Экспериментальные исследования

Диапазон экспериментальных и численных исследований в области струйных течений на настоящий момент очень широк. Исследователи сосредоточены на исследовании таких вопросов как:

· развитие струи в сопле инжектора, в том числе при наличии кавитации, и влияние геометрии сопла на количество пара в сопле, параметры распыла, угол раствора и дальнобойность струи;

· механизмы первичного и вторичного распада струи и распределение капель по размерам,

· деформация капель и силы действующие на капли в потоке,

· влияние физических свойств топлив на распыл,

· распад струи при столкновении с дном канала;

· столкновение струй между собой;

· распространение топливных струй в сносящем потоке,

· влияние температуры топлива на характеристики распространения струи.

Исследованию турбулентности и кавитации в сопле инжектора посвящены исследования [14-16]. [ТЗ15] В работе [14] проведены эксперименты для аналога дизельного топлива при давлении впрыска 100 бар с использованием сопел, выполненных из стекла, с целью получения визуального доступа непосредственно к потоку в сопле. Автор получает поле средних скоростей и давлений в сопле инжектора, профили скорости в разных сечениях сопла и говорит о наличии в сопле инжектора широкого диапазона скоростей 10–130 м/с, а также об асимметричности профилей скорости. результаты экспериментов показали, что средняя скорость вдоль оси сопла растёт, а среднее давление падает. На серии фотографий со впрыском этанола температурой 20°С при давлении впрыска 100 бар, представленных в работе [15], хорошо видно наличие паровой фазы в сопле инжектора. Авторы также утверждают, что экспериментально измеренные скорости выхода струи из сопла хорошо согласуются со скоростями рассчитанными по уравнению Бернулли, хотя последние применимы только для несжимаемой жидкости. Автор объясняет это наличием чёткого пространственного разделения жидкой и паровой фаз в сопле инжектора. [ТЗ16] Автор отмечает наличие большой доли пара в сопле, однако не даёт количественной оценки.

В работе [17-19] рассматривается распространение сталкивающихся с дном канала струй в сносящем потоке. Авторы уделяют внимание распаду капель, отскакивающих от дна канала. При этом в работе [17] отмечается наличие паровой фазы струи также при температуре впрыскиваемого топлива 25°C, что также обнаружено в ходе выполнения настоящей работы. В работе [18] авторами предложена модель распределения капель струи в сносящем потоке по размеру и диаметру. В работе [19] представлены изображения структуры струи после столкновения с дном канала в горизонтальной плоскости на расстоянии 25 мм и 45 мм от выхода струи из сопла при скорости сносящего потока 5 м/с. Авторами отмечается наличие зоны стагнации без вихрей, а также зоны с вихрями, напоминающими дорожку Кармана. Отмечается, что струя в горизонтальной плоскости имеет форму близкую к овалу.

Работы [20-27] посвящены изучению гидродинамики распространения струй и одиночных капель [ТЗ17] в сносящем потоке. Работа [20] посвящена исследованию сноса струй, впрыскиваемых пятью различными инжекторами. Для описания сноса струй авторы предлагают использовать два эмпирических числа - «число сдува» и «число отклонения». Первое характеризует количество массы струи от общей массы, которая полностью теряет вертикальную составляющую скорости и движется только в направлении сносящего потока. Второе число характеризует ту массу струи, которая отклоняется под воздействием сносящего потока, сохраняя вертикальную составляющую скорости. Кроме того, в работе предложен метод поиска центра масс струи в сносящем потоке. Работы [21-22] посвящены исследованию характеристик струй в сносящем потоке, впрыскиваемых в среду с атмосферным и повышенным давлением. Авторами были измерены скорости частиц, рассчитана площадь проекции струи на вертикальную плоскость, объём струи, рассмотрен баланс сил, действующих на каплю в потоке. В работе [23] проведён расчет динамики капли в сносящем потоке, предложена система уравнений с учётом сил сопротивления и тяжести для расчёта траектории капли в сносящем потоке. В работе [24] представлены результаты экспериментального исследования по впрыску струй воды и этанола в сносящий поток и сделан ряд важных выводов: авторы говорят о наличии паровой фазы в сопле инжектора при впрыске топлива; дальнобойность струй зависит от количества паровой фазы в сопле инжектора – чем больше паровой фазы, тем ниже дальнобойность; поверхностное натяжение влияет на распад капель струи – капли этанола распадаются сильнее капель воды из-за более низкого значения поверхностного натяжения; чем меньше капли, тем лучше они сносятся потоком; струя в сносящем потоке имеет подковообразную форму, что также отмечается в работе Г.Н. Абрамовича [10], а также в работах [].[ТЗ18] Авторами предложено соотношение для поиска траектории струи в сносящем потоке с учётом поверхностного натяжения впрыскиваемой жидкости[ТЗ19]:

