王 謙，李 念，何志霞，鐘汶君，高志勝

(江蘇大學能源與動力工程學院，江蘇鎮(zhèn)江 212013)

燃油噴油器噴嘴是柴油機最關鍵的部件之一，噴霧特性決定了燃燒過程.噴嘴利用高噴油壓力以非常高的速度噴出燃油并形成由很多細小液滴所組成的噴霧油束.柴油機噴嘴內(nèi)部的流動狀態(tài)對下游的噴霧特性有顯著的影響［1-3］，不考慮噴嘴的影響對噴霧形成所建立的預測理論是不可靠的，同時，噴嘴流動的復雜性使噴霧的空氣動力霧化機理也變得復雜.而多維發(fā)動機模型中與噴嘴內(nèi)部流動直接相關的噴霧初次霧化模型又是當前研究中最薄弱的環(huán)節(jié)，較難對缸內(nèi)噴霧燃燒乃至排放進行準確預測，因此，有必要對燃油噴油器噴嘴微小噴孔內(nèi)復雜空穴湍流流動特性乃至這種復雜的湍流流動對噴霧的影響開展研究.

由于真實噴油嘴結構復雜且噴孔內(nèi)部流動空間非常小，燃油又以極高的壓力和速度流過噴孔，且噴孔內(nèi)湍流流動強度很高，因此試驗觀察和測量其內(nèi)部流動狀態(tài)非常困難，部分學者采用比例放大的透明噴油嘴來研究噴嘴內(nèi)部空穴流動［4-5］.而燃油噴射持續(xù)期非常短，只有幾毫秒，通過試驗獲得噴油嘴內(nèi)部瞬態(tài)空穴流動特性較難，隨著計算機技術的發(fā)展，計算流體動力學(CFD)方法成為研究噴油嘴內(nèi)瞬態(tài)流動有效的方法，而當前國內(nèi)外的數(shù)值模擬研究大多是在固定針閥升程條件下開展，專門研究噴油過程中針閥運動對噴油嘴空穴流動特性的影響還很缺乏.

筆者基于同步輻射高能X射線對噴油嘴內(nèi)部結構斷層掃描獲得雙層8孔噴油嘴內(nèi)部高精度高分辨率幾何結構，建立數(shù)值計算物理模型.結合噴油嘴內(nèi)部流動可視化試驗，采用3維動網(wǎng)格技術對噴孔內(nèi)空穴兩相流動的3維數(shù)值模擬進行研究，分析噴油嘴內(nèi)瞬態(tài)流動特性受針閥運動的影響.

1 斷層掃描試驗及物理模型的建立

1.1 噴油嘴X射線斷層掃描試驗

本研究的對象是某型國產(chǎn)雙層交錯噴孔的噴油器噴油嘴.為了獲得噴油嘴內(nèi)部幾何結構的詳細信息，采用同步輻射高能X射線對試驗用雙層8噴孔噴油嘴進行3維CT(computed tomography)掃描，在不損壞噴油嘴的情況下獲得噴油嘴內(nèi)部結構的高精度3維圖像.

筆者采用的高能X射線是由上海光源的同步輻射裝置提供的，X射線能量調(diào)整范圍為8.0～72.5 keV，噴油嘴在樣品旋轉(zhuǎn)臺上以1.8(°)·s-1的速度旋轉(zhuǎn)180°，完成斷層掃描，獲得噴油嘴斷層切片圖像，進而獲得噴油嘴噴孔的3維數(shù)學模型.在旋轉(zhuǎn)過程中，每0.2°拍攝1幅X射線相襯所得的圖像，圖像曝光時間為30 ms，圖像設計空間分辨率為500 nm［6-7］.試驗噴嘴的X射線CT成像過程如圖1所示，包括X射線源的產(chǎn)生、X射線對噴嘴的透射、透射后的X射線探測和計算機成像以及圖像處理等過程.

圖1 噴嘴X射線3維CT成像過程

試驗測量得到的雙層8噴孔交錯布置噴油嘴結構及噴孔位置結構關系3維造型圖如圖2所示.各結構參數(shù)的測量值如表1所示，Din為入口直徑，Dout為出口直徑，K為噴孔錐度，r為噴孔入口圓角半徑，L為噴孔長度.

噴孔錐度定義為

從表1可得:上層噴孔錐度為-0.002 2，下層噴孔的錐度為-0.002 8.上下層噴孔進出口直徑的差異主要是由于測量時的機械誤差引起的.

圖2 噴油嘴3維造型、切片圖及噴孔幾何特征定義

表1 X射線測得的噴油嘴幾何特性參數(shù)

1.2 物理模型的建立

X射線測量結果如圖2所示，8個噴孔形狀大小基本相同，均勻分布于上下2個圓周上，每層各4個噴孔，沿周向交錯均勻分布，具有周期性.在保證能夠比較上下層噴油嘴內(nèi)流動特性的基礎上，為減小計算量，選取完整噴油嘴的1/4(選取含有2個分布在不同圓周上的噴孔區(qū)域)來研究8噴孔噴油器噴油嘴內(nèi)部的兩相流動.根據(jù)X射線測量結果在3維UG制圖軟件中建立的柴油機噴油嘴流體流經(jīng)區(qū)域模型圖如圖3所示，噴孔直徑D=0.18 mm，L=0.65 mm，上下層噴孔的高度差ΔH約為0.12 mm.

