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氨燃料喷嘴内流及喷雾特性研究

摘要

随着国家碳达峰碳中和目标的提出，进一步减小甚至消除发动机燃烧所造成的大量

碳排放是目前需要解决的重要问题。因此，发动机新型低碳替代燃料受到广泛关注，其

中氨被认为是最具有潜力的船舶发动机替代燃料之一。目前已经存在针对氨燃料在发动

机上应用的整机试验研究，但缺乏基础性研究，其中，燃料喷嘴内部流动及喷雾过程直

接或间接的影响了燃料与缸内空气的混合情况，进而影响发动机燃烧性能。因此，本文

开展对氨燃料喷嘴内流及喷雾特性的研究，为氨燃料在发动机上的应用提供理论基础。

利用喷嘴内流计算模型，研究了不同喷射参数对氨燃料流动特性的影响，并探究了

不同喷射策略条件下氨燃料喷嘴内部流动特性的变化。同时计算了柴油在相同条件下的

流动特性，将其与氨燃料进行对比。结果发现，喷射压力的增大促进了氨燃料与柴油空

化的产生，并且在同一喷射压力下，氨燃料所产生的空化区域明显大于柴油，两者差异

随着喷射压力增大而减小。此外相比柴油，增大背压对氨燃料靠近喷孔出口处空化现象

有明显的抑制作用，同时会引起燃料质量流量的降低。随着燃料温度的增加，氨燃料和

柴油喷嘴内部空化体积都有所增加，相对来说，氨燃料喷嘴内空化体积分数变化较为明

显。当采用预主喷射策略时，由于主喷开始喷嘴内部存在较多空化，使主喷射前期喷孔

内部燃油流速及实际喷射量降低。

基于喷雾计算模型，以喷雾贯穿距、索特平均直径（SMD）以及喷雾体积为评价指

标，对比研究了不同喷射参数对氨燃料和柴油喷雾过程的影响，并分析了不同喷射策略

条件对氨燃料喷雾特性的影响。结果发现，提高喷射压力，能够增大氨燃料和柴油喷雾

贯穿距，促进燃料的破碎扩散，改善雾化。而背压的增大则会减小氨燃料和柴油贯穿距，

降低燃料的扩散能力，但由于增大背压引起喷雾过程喷雾场湍流强度增大，喷雾与气体

之间的扰动作用增强，促进了燃料液滴的破碎。燃料温度的增加促进了氨燃料的蒸发，

使贯穿距在喷雾后期有所降低，并促进燃料喷雾的扩散，使燃料SMD降低。相比于单

次喷射，预主喷射会降低主喷射喷雾贯穿距。

关键词：氨燃料；喷嘴内流；空化；雾化；喷射策略

氨燃料喷嘴内流及喷雾特性研究

Abstract

Withtheproposalofthenationalcarbonpeakcarbonneutralitygoal,furtherreducingor

eveneliminatingthelargeamountofcarbonemissionscausedbyenginecombustionisan

importantproblemtobesolvedatpresent.Therefore,newlow-carbonalternativefuelsfor

engineshavereceivedwidespreadattention,withammoniabeingconsideredoneofthemost

promisingalternativefuelsformarineengines.Atpresent,therehavebeenwholemachine

teststudiesontheapplicationofammoniafuelinengines,butthereisalackofbasicresearch.

Amongthem,theflowinsidethefuelnozzleandthesprayprocessdirectlyorindirectlyaffect

themixingoffuelandairinthecylinder,thusaffectingthecombustionperformanceofthe

engine.Therefore,theresearchontheinternalflowandspraycharacteristicsofammonia