(中南大學 能源科學與工程學院，湖南 長沙，410083)

在柴油機缸內燃燒過程中，燃油噴霧貫穿距和錐角將影響到燃燒室的設計和形狀，涉及柴油機效率與壽命。缸內燃燒程度直接關系柴油機的動力性、經濟性和排放性能[1?2]，而燃燒過程的諸多影響因素中，燃油的噴射霧化質量是獲得高燃?空混合速率和混合質量的核心和關鍵[3?5]。所以，研究噴霧特性的影響因素和變化規(guī)律，對于優(yōu)化燃燒系統(tǒng)從而提高電控柴油機的性能至關重要[4?6]。目前，關于燃油霧化特性的研究主要是在中低壓(20 MPa以下)噴射前提下開展的，但高壓共軌柴油機的噴射壓力達到200 MPa左右，對其噴霧特性的研究還相當缺乏。因此，本文作者采用CFD數值模擬技術建立燃油高壓噴射霧化模型，并借助先進的高速攝影噴霧可視化試驗[7?9]分析手段對高壓噴霧特性進行研究，檢驗數學模型的合理性，進而對高壓共軌燃油霧化特性進行數值預報。

1 物理參數與幾何模型

為了使燃油噴霧場更直觀和便于檢測，采用單孔噴油器和定容室進行霧化特性研究。噴油系統(tǒng)物理參數如下：噴油器為單孔，孔徑為0.25 mm；定容模擬氣缸內徑為75 mm，長為150 mm；試驗溫度為40 ℃；燃油為 0號輕柴油；黏度為 2.5 mm2/s；密度為 845 kg/m3；表面張力系數為0.031 N/m。

由于圓柱形氣缸為幾何對稱結構，因此，采用二維及四邊形網格進行建模。在噴霧過程中，噴射時間很短及噴油器的孔徑較小，因而，需要對網格細化分。本文對定容室中的關鍵部位進行了局部加密處理，總網格數為22 500個。連續(xù)相為定壁溫邊界條件，壁溫為313 K，離散項邊界條件為reflect條件[10]。

2 數學模型

高壓共軌燃油噴射霧化特性主要涉及到氣液之間的相互耦合作用，因此，選用耦合求解器和 PISO算法[11?12]，同時采用標準k?ε湍流模型[13?14]進行模擬。噴霧模型采用 DPM模型中的平口霧化模型，顆粒尺寸分布采用liner分布[15]，并且視為不可壓縮流體。對于高壓燃油噴射霧化，當韋伯數We＞100時，WAVE破碎模型的適應性更好[14]。

在WAVE模型中，破碎時間及破碎后液滴的尺寸與快速增長的 Kelvin-Helmholtz不穩(wěn)定表面波有關[12]。通過數值方法的擬合，Reitz[13]計算出了最不穩(wěn)定波最大增長率?和相應的波長λ：

其中：Oh為昂賽格數；Ta為泰勒數。表達式如下：

式中：a為射流油束中大液滴的半徑；We1和We2分別為液體與氣體的韋伯數。

其次，破碎后小液滴的半徑r可通過下式計算：

其中：模型常數B0=0.61；而大液滴在破碎后的半徑變化率為：

式中：τ為破碎時間，由下式計算可得。

式中：B1為破碎時間常數，取值范圍為1～60[14]。破碎時間常數與初始射流的湍流程度相關聯，并且對不同的噴嘴其取值不同，由于湍流度為4.5%，噴嘴直徑為0.25 mm，對照破碎時間常數的合適取值[16]，通過仿真結果與試驗結果的比較，本文取1.73。

3 可視化實驗系統(tǒng)

為檢驗數值模擬結果的可靠性，作者構建了相應的實驗系統(tǒng)。主要由GS?1000型高壓共軌燃油噴射試驗臺、控制系統(tǒng)(ECU)、高速攝影圖像拍攝系統(tǒng)及定容壓力室 4部分構成，試驗裝置參見文獻[10]。實驗過程是：向定容壓力室內充注高壓空氣至試驗設定的背壓要求，通過ECU控制高壓共軌系統(tǒng)的噴射壓力及噴油脈寬，噴油觸發(fā)的同時開啟高速攝影對噴霧場進行拍攝[7?8]。

利用C#語言基于灰度變換、濾波等原理[17]開發(fā)了圖像分析軟件。先將 RGB圖像轉換成灰度圖像，選取合適的油束與背景相區(qū)分的閾值對灰度圖像進行二值化，然后反色處理，并利用邊緣檢測、濾波以及哈弗變換對圖像進行檢測。其長度和角度的測量精度可分別達0.01 mm和0.1°，能滿足試驗要求。

4 仿真結果與試驗結果的對比

4.1 噴霧場數值模擬結果

以噴射壓力100 MPa，定容室背壓2 MPa為例對噴霧特性進行模擬計算，通過設定 DPM 模型的相關參數，得到了1.5 ms噴射時間內的噴霧粒子空間分布結果，如圖1所示。

4.2 噴霧實驗結果

選取噴射壓力為100 MPa、定容室背壓為2 MPa工況下的噴霧場圖像作為對比對象，如圖2所示。

圖1 噴射壓力為100 MPa、背壓為2 MPa時的粒子空間分布圖Fig.1 Spatial distribution of particles at 100 MPa of injection pressure and 2 MPa of gas pressure in cylinder

圖2 噴射壓力為100 MPa、背壓為2 MPa工況下的噴霧場Fig.2 Spray velocity field at 100 MPa of injection pressure and 2 MPa of gas pressure in cylinder

