斯特林发动机喷雾特性试验研究.pdf

上海交通大学硕士学位论文                                                             摘要 
斯特林发动机喷雾特性试验研究 
 
摘要
斯特林发动机具备出色的高效低排放特性,特别是其振动噪声
小,能源适应性广,具有广阔的应用前景。在国家自然科学基金的
资助下(资助号 50776083),本文试验研究了斯特林发动机喷雾的
宏观与微观特性。 
搭建了喷雾试验台架,采用压力涡流喷嘴,在燃烧室背压条件
下标定喷射压力和燃油流量关系的基础上,研究了斯特林发动机的
喷雾特性,并系统研究了燃油流量、环境气体压力、背景介质、喷
嘴结构参数以及燃料的物性对斯特林发动机喷雾特性的影响。 
本文的主要研究工作可以归纳为以下三个方面: 
(1) 喷雾宏观特性研究 
    采用高速摄影技术比较研究了不同条件下斯特林发动机的喷
雾发展过程,并分析了燃油流量、燃烧室背压、环境气体、喷嘴参
数以及燃料物性参数对斯特林发动机喷雾宏观特性的影响。结果表
明:①随着流量的增大,贯穿距离和喷雾锥角都增大;②随着燃烧
室背压加大,喷雾的贯穿距离增大,喷雾锥角减小,当背压大到一
定程度后,它对喷雾锥角的影响程度降低;③燃烧室内气体密度增
大会导致喷雾锥角缩小,等效压力下,喷雾的贯穿距离和喷雾锥角
变化不大;④相同流量工况下,W‐2 喷嘴喷雾的贯穿距离比 W‐1
喷嘴喷雾要大,喷雾锥角更小;⑤在相同喷嘴、背压和燃油流量的
条件下,低粘度的燃料具有更大的喷雾锥角和较小的喷雾贯穿距
离。 
(2) 喷雾微观粒径的 FAM 测量与分析 
  采用 FAM 激光测粒技术比较并分析了燃油流量、燃烧室背压、
环境气体、喷嘴参数和燃料物性参数对斯特林发动机喷雾微观粒径
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特性的影响,并测量分析了空间不同位置喷雾平均粒径的分布。结
果表明:①随着流量的增大,喷雾的粒径分布更集中,同时喷雾索
特平均直径也减小;②随着燃烧室背压加大,喷雾的粒径分布更集
中,索特平均直径也减小;③相同背压下,分子量小的环境气体,
喷雾的粒径分布更集中,但平均粒径大,分子量大的气体,喷雾的
粒径分布范围宽,但平均粒径小;④W‐2 喷嘴使得喷雾粒径分布集
中,索特平均直径比 W‐1 喷嘴的要小;⑤高粘度的燃料喷雾粒径
随着燃油流量的增大而减小,而低粘度的燃料喷雾粒径会随着燃油
流量的增大而略微增大,在高背压情况下,二甲醚的喷雾粒径急剧
增大,并随着燃油流量的增大而减小;⑥在整个喷雾结构中,越靠
近喷嘴的地方,喷雾粒径分布值越集中,索特平均直径越小。 
(3) 喷雾微观流场的 PIV 测量与分析 
    采用 PIV 粒子测速技术比较并分析了燃油流量、燃烧室背压,
喷嘴参数对斯特林发动机喷雾微观流动特性的影响。结果表明:①
随着流量的增大,喷雾粒子运动的平均速度增大,雾化区域相对更
加集中在燃烧室的上部分区域;②喷雾粒子靠着中心轴附近的速度
高,外围的速度低,速度场基本对称的基础上向一侧(右侧)偏移,
流量增大到一定量后,速度场的对称性要好于低流量时;③背压提
升会使喷雾中粒子的运动速度减慢;④采用 W‐2 喷嘴时,喷雾中
粒子的运动速度要明显高于 W‐1 喷嘴的喷雾,而且喷雾中粒子的
速度分布较 W‐1 喷雾更均匀。 
本研究工作在各种环境背压下展开,为了解斯特林发动机的燃
气混合状况,以及进一步优化斯特林发动机的燃烧与性能做出了大
量有益的工作,具有良好的理论价值及工程应用价值。

关键词:斯特林发动机,压力涡流喷嘴,喷雾特性,甲醇,二甲醚,
高速摄影技术,FAM,PIV 
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EXPERIMENTAL STUDY ON THE FUEL SPRAY
CHARACTERISTICS OF STIRLING ENGINE
ABSTRACT
Stirling Engine has great application prospects because of its high
efficiency and low emission performance. Especially, it has wide
energy adaptability and excell