统对生物柴油及矿物柴油不同比例调和油的喷雾场进行了测量,得到了喷雾场中油滴的速度矢量和油滴直径。结果表明：在油束的核心区过后,喷孔直径对雾化影响比较大,小孔径的雾化效果好;喷油器不同的较小启喷压力（在常用启喷压力范围内）对生物柴油没有很大的影响;生物柴油的雾化效果不如柴油好,直观表现就是索特平均直径较大;油泵转速高,油滴的脉动速度就大,索特平均直径就小。     

喷油压力及背压对丁醇柴油喷雾影响的模拟及验证

为深入了解丁醇柴油的喷雾特性,该文根据喷雾可视化试验结果,利用AVL Fire软件建立了耦合喷嘴内流动的丁醇柴油喷雾模型,并依据试验结果证明了模型的准确性。通过该模型研究了喷油压力、背压和掺混比对丁醇柴油喷雾的影响,计算了各种因素对混合燃料的油束发展、喷雾贯穿距、索特平均直径(sauter mean diameter,SMD)、速度场和浓度场的影响。结果表明:随喷油压力和背压的变化,正丁醇体积分数为25%的丁醇柴油混合燃料(记为N25)的油束形态基本不变;随喷油压力的升高,N25的贯穿距增加,SMD减小,油束和环境的卷吸增强,油束中心速度和轴线附近浓度均增加;随背压的升高,N25贯穿距减小,SMD在喷雾初期稍降,喷雾中后期基本不变,油束中心的速度降低,浓度增加;随正丁醇掺混比的增加,贯穿距和SMD均逐渐降低;随环境温度的升高,贯穿距增加,SMD在温度由293.15 K升高后明显降低,而后随温度升高变化不大。该文的研究分析了多种因素对丁醇柴油喷雾的影响,为其作为替代燃料的应用提供了理论支持。     

静电喷雾的多喷头雾化特性及田间试验

针对传统喷杆喷雾机作业时需水量大、叶片背面雾滴沉积量不足和雾滴分布不均匀等问题,该研究提出一种静电喷雾与喷杆喷雾相结合的施药技术。为探究静电喷杆喷雾机的最佳工作参数,明确不同参数对雾滴雾化效果的影响,利用Fluent软件建立了流场、离散雾场和空间电场耦合仿真模型。仿真试验结果表明,多喷头的空间电场分布均匀性优于单喷头,静电喷雾的雾滴体积中径比非静电喷雾减小12.7%。搭建静电喷雾试验平台,以喷雾水压、充电电压和喷头间距为试验因素,以雾滴的荷质比、粒径、分布均匀性和沉积量为试验指标进行雾滴的荷电特性和沉积特性试验。试验结果表明,多喷头喷雾的雾滴荷质比最大值为0.26 mC/kg,比单喷头喷雾提高52.9%,雾滴均匀性变异系数比非静电喷雾减小32.1%,体积中径减小14.8%,上、中、下层叶片正面的雾滴附着率分别提高27.1%、37.3%和45.2%;静电喷雾的最佳作业参数组合为充电电压6 kV、喷雾水压0.4 MPa和喷头间距250 mm。田间试验表明,静电喷头与常规喷头喷雾施药的病虫害防治效果基本一致,静电喷头的施药用水量减少了60%。在满足防控效果的前提下,静电喷雾能增加雾滴在植株下层和叶片背面的沉积量,有效减少田间作业的需水量,研究结果可为静电喷雾技术在大型喷杆喷雾机上的应用提供参考。     

模拟复杂地形的喷雾靶标激光检测与三维重构

喷雾靶标的检测是精密变量喷雾的重要环节,激光传感器以其精度高、速度快、不受光照干扰等特点被广泛应用于精密变量喷雾研究中。为了消除激光传感器姿态角的偏移对喷雾靶标检测的影响,获取精确的喷雾靶标外形尺寸信息以及三维重构图像,进行了室内模拟复杂地形激光检测矫正研究。该文基于UTM-30LX型激光传感器搭建了室内靶标检测试验平台,模拟复杂路况设计了滚转角、俯仰角和偏航角等姿态角偏移检测试验,提出了采用极坐标值与三角函数重新匹配、检测帧与检测点重新组合和深度值系数矫正等3种姿态角偏移矫正方法。首先对树形雕花板进行单一姿态角偏移检测试验,选取适合的检测距离与行进速度,对每种姿态角的多个偏移角度进行多次重复试验,然后矫正所获取的数据信息,对矫正后的目标尺寸进行误差分析并重构目标三维图像。再以仿真树为试验对象,验证在3种姿态角度同时改变时矫正方法的有效性。试验结果显示树形雕花板高度、宽度、树冠高度等尺寸相对误差均小于5%,仿真树相应参数尺寸相对误差均小于10%,满足变量喷雾检测的精度要求。     