4.3 結果對比及分析

運用自行開發(fā)的圖像分析軟件，對圖1和圖2所示的圖像進行檢測并校核后，得到圖3所示的噴霧貫穿距和噴霧錐角的對比圖及相對誤差。

由圖3可知：計算得到的噴霧貫穿距、噴霧錐角隨時間的變化曲線與實驗值在變化趨勢和變化幅度上是基本一致的，模擬值比實驗值略大，噴霧貫穿距平均相對誤差為 6.79%；噴霧錐角平均相對誤差為9.25%?？紤]到觀測的霧矩界面不是太清晰，而且采用圖像識別時會丟失霧矩邊緣的稀疏小液滴區(qū)，因而，實際霧矩長度和錘角應當比測定結果大?？傮w來看，模擬結果與實驗結果較吻合，說明本文所采用的模型是合理、可靠的。

4.4 噴霧貫穿距和噴霧錐角的數值預報

采用經過檢驗的數學模型，可進一步就不同噴射壓力、背壓等參數對燃油噴射霧化特性的影響規(guī)律進行數值研究，以預報在實驗難以達到的參數條件下的噴霧特性，結果如圖4和圖5所示。

圖3 噴霧貫穿距、噴霧錐角試驗值與仿真值對比Fig.3 Spray penetration and spray cone angle of experiment value compared with simulation

(1) 由圖 4可知：噴射壓力越大，噴霧貫穿距越大，噴霧錐角越??；此外，隨著噴霧時間的變化，在背壓氣體的作用下，在相同時間內貫穿距離的增加量逐漸減少。其原因是噴射壓力越大，柴油從噴油器噴出的初速度較大，具有較大的動能，因而在相同的時間內貫穿距離就越遠；但同時由于空氣阻力的存在，霧矩中液滴的速度越來越低，因而，對于同一種噴射壓力，在相同的時間內貫穿的距離就越來越短，即貫穿距離曲線的斜率會逐漸降低。此外，由于在高噴射壓力下，噴霧場外圍顆粒并沒有獲得和低噴射壓力時相同的時間來發(fā)生霧化，液滴速度逐漸減小，氣液耦合作用降低，所以，高噴射壓力時霧化錐角較小。

(2) 由圖5可知：背壓越大時，噴霧貫穿距越小，噴霧錐角越大。背壓越大表示定容室內氣體密度越大，單位空間內的氣體分子增加，氣體和液滴之間的碰撞概率越大，因而會造成柴油粒子速度降低得越快，貫穿距變小。在100 MPa的噴射壓力下，4 MPa的背壓對貫穿距特性而言是一個明顯的“分界點”，當噴射壓力提高時，這個“分界點”的數值也隨之增大。另一方面，當背壓增大時，空氣密度的增加使得噴霧所受阻力增大，噴霧卷吸霧滴場的空氣量增多，進一步加大了流束邊界層的擴展，尤其是噴霧遠場呈現更加顯著的發(fā)散狀，所以，錐角隨著背壓的增大而增大，但不是呈線性關系。相對于較低的背壓1 MPa和2 MPa，噴霧錐角明顯變小，其原因在于單位空間內氣體分子數相對較少，柴油粒子和氣體分子之間碰撞程度減弱，呈現出液滴速度降低較少，錐角變化較大的現象。

(3) 由圖4和5可看出：對于某一固定的噴射壓力和背壓條件，隨著噴射時間的增加，單位時間內貫穿距離和噴霧錐角的增加幅度都呈逐漸減小的趨勢。

圖4 不同噴射壓力條件下的噴霧貫穿距、噴霧錐角隨噴射時間的變化(背壓為4 MPa)Fig.4 Spray penetration and spray cone angle at different injection pressures

圖5 不同背壓條件下的噴霧貫穿距、噴霧錐角隨噴射時間的變化(噴射壓力為100 MPa)Fig.5 Spray penetration and spray cone angle at different gas pressures in cylinder

4.5 實驗工況與數值模擬下噴霧貫穿距和噴霧錐角的相對誤差

鑒于實驗條件和安全因素的考慮，本文沒有進行6 MPa和8 MPa背壓下的噴霧實驗。將典型工況不同背壓下的貫穿距和錐角相對誤差進行分析，結果如表1所示。

由表1可知：在不同的背壓下，貫穿距和錐角的相對誤差均隨著噴射時間的延長而增大，隨著背壓的增加，兩者的相對誤差均表現出減小的趨勢。原因是當背壓增大時，氣動作用和剪切力促使邊界層的擾動增強，霧矩截面受到的阻力增大，進一步加大了油滴粒子與空氣的相互作用，從而使得噴霧邊緣界面更加清晰，邊界面處稀疏的小液滴區(qū)域丟失現象下降，從而提高了測量的精度。其次，兩者的相對誤差均定義為模擬值與實驗值的差值除以實驗值，實驗值的偏小造成了整體平均相對誤差偏大。

表1 100 MPa時同一噴射壓力下噴霧貫穿距和錐角的相對誤差Table 1 Numerical error for spray penetration and spray cone angle at 100 MPa of injection pressure

5 結論

(1) 利用FLUENT軟件，采用WAVE破碎及標準k?ε湍流模型可以有效地對單次噴射過程進行數值模擬。

(2) 在背壓一定時，隨著噴射壓力的增加，噴霧宏觀特性表現為噴霧貫穿距逐漸增大，噴霧錐角逐漸減小，并且在相同時間內兩者的增加幅度逐漸減小。

(3) 隨著背壓的增加，在同一噴射壓力下，實驗工況與數值模擬下噴霧貫穿距和錐角的相對誤差均呈現逐漸減小的趨勢。

(4) 當噴射壓力或者背壓一定時，隨著噴射時間的增加，噴霧貫穿距和噴霧錐角在單位時間內增加的幅度均呈現逐漸減小的趨勢。

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