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柴油机高压共轨燃油喷射系统是中国当前“卡脖子”核心技术之一，喷油器喷嘴是连接系统上游燃油喷射与下游喷雾的关键部件。高压燃油快速流过喷油器喷嘴时常伴有空化现象，导致喷孔内形成复杂的气液两相流，空化的形成影响喷嘴内部流动特性，而壁面空化泡的溃灭会导致喷嘴壁面损毁，也影响射流雾化特性。本文从喷嘴内空化泡溃灭对喷孔壁面的空蚀损毁风险和对射流破碎的影响两个方面，发展模型并分析喷嘴内部空化效应，为柴油机高压共轨喷嘴机械寿命及喷雾性能等重要性能指标的提升奠定重要理论基础。本文主要研究内容和创新性结论如下，
(1)基于气泡动力学理论分析气泡溃灭过程，得出的压力分布表明，气泡自由溃灭时，泡外流体存在环形高压激波区，当气泡附近存在壁面时，溃灭压力远高于环境压力，是对壁面产生冲击及疲劳破坏的重要原因。基于气泡溃灭速度和空化冷凝传质速率方程建立了空蚀风险预测模型，并经空化流动及快速空蚀同步实验验证了模型的准确性。基于该空蚀风险预测模型，数值模拟研究了柴油机双层多孔喷嘴内部空化流动特性及空蚀风险。研究结果表明：双层喷孔的低位孔入口处空蚀损伤风险最高；增加喷孔锥度可有效抑制空化形成，并降低空蚀风险；针阀抬升初期的小针阀升程时空蚀风险位置出现在针阀表面和底座密封面处，而高针阀升程时，空蚀风险集中在喷孔入口和喷孔上表面附近。
(2)基于耦合大涡模拟的界面追踪方法研究了喷嘴孔内的几何诱导云空化对近喷孔区射流破碎瞬态特性的影响。研究揭示了空化射流表面液滴从射流主体脱落及初次破碎机制，喷孔内部空化泡的溃灭是导致射流表面失稳并诱发表面波动和破碎的重要原因。针对不同椭圆度喷孔喷嘴的研究表明：横向椭圆孔喷嘴内部的空化弱于圆形喷孔喷嘴和纵向椭圆孔喷嘴，从而质量流量系数最大；在横向椭圆孔内的底部会出现多个小尺寸漩涡，诱发涡线空化；斜置喷孔内空化的不均匀分布导致射流呈现不对称结构，喷雾轮廓上半角总大于下半角，随着喷孔椭圆度的增加，两个喷雾轮廓半角都呈现增加趋势，但二者差异逐渐减少；横向椭圆孔喷嘴射流雾化破碎性能远优于传统圆形喷孔喷嘴。从而，无论从喷嘴流量系数的角度，还是喷嘴射流雾化破碎的角度，较大椭圆度的横向椭圆孔喷嘴明显优于传统的圆形截面喷孔的喷嘴。
(3)比例放大透明喷嘴及高压共轨燃油喷射系统原尺寸量级透明喷嘴内部涡线空化及喷雾可视化试验和数值模拟相结合，分析了针阀升程及喷孔锥度对喷嘴内涡线空化瞬态发展特性及喷雾的影响。研究发现，涡线空化的出现能有效抑制壁面空化，并显著提高近喷孔区射流破碎速率；燃油喷射初期可分为残余蒸汽泡排出阶段、云空化射流阶段和涡线空化射流阶段，其中在涡线空化流动阶段，喷雾轮廓锥角明显变大。建立了喷嘴内涡线空化流动的欧拉模拟方法与喷嘴外拉格朗日离散液滴喷雾模拟方法的耦合模型，数值模拟重构的喷孔内部涡线空化结构与试验结果高度一致，研究揭示了涡线空化引致中空喷雾结构的作用机理。
(1)基于气泡动力学理论分析气泡溃灭过程，得出的压力分布表明，气泡自由溃灭时，泡外流体存在环形高压激波区，当气泡附近存在壁面时，溃灭压力远高于环境压力，是对壁面产生冲击及疲劳破坏的重要原因。基于气泡溃灭速度和空化冷凝传质速率方程建立了空蚀风险预测模型，并经空化流动及快速空蚀同步实验验证了模型的准确性。基于该空蚀风险预测模型，数值模拟研究了柴油机双层多孔喷嘴内部空化流动特性及空蚀风险。研究结果表明：双层喷孔的低位孔入口处空蚀损伤风险最高；增加喷孔锥度可有效抑制空化形成，并降低空蚀风险；针阀抬升初期的小针阀升程时空蚀风险位置出现在针阀表面和底座密封面处，而高针阀升程时，空蚀风险集中在喷孔入口和喷孔上表面附近。
(2)基于耦合大涡模拟的界面追踪方法研究了喷嘴孔内的几何诱导云空化对近喷孔区射流破碎瞬态特性的影响。研究揭示了空化射流表面液滴从射流主体脱落及初次破碎机制，喷孔内部空化泡的溃灭是导致射流表面失稳并诱发表面波动和破碎的重要原因。针对不同椭圆度喷孔喷嘴的研究表明：横向椭圆孔喷嘴内部的空化弱于圆形喷孔喷嘴和纵向椭圆孔喷嘴，从而质量流量系数最大；在横向椭圆孔内的底部会出现多个小尺寸漩涡，诱发涡线空化；斜置喷孔内空化的不均匀分布导致射流呈现不对称结构，喷雾轮廓上半角总大于下半角，随着喷孔椭圆度的增加，两个喷雾轮廓半角都呈现增加趋势，但二者差异逐渐减少；横向椭圆孔喷嘴射流雾化破碎性能远优于传统圆形喷孔喷嘴。从而，无论从喷嘴流量系数的角度，还是喷嘴射流雾化破碎的角度，较大椭圆度的横向椭圆孔喷嘴明显优于传统的圆形截面喷孔的喷嘴。
(3)比例放大透明喷嘴及高压共轨燃油喷射系统原尺寸量级透明喷嘴内部涡线空化及喷雾可视化试验和数值模拟相结合，分析了针阀升程及喷孔锥度对喷嘴内涡线空化瞬态发展特性及喷雾的影响。研究发现，涡线空化的出现能有效抑制壁面空化，并显著提高近喷孔区射流破碎速率；燃油喷射初期可分为残余蒸汽泡排出阶段、云空化射流阶段和涡线空化射流阶段，其中在涡线空化流动阶段，喷雾轮廓锥角明显变大。建立了喷嘴内涡线空化流动的欧拉模拟方法与喷嘴外拉格朗日离散液滴喷雾模拟方法的耦合模型，数值模拟重构的喷孔内部涡线空化结构与试验结果高度一致，研究揭示了涡线空化引致中空喷雾结构的作用机理。