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        柴油機噴油器內(nèi)部空化效應(yīng)的模擬研究

        2011-07-13 07:19:00魏起森楊鐵皂
        關(guān)鍵詞:針閥噴孔噴油器

        魏起森,楊鐵皂,杜 青

        (1.河南科技大學(xué)車輛與動力工程學(xué)院,河南洛陽471003;2.天津大學(xué)內(nèi)燃機燃燒學(xué)國家重點實驗室,天津300072)

        0 前言

        近些年來,柴油機噴油器中的燃油噴射壓力越來越高,油嘴內(nèi)部流場的空化現(xiàn)象越發(fā)明顯,鑒于空化過程對噴油器出口處的柴油霧化有重要影響,柴油霧化質(zhì)量的好壞直接影響混合氣的燃燒與排放特性[1-2]。在環(huán)保意識日益增強的今天,研究噴油器內(nèi)部空化的產(chǎn)生、發(fā)展以及潰滅具有非常重要的現(xiàn)實意義。

        一般而言,研究柴油機噴油器內(nèi)部燃油空化有2種方式:試驗研究和數(shù)值模擬分析研究。由于噴油器尺寸小,燃油流場的結(jié)構(gòu)復(fù)雜,不便于直接觀察空化產(chǎn)生的各個階段和相關(guān)參數(shù)測量,同時,計算流體動力學(xué)軟件(CFD)的快速發(fā)展,為研究柴油機噴油器內(nèi)部的空化現(xiàn)象提供了便利,所以數(shù)值模擬分析在研究柴油機噴油器空化方面處于優(yōu)先地位。目前,噴油器空化的數(shù)值模擬研究主要用如下3種方法[3]:(1)均相流法,把氣液兩相混合流看做均勻單一的流體,它不能反映氣液兩相間的相互作用;(2)VOF自由表面法,能很好的模擬氣液相之間的關(guān)系,但需要大量的網(wǎng)格計算,費時;(3)歐拉多流體法,分別建立氣液相方程,并通過源相來考慮兩相間的質(zhì)量、動量耦合作用。與前兩種方法相比,歐拉多流體法既能比較準確的反映實際流場的更多細節(jié),同時它的網(wǎng)格數(shù)目又不是太多,計算量比VOF自由表面法小。目前的研究主要針對針閥不運動時的情況,對針閥運動時噴油器內(nèi)部空化效應(yīng)的研究較少,本文采用歐拉多流體法來模擬分析針閥動態(tài)條件下進口壓力瞬變所對應(yīng)的空化過程和流動特性。

        1 數(shù)學(xué)模型

        1.1 質(zhì)量、動量守恒方程

        噴油器噴孔內(nèi)存在空化現(xiàn)象,孔內(nèi)流場由柴油和蒸汽組成,采用歐拉多流體法,認為兩相均為連續(xù)相,對每一相分別建立控制方程并求解。

        連續(xù)性方程:

        式中,αk為某相的體積分數(shù);ρk為某相密度;vk為某相速度;Γkl為相間質(zhì)量傳輸項;k=1表示氣相,k=2表示液相。

        動量方程:

        式中,τk為黏性剪切應(yīng)力;Ttk為雷諾應(yīng)力;g為重力系數(shù);Mlk為相間動量傳輸。以上兩式的氣液兩相的體積分數(shù)滿足等式:

        噴油器噴孔中的空化流一般假設(shè)是等溫的,不考慮能量方程,這主要是因為[4]:(Ⅰ)蒸汽相密度與液相密度差距巨大,由它們的比熱容可知:液相與氣相相互轉(zhuǎn)化過程消耗的熱量極小,忽略不計;(Ⅱ)噴油器噴孔內(nèi)氣液兩相流速很高(一般來說可達每秒幾百米),噴孔又極短,它們在孔內(nèi)駐留的時間也很少,與噴油器壁面的熱交換可以忽略不計。

        1.2 質(zhì)量、動量守恒方程中的相間傳輸

        1.2.1 質(zhì)量傳輸

        實際噴孔內(nèi)的氣液相間交界面處存在質(zhì)量與動量的交換,主要表現(xiàn)形式是氣泡的形成與湮滅,質(zhì)量交換表達如下[5]:

        式中,下標1、2分別表示氣相和液相;N為氣泡數(shù)密度;CR為經(jīng)驗系數(shù),一般情況下CR=1;R為氣泡半徑為單位時間內(nèi)氣泡半徑的變化率。其中,氣泡數(shù)密度