圖3 柴油機噴油嘴模型圖

2 數(shù)學模型

2.1 控制方程

針閥運動直接影響噴油嘴內(nèi)的空穴流動，由于噴油嘴噴孔直徑只有零點幾毫米，通過噴孔的流速很高，噴油持續(xù)期非常短，內(nèi)部為高雷諾數(shù)的復雜湍流流動，因此，全面考慮采用瞬態(tài)計算方案，并加入混合多相流模型、空穴模型和標準k-ε湍流模型［8-9］.噴油嘴3維空穴兩相流動湍流模型的基本控制方程包括連續(xù)性方程、動量方程、氣相輸運方程、單個氣泡的成長破碎過程方程、k-ε方程以及壁面方程等［10］.

2.2 數(shù)值方法

根據(jù)動態(tài)層動網(wǎng)格模型的要求，只對初始時刻噴油嘴內(nèi)流體流域建立網(wǎng)格，且移動邊界區(qū)域網(wǎng)格類型為棱柱型網(wǎng)格(六面體或楔形)，如圖4所示，針閥升程的初始值為0.02 mm，采用分塊耦合、局部加密的方法生成3維結構化網(wǎng)格，網(wǎng)格單元數(shù)為234 926.邊界條件設置為壓力入口、壓力出口和周期性邊界，其余為壁面條件.對湍流采用k-ε湍流模型，近壁區(qū)內(nèi)低雷諾數(shù)情況采用壁面函數(shù)法處理，即用1組半經(jīng)驗公式將湍流核心區(qū)內(nèi)的物理量與壁面上相應的物理量聯(lián)系起來.壓力場的耦合計算采用SIMPLE算法.主要研究噴油嘴內(nèi)部瞬態(tài)流動特性受針閥運動的影響.

圖4 噴油嘴計算網(wǎng)格和邊界條件

2.3 針閥運動規(guī)律

針閥升程h隨時間的變化規(guī)律如圖5所示，針閥升程的初始值為0.02 mm，針閥升程最高為0.35 mm，針閥往復運動1次的周期為360°的曲軸轉(zhuǎn)角.

圖5 針閥升程運動規(guī)律

3 試驗驗證

3.1 噴嘴空穴流動的表征參數(shù)

噴孔內(nèi)產(chǎn)生空穴現(xiàn)象會造成液流紊亂，同時也會促進油束的霧化.為了反映空穴發(fā)展情況，對噴孔空穴流動定義量綱一參數(shù)即空穴數(shù)［11］為

式中:p1為無限遠處上游側壓力(噴油壓力);p2為下游側壓力(背壓);pv為液體飽和蒸汽壓.

k值能反映噴孔內(nèi)部空穴發(fā)展情況，k值越小，空穴程度越嚴重，越能促進燃油霧化.噴油嘴的流量系數(shù)為噴油嘴的實際噴油量(有效流通面積)與理論噴油量(最小幾何流通面積)之比.流體流經(jīng)噴孔，由于湍流摩擦渦旋及噴孔幾何形狀的影響，流動產(chǎn)生損失，所以流體的實際流量與理想流動下的流量不同，故對流經(jīng)噴孔內(nèi)的流動引入流量系數(shù):

式中:Cc為收縮系數(shù)，是噴孔收縮流通面積和幾何流通面積之比.

由式(2)，(3)可得

從式(4)可以看出:流量系數(shù)與空穴分布聯(lián)系密切，空穴現(xiàn)象越嚴重，k越小，流量系數(shù)就越小.

3.2 模擬結果與試驗結果對比

當流體流動過程中局部壓力低于飽和蒸汽壓力時會出現(xiàn)空穴現(xiàn)象，空穴的形成和發(fā)展受噴油壓差影響顯著.流動相似性準則試驗背壓為0.10 MPa，在不同入口噴射壓力pin下，分別將可視化試驗所拍圖片反映出的空穴分布與數(shù)值模擬所獲得的空穴分布進行對比，結果如圖6-8所示.試驗在針閥全開時進行，入口壓力分別為 0.21，0.30，0.48 MPa，噴嘴內(nèi)部流動會隨著入口壓力增加由空穴初生發(fā)展為超空穴，數(shù)值模擬結果與試驗結果［12］基本相符.

圖6 入口壓力為0.21 MPa，噴孔空穴初生

圖7 入口壓力為0.30 MPa，噴孔空穴發(fā)展

圖8 入口壓力為0.48 MPa，噴孔超空穴

噴油嘴噴孔流量系數(shù)與空穴數(shù)關系如圖9所示，當空穴數(shù)小于臨界空化數(shù)時，空穴現(xiàn)象隨空穴數(shù)的增加而減弱，流量系數(shù)則隨空穴數(shù)增加而增加.當空穴數(shù)大于臨界空化數(shù)后，孔內(nèi)不再出現(xiàn)空穴現(xiàn)象，流量系數(shù)也基本保持不變，模擬數(shù)據(jù)與試驗數(shù)據(jù)的變化趨勢一致，驗證了所計算模型的可靠性.由于噴孔內(nèi)部流動的相似性，試驗驗證的單層噴孔模型的準確性也適用于雙層噴孔模型.