喷油压力喷孔直径及燃油属性对混合柴油喷雾特性的影响

为了研究松油-柴油-PODE_(3-4)混合燃料的喷雾特性,该文利用高压共轨喷油试验台结合高速摄影技术拍摄了不同工况下松油-柴油-PODE_(3-4)混合试验燃料的喷雾发展图像,分析了燃油属性、喷油压力、喷孔直径对混合柴油喷雾特性的影响。结果表明:随着喷油压力的增加,试验燃料的喷雾锥角变大,喷油压力从100到160 MPa,每增加20 MPa喷雾锥角平均增加1°左右,喷雾前锋贯穿距离也有一定程度的增长,随着喷油压力从100增加到160 MPa,最大喷雾前锋贯穿距离增加13%左右;随着喷孔直径的增大,喷雾锥角和喷雾前锋贯穿距离都呈现增大的趋势,喷孔直径从0.10增加到0.18 mm,喷雾锥角增加了3°左右,喷雾前锋最大贯穿距离增加28%左右;在纯柴油的基础上掺混松油和PODE_(3-4)后的混合燃料,其喷雾锥角、贯穿距离和油束面积相对于纯柴油都有增长的趋势,说明在纯柴油的基础上掺混一定比例松油和PODE_(3-4)有助于改善燃料的雾化效果。试验研究结果可以为松油和PODE_(3-4)成为柴油机替代燃料提供参考。     

熟肉真空冷却过程的数值模拟

该文主要针对熟肉的真空冷却进行了研究,并模拟了真空冷却过程中的系统的压力变化、产品温度变化以及质量损失。模拟结果与试验数据相比较,结果发现数值模拟的结果与试验数据吻合得很好,模拟的压力与试验测定的压力的最大偏差在200 Pa以内;模拟温度与试验温度的差值在5℃以下;模拟与试验的质量损失的偏差在5％左右。数据模拟结果表明,文中的数学模型可以被用于预测真空冷却过程中的压力、温度和质量损失的变化,来分析熟肉的真空冷却过程。     

基于Fluent的9R-40型揉碎机三维流场数值模拟

为了对揉碎机空气扰动噪声源的产生机理、噪声特性及其规律进行研究,该文运用计算流体力学软件Fluent对9R-40型揉碎机内部的流场进行了三维模拟,直观显示了揉碎机腔体内的流场特性和流动状态,并且对计算所得的风速曲线和试验测得的值进行对比,结果表明,二者最大相对误差小于8%,且得到了转速为2 800 r/min运动时揉碎机流场的压力分布和内部流场速度分布。通过气流流场模拟结果分析表明,低速气流从进气口经高速旋转的转子作用后,产生了旋转噪声和涡流噪声;另外,在出料直管内形成一个回流区,易造成出料口堵塞,也会产生噪声。     

不同坡度及植被覆盖度下的坡面流特性数值模拟

为深入研究坡度与植被对坡面流水力学特性的影响,以Navier—Stokes方程为基础,建立了非淹没刚性植被坡面流模型,并对该模型进行验证。运用该模型,参考西南山区实际情况,设置6个坡度、6个单宽流量和6种覆盖度组合条件下共216种工况,研究了坡面流的水力学特性。结果表明:流速与坡度、流量及植被覆盖度之间呈指数变化,相关系数为0.987。相同流量下,随着坡度的增加,流速增速逐渐减小,植被对坡面流的减缓作用逐渐减弱。阻力系数受到坡度、流量和植被覆盖的影响,存在临界覆盖度,低于临界覆盖度时,阻力系数与流量呈现负相关,高于临界覆盖度时,阻力系数与流量的呈现正相关。且临界覆盖度受到坡度的影响,坡度越大,临界覆盖度越大。研究结果可为山区水土流失的预防以及山洪水沙耦合致灾机制的研究提供理论参考。     

轴流泵叶轮区域空化特性数值模拟

为了研究轴流泵内部叶轮区域空化特性,该文基于ANSYSCFX软件,分别应用Standardκ-ε,RNGκ-ε,κ-ω和SSTκ-ω湍流模型、均质多相流模型,对比转数ns=1033轴流泵在不同工况下进行全流道数值计算,将模拟值与试验结果进行对比分析,验证不同湍流模型及多相流模型的适应性并探究叶轮区域的空化特性。结果表明:在设计工况下,基于κ-ω湍流模型较其他3种湍流模型计算准确,临界汽蚀余量NPSHc计算值与试验结果误差为6.32%,可以较好反映轴流泵内部空化特性。随着有效汽蚀余量NPSH值的减小,空化首先在叶片背面进口靠近轮缘处发生,然后沿着主流方向往叶片中部发展直至充满整个流道,在临界汽蚀余量工况下,叶片中部区域空化面积较大,空化较严重时,叶片背面流线在叶片后部较紊乱,在靠近轮毂处形成漩涡微团,并向轮缘处移动,同时引起叶轮出口截面处轴面速度分布不均匀,增加了叶轮区域流场的紊乱性,揭示了叶轮区域内部空化流动特性。     