        N0為初始氣泡數(shù)密度,一般取N0=1012;氣泡半徑

        氣泡半徑變化率可由Rayleigh-Plesset方程[5]求出,式中,sign為符號函數(shù);K為液相湍動能;ρ為液相密度;△P為壓力差(與空化氣泡成長或22潰滅相關(guān)的有效張力);Psat為飽和蒸汽壓;CE為歐拉系數(shù),其值取決于當?shù)氐耐牧魉健?/p>

        1.2.2 動量傳輸

        噴孔內(nèi)氣泡在流動過程中受到阻力和湍流擴散力,它們促使氣液相間進行動量交換[5],表達式如下:

        式中,CTD為湍流擴散系數(shù);CD為氣泡在液體中的運動阻力系數(shù),

        1.3 湍流方程

        噴油器噴孔內(nèi)柴油以湍流為主,流動狀態(tài)時時不同,因此,湍流模型要盡可能建的準確、符合實際,這樣模擬噴孔內(nèi)柴油流動才更可信。由穩(wěn)定性和計算精度要求湍流模型采用k-ε雙方程法,分別作用氣相和液相。

        湍動能k的輸運方程[5]:

        式中,Cμ為方程封閉系數(shù);σk為湍動能的prandtl數(shù);Pk為湍流生成項。

        湍流耗散率ε的輸運方程[5]:

        式中,Cε、Cε1、Cε2為方程封閉系數(shù)。

        2 計算模型與數(shù)值求解

        幾何模型采用對稱的6噴孔SAC型噴油器,噴孔沿噴油器呈軸對稱分布,噴孔入口圓角半徑r=0,噴孔直徑D=0.2 mm,噴孔長度L=0.8 mm,噴孔長徑比L/D=4,噴孔傾角α=72°。針閥升程h=0.01 mm時設(shè)為求解的初始時刻,噴油器針閥從開啟到關(guān)閉歷時2 ms,針閥最大升程為0.25 mm。其中,上游噴油壓力設(shè)定為150 MPa,噴油器出口背壓設(shè)置為5 MPa。

        為了較少計算時間,在不影響計算準確度的前提下,網(wǎng)格采用部分模型,在空化現(xiàn)象重點區(qū)域?qū)W(wǎng)格進行了細化加密,網(wǎng)格單元總數(shù)為114 000個。

        數(shù)值求解由計算流體力學(xué)(CFD)軟件AVL-Fire完成,模型進、出口邊界采用壓力邊界條件,兩側(cè)面和噴孔的中心截面采用對稱邊界條件,貼近壁面處采用標準的壁面函數(shù)處理[6],有限體積法離散控制方程,二階中心差分和一階迎風差分相混合的方式離散動量方程,混合因子0.5;二階中心差分格式離散連續(xù)性方程,對于其他方程使用一階迎風差分格式離散[7]。方程組的求解采用求解壓力耦合方程組的半隱式算法(SIMPLE)[8-9]。

        3 計算結(jié)果與分析

        本文基于實際情況對噴油器針閥高速運動時噴孔內(nèi)高速流動的柴油空化情況進行了模擬。從模擬結(jié)果中可以較直觀的得到針閥上升的各個時刻噴孔內(nèi)的空化現(xiàn)象,氣泡分布以及氣液兩相流的速度分布等,與試驗相比更能突出孔內(nèi)兩相流混合流場的細節(jié)特征,便于研究者深入的研究。

        針閥開啟后噴油器內(nèi)燃油流動在極短的時間內(nèi)經(jīng)歷了單相流、開始空化、部分空化、超空化等流動狀態(tài),如圖1所示。在上游壓力一定的前提下,在針閥剛剛升起的一段時間內(nèi),針閥與座圈之間的空間有限,節(jié)流效果顯著,柴油的動量損失很大,因此噴油器入口處柴油流速不是很高(約150 m/s),此時噴油器內(nèi)部是單一的柴油液體,沒有空泡產(chǎn)生,如圖1a所示。隨著針閥繼續(xù)提升,針閥與座圈之間的空間變大,節(jié)流現(xiàn)象逐漸變?nèi)?,柴油的動量損失減少,流速增大。隨著流速增加,當?shù)匾毫鲏毫Ρ囟p小,當液流壓力低于飽和蒸汽壓力時,發(fā)生空化,如圖1b所示。氣泡首先發(fā)生在噴油器入口的“縮脈”處[10],當?shù)亓魉偌眲≡黾樱瑝毫眲〗档?,空化氣泡在此形成。針閥在上升到最大升程的過程中,噴油器內(nèi)的柴油流速越來越高,空化隨著流速的提升沿著噴孔軸向發(fā)展形成部分空化,如圖1c所示。此時噴孔出口仍是液體柴油,沒有氣泡。在針閥到達最大升程前,柴油流速繼續(xù)升高,空化現(xiàn)象沿著噴孔軸向繼續(xù)發(fā)展,直到貫穿整個噴油器,形成超空化現(xiàn)象,如圖1d所示,此時噴孔出口已有氣泡,形成氣液兩相流。與單相流相比,超空化流更有利于液體出流截面附近的破碎、對柴油的霧化有很大影響。但是瞬態(tài)條件下,針閥往復(fù)運動,引起進口壓力急劇波動,對部分空化、超空化有很大影響,具體到出流截面,不同時刻氣液兩相比例各個不同。