(1)

Данное соотношение является первой попыткой учесть влияние физических свойств впрыскиваемой жидкости на траекторию ей распространения в сносящем потоке. Далее авторы публикуют работу [25], в которой исследуют распространение струй в сносящем потоке температурой 145 °С, усовершенствуя соотношение () до соотношения ():

(2)

Кроме того, авторы исследуют испарение капель струи, измеряя их диаметры и скорости в трёх точках по ходу распространения струи в горизонтальном направлении.

В работе [26] Б. И. Срезневским экспериментально был получен закон, устанавливающий, что время испарения капли прямо пропорционально квадрату её начального диаметра. Авторы также используют данный закон для описания испарения капель, добавляя к нему константу скорости испарения, рассчитанную для каждого исследуемого топлива.

В работе [27] представлен обзор эмпирических соотношений для поиска траектории струи в сносящем потоке, предложенных различными авторами. Большинство соотношений включают в себя соотношение скоростного напора в сносящем потоке и начальном сечении струи и различные константы, полученные экспериментальным путём. [ТЗ20]

Исследованию испарения капель и струй, в том числе в потоке высокотемпературных газов, посвящён ряд исследований [28-30].

В экспериментальной работе [31] исследуется распространение подогретых бензиновых струи без сносящего потока[ТЗ21]. Подогрев струи рассматривается авторами как способ повышения качества смесеобразования в камере сгорания двигателя. Результаты показывают, что при увеличении подогрева струй их дальнобойность уменьшается, а угол раствора заметно увеличился, что также показано в настоящей работе. Средний арифметический диаметр капель (D₁₀) и средний диаметр по Заутеру (SMD) уменьшились соответственно с 10 мкм до 1,5 мкм и с 30 мкм до 3 мкм при повышении температуры топлива с 25 °C до 261 °C. Автор не даёт объяснения полученным экспериментальным результатам.

В работе [32] исследовано распространение, структура и распад струй пяти различных топлив – изооктана, н-пентана, бензина, этанола и н-бутанола – при условии их нагрева и впрыска в среду с атмосферным и пониженным давлением. Впрыск производился инжектором с 6 соплами, поэтому нельзя исключать эффекта влияния струй друг на друга. Авторы считают, что в связи с большей плотностью спиртов по сравнению с углеводородами капли спиртов имеют больший импульс при выходе их инжектора. Авторы также отмечают снижение дальнобойности струй при повышении температуры топлива.

В работе [34] исследуется влияние физических свойств топлива на первичный распад струи, её формирование на выходе из сопла инжектора и распространение в камере сгорания автомобильного двигателя. В качестве топлива авторы использовали н-гексан и н-декан температурой 25 и 70 °С при давлении впрыска 50 и 100 бар. В исследовании использовался инжектор с тремя соплами каждое диаметром 250 мкм. Выбранные топлива имеют существенные отличия в физических свойствах – плотности, кинематической вязкости, давлении насыщения и поверхностном натяжении. Авторы отмечают, что при возрастании кинематической вязкости и поверхностного натяжения происходит увеличение угла раствора струи, а дальнобойность струй возрастает на 12% при увеличении чисел Рейнольдса и Вебера, рассчитанных для струй на выходе из сопла по уравнениях представленным в [][ТЗ22].

 

Далее написать про работу 33

Численные исследования

Написать про исследования в OpenFOAM [35-47]