基于小角散射的柴油机排气颗粒的孔隙结构分析

为进一步降低柴油机的颗粒排放。针对柴油机的排气颗粒,采用热重分析和同步辐射X射线小角散射的方法,分析了颗粒在氧化过程中的内部特征、孔隙结构参数以及孔隙数量和尺寸分布等随氧化温度的变化规律。结果表明,随着氧化温度的升高,颗粒中电子密度差逐渐增大,颗粒之间的统计平均距离增大,颗粒尺寸逐渐减小;颗粒孔隙分布分维数、截面平均孔径、回转半径以及轴向长度均有明显增加;颗粒孔隙的结构紧密程度下降,随着氧化温度升高,小尺寸孔隙数量逐渐减少,大尺寸孔隙逐渐增加,100℃时的颗粒孔隙尺寸主要分布在6~7 nm,200℃是的颗粒孔隙尺寸主要分布在8~9 nm,400℃的颗粒孔隙尺寸主要分布在12~13 nm,总体上孔隙的尺寸和数量呈上升趋势。利用同步辐射X射线小角散射的方法,掌握颗粒氧化过程中孔隙结构的变化规律,对于丰富颗粒的测量方法提供了借鉴,为完善颗粒的氧化机理提供了相关基础数据。     

高功率密度柴油机的排气流通特性

为了分析柴油机功率密度提高后排气流动特征的变化,建立单缸柴油机一维热动力模型,对转速为3000r/min时柴油机的控制参数和热动力参数进行仿真,计算结果与试验值吻合良好。应用校准的模型分析柴油机提高功率密度对排气流动的影响。结果表明,随转速提高超临界排气持续曲轴转角明显增加,在转速为4200r/min时达128°;活塞排气指示功明显增大。排气流通面积成为影响高功率密度柴油机排气流动性能的主要因素,增大排气门喉口直径,可缩短超临界排气,减小排气指示功绝对值。为高功率密度柴油机排气系统的优化设计提供理论参考。     

共轨柴油机缸内喷雾与燃烧动态可视化试验

为研究电控高压共轨柴油机缸内喷雾与燃烧,以某高压共轨柴油机为样机设计了一种多功能动态可视化试验装置,采集了共轨柴油机缸内动态燃烧过程图像。在此基础上,对柴油机进气道进行改进,利用工业纯度的氮气替代新鲜空气,使柴油机在单缸不着火的条件下,实时采集缸内多次动态喷雾图像。研究表明:利用该装置可以清晰、真实地观察到电控高压共轨柴油机预喷、主喷与后喷的多次喷油时间、喷雾锥角和雾化情况。预喷发生在-25°曲轴转角时,持续期约5°曲轴转角,喷油量较少,雾化不明显;主喷发生在-10°曲轴转角时,持续时间约10°曲轴转角,喷油量大,贯穿力强,可以清晰地观察到缸内明显的油束和喷雾锥角,喷雾以直线形式向活塞顶"ω"型底部扩展;后喷发生在8°曲轴转角时,持续时间较短,喷油量较少,但由于较高的缸内温度使燃油雾化效果明显。在着火时,可以实时观测不同工况下缸内着火、火焰中心形成以及火焰传播过程。缸内着火初始,燃油离散不充分,只有部分燃油和空气混合,即所谓的预混合着火部分(-15°~-4°曲轴转角)。在上止点附近,随着空气的流动使得火焰迅速扩散而充满整个燃烧室。对比额定工况下缸内燃烧图像,怠速工况下着火时刻推迟约5°曲轴转角,火焰占有面积较小,亮度较低。该研究为合理组织电控共轨柴油机缸内喷雾与燃烧提供大量的缸内信息与试验测量手段,可以对柴油机缸内喷雾与燃烧模拟计算结果进行试验验证。     