        圖2顯示噴孔內(nèi)極短時間內(nèi)經(jīng)歷4個階段的速度分布云圖,從圖2中可以看出:速度巨變主要發(fā)生在噴孔入口處。由于銳邊入口(r/D=0)液體由壓力室流向噴孔,方向改變很大,流速變化劇烈,在拐角處形成很小的渦流區(qū)。渦流區(qū)內(nèi)壓力很低,空化現(xiàn)象首先在此發(fā)生。在針閥初升起階段,噴孔內(nèi)液體整體流速不高,速度梯度不大,隨著針閥的提升,液體流速逐漸加快,但是,噴孔內(nèi)的速度變化更不均勻,速度梯度更大,特別是空化現(xiàn)象發(fā)生后,速度變化的不均勻性進一步加劇,噴孔的有效流動截面積變小,主要是因為噴孔入口處液體的流通面積不同及針閥高速運動的影響。另外,由噴孔出口處截面云圖可知:截面中上部空化區(qū)域出流速度較低,中心及下部純液體區(qū)流速較高。

        圖1 噴孔內(nèi)及噴孔出口處液相體積分數(shù)分布

        圖2 噴孔內(nèi)及噴孔出口處液體速度分布

        4 結(jié)論

        (1)CFD軟件可以方便地模擬試驗中難以觀察到的瞬態(tài)情況下噴油器內(nèi)部的燃油流場分布,對研究噴孔內(nèi)的燃油空化規(guī)律有一定意義,結(jié)果還可以作為研究燃油缸內(nèi)霧化的邊界條件。

        (2)針閥升程對噴孔進口燃油速度有重大影響。由于節(jié)流效應(yīng),針閥升程不大時,進入噴孔的燃油動量損失比較嚴重,速度較低,沒有空化現(xiàn)象發(fā)生。針閥提升后,節(jié)流效應(yīng)減小,噴孔中燃油流速升高,出現(xiàn)空化現(xiàn)象。另外,噴孔入口拐角處有一低壓渦流區(qū),空化往往在此發(fā)生。

        (3)瞬態(tài)條件下針閥高速運動對噴孔中的空化現(xiàn)象有重大影響。噴孔進口附近由于針閥往復(fù)運動引起的節(jié)流現(xiàn)象與進口壓力的波動,導(dǎo)致噴孔中空化效應(yīng)也隨之變化,出現(xiàn)部分空化發(fā)展成超空化現(xiàn)象。

        [1]房建峰,杜慧勇,劉建新,等.噴油嘴流量系數(shù)對燃油噴霧及柴油機性能的影響[J].河南科技大學(xué)學(xué)報:自然科學(xué)版,2004,25(2):24 -27.

        [2]周龍保.內(nèi)燃機學(xué)[M].北京:機械工業(yè)出版社,2010.

        [3]張軍,杜青,楊延相,等.柴油機不同類型噴油器內(nèi)部空化流動特性的研究[J].內(nèi)燃機學(xué)報,2010,30(2):127-134.

        [4]Hyun K S,Chang S L.Effect of Cavitation in Nozzle Orifice on the Diesel Fuel Atomization Characterics[J].International Journal of Heat and Fluid Flow,2008,29(4):1001 -1009.

        [5]AVL Fire User Manual[CP].AVL:AVL Fire Version 2008:Multiphase,2008.

        [6]李霞明,周華,劉慶.噴油器內(nèi)瞬態(tài)流動三維數(shù)值模擬研究[J].拖拉機與農(nóng)用運輸車,2007,34(5):19-21.

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