融合激光三维探测与IMU姿态角实时矫正的喷雾靶标检测

基于高精度激光传感器的喷雾靶标特征检测是精准施药变量决策的重要依据。为了改善复杂地形条件对车载激光靶标检测的影响,进行了车载激光喷雾靶标检测与矫正研究。该文基于惯性测量单元(inertial measurement unit,IMU)与UTM-30LX型激光传感器搭建靶标检测试验车,IMU实时获取车体姿态角的偏航角、俯仰角及侧倾角信息,车载激光传感器实时获取目标切面轮廓的极坐标数据。将获取的目标切面轮廓的极坐标数据与试验车姿态角信息相匹配,通过矫正算法获取精确的目标外形尺寸信息并重构目标三维图像。试验设计首先对长方体柜子与仿真树进行车体单一动态俯仰角的检测试验,然后以仿真树为试验目标,进行车体存在复合动态俯仰角与侧倾角的检测试验,最后在未知地形条件下对长方体柜子以及仿真树进行动态姿态角检测与矫正试验。利用MATLAB软件对数据矫正分析,对矫正后的目标尺寸信息进行误差分析并重构目标三维图像。试验结果显示矫正后长方体柜子的高度、宽度最大相对误差分别为8.89%和8.00%,仿真树的高度、宽度以及树冠高度最大相对误差分别为5.63%、10.00%和5.00%,矫正效果良好,验证了矫正算法的有效性。     

柴油机燃用水乳化柴油着火时刻的化学动力学特性

以4100QBZL-2型增压直喷柴油机为研究对象,利用美国劳伦斯利弗莫尔国家实验室(LLNL)的正庚烷第三版详细模型进行化学动力学计算,对被测发动机上燃用纯柴油,体积分数为:10%。、20%、30%的水乳化柴油时缸内的着火时刻进行模拟研究,并将化学动力学计算结果与试验结果及计算流体力学与正庚烷简化模型(CFD-SKLE)的耦合计算结果进行对比分析。研究结果表明:水乳化柴油所引起的着火时刻延迟是由于乳化燃料中的水分在缸内的物理现象所引起。从化学动力学的角度来分析,乳化燃料内的水分可以促进H、O、OH、HO2等自由基在低温反应(冷焰)阶段的大量生成,为随后的高温(热焰)反应提供了条件,最终使着火时刻提前。通过对掺水后正庚烷氧化反应的敏感性分析可知,水分会在正庚烷氧化的低温反应时期对过氧烷基的异构化过程与过氧化氢酮的分解过程产生了促进作用,从而加速正庚烷氧化的链式反应的进行。     

基于高频电磁阀的脉宽调制变量喷头喷雾特性

为探究基于高频电磁阀的变量喷雾特性,该研究采用高频、对信号快速响应的电磁阀设计了高于20 Hz的脉宽调制(pulse width moderation,PWM)变量喷雾系统;针对农业施药作业上常用ST标准扇形和IDK防飘喷头,测试了不同频率和占空比对流量、雾滴粒径、雾化过程、纵向沉积分布均匀性的影响。结果表明,在高频下,流量与占空比呈线性关系,随着频率的增大,流量线性区间减小,增大压力和频率,可以有效增大流量调节倍数,30 Hz时最大可达10倍;PWM喷雾时,瞬间雾滴粒径发生周期性变化,增大频率,雾滴体积中值中径(volume medium diameter,VMD)平均值受占空比的影响变小,占空比增大,VMD有减小的趋势,对于ST110-02号喷头各频率下VMD从占空比20%~100%下降了100μm;沉积试验中,频率和占空比都会影响沉积均匀性,对于IDK120-04号喷头,占空比为40%时,30 Hz下的C.V(coefficient of variation)值较15Hz减小了6.07%;15 Hz时,IDK120-02和04号喷头在占空比40%到100%变异系数分别下降了11.75%和18.31%;30 Hz时,两喷头在占空比40%到100%变异系数分别下降8.72%和12.24%,并且,ST喷头沉积均匀性优于IDK喷头。该研究为高频电磁阀在PWM变量施药系统中的应用及参数选择提供理论基础。     

低矮果园自走式风送喷雾机研制与试验

针对传统果园株行距普遍偏小、树冠交叉、大型植保机具入园作业困难等特点,该文研制了一种适于低矮果园的自走式风送喷雾机。该机各工作部件独立控制,利用设置在发动机飞轮上的分动箱把动力传递给轴流风机、隔膜泵、液压装置、行走系统等工作部件;风送装置流道型式为R+S级,叶轮直径0.6 m,叶片数为9,后导叶叶片数为11,宽度为0.1 m。通过室内试验和样机田间试验分别测试了风机性能特性和树冠中的雾滴覆盖率及沉积密度,结果表明,风机转速在1 400 r/min时风量为2.7 m3/s,全压效率值为82%,满足风送作业要求;风机转速1 600 r/min时全压效率最高,达到86%;树冠内部枝叶正反面雾滴覆盖率分别为58.76%、19.60%,树冠外层枝叶正反面雾滴覆盖率分别为与69.35%、32.66%,树冠内部枝叶正反面沉积密度为115、79个/cm2,树冠外层枝叶正反面沉积密度为105、96个/cm2,满足病虫害防治雾滴沉积密度要求20个/ cm2;作业效率为0.91 hm2/h。