圖9 流量系數(shù)與空穴數(shù)關系

4 計算結果及分析

4.1 上下層噴孔內(nèi)空穴分布特性

基于上述噴油嘴內(nèi)部空穴流動的數(shù)值計算模型，在入口噴射壓力為50 MPa，背壓為3 MPa條件下，研究針閥運動對噴油嘴上、下層噴孔內(nèi)空穴流動的影響.噴油嘴上、下層噴孔內(nèi)在不同曲軸轉(zhuǎn)角下的空穴分布情況如圖10所示.在曲軸轉(zhuǎn)角為0.7°時，上層噴孔出現(xiàn)空穴現(xiàn)象，此時下層噴孔并無空穴現(xiàn)象出現(xiàn)，在0.8°時，下層噴孔也出現(xiàn)空穴，此時上層噴孔的空穴區(qū)域大范圍增加.這說明在相同的噴射壓力下，上層噴孔空穴初生時刻提前，隨著針閥的抬起，與下層噴孔相比，上層噴孔內(nèi)空穴發(fā)展更加迅速，噴孔空穴強度及空穴區(qū)域范圍均加大.

圖10 不同曲軸轉(zhuǎn)角下噴油嘴上下層噴孔內(nèi)空穴分布

在固定噴油壓力下，上下層噴孔內(nèi)平均氣相體積分數(shù)隨針閥運動的變化如圖11所示.在針閥抬起階段，下層噴孔與上層噴孔相比其孔內(nèi)空穴現(xiàn)象初生時刻稍晚，但上下層噴孔內(nèi)的空穴現(xiàn)象均能迅速產(chǎn)生，氣相體積分數(shù)很快達到某一最大值，在隨后的時間里，氣相體積分數(shù)基本在這一值上波動，變化不大，氣相體積分數(shù)只有在針閥關閉那一時刻會有突變.這個過程說明空穴現(xiàn)象在初生、發(fā)展過程中變化極為迅速，達到一定程度后，空穴區(qū)域、強度不再隨針閥繼續(xù)抬升而變化，在針閥落座且即將被關閉的過程中，空穴現(xiàn)象會突然增強，繼而消失.造成這一時刻氣相體積分數(shù)突然增大的原因是座面的有效流通截面積在針閥即將關閉時減小，截面收縮處的流動速度增大，從而使內(nèi)部流動壓強降低，以至于空泡外壓力小于空泡內(nèi)壓力，促使很多沒能生長的空泡進一步長大.在整個針閥運動過程中，上層噴孔內(nèi)的氣相體積分數(shù)始終大于下噴孔內(nèi)的氣相體積分數(shù).

圖11 氣相體積分數(shù)隨曲軸轉(zhuǎn)角的變化

噴油壓力pin=100 MPa時，針閥開啟和關閉過程噴嘴內(nèi)空穴發(fā)布如圖12，13所示，在相同的針閥升程下，上層噴孔內(nèi)空穴的范圍和強度都較下層噴孔大，噴孔內(nèi)空穴分布在針閥開啟與針閥落座2個過程中有所不同，針閥落座過程中的空穴現(xiàn)象更加嚴重，即在固定針閥升程條件下開展的穩(wěn)態(tài)計算已不能反映出噴孔空穴發(fā)生、發(fā)展及潰滅的全過程.

圖12 針閥開啟過程噴嘴內(nèi)空穴分布

圖13 針閥關閉過程噴嘴內(nèi)空穴分布

4.2 不同噴油壓力下噴孔內(nèi)空穴分布特性

上下層噴孔內(nèi)空穴現(xiàn)象的發(fā)生、發(fā)展及潰滅過程基本一致，取上層噴孔進行研究.當背壓為3 MPa，噴油壓力分別為 20，50，100 MPa 時，不同曲軸轉(zhuǎn)角下噴油嘴內(nèi)部氣相分布分別如圖14-16所示.在0.5°時，空穴現(xiàn)象在噴油壓為100 MPa時出現(xiàn)，20和50 MPa時未出現(xiàn).在0.7°時，50 MPa時出現(xiàn)空穴，100 MPa時空穴區(qū)域迅速發(fā)展向噴孔中下部延伸.這說明空穴初生時刻隨入口壓力的增加而提前，入口壓力越大，空穴區(qū)延伸長度越大.另外，噴孔內(nèi)空穴層隨針閥的抬起而向噴孔出口延伸.

圖14 當背壓為3 MPa，噴油壓力為20 MPa時，不同曲軸轉(zhuǎn)角下噴油嘴內(nèi)部氣相分布

圖15 當背壓為3 MPa，噴油壓力為50 MPa時，不同曲軸轉(zhuǎn)角下噴油嘴內(nèi)部氣相分布

圖16 當背壓為3 MPa，噴油壓力為100 MPa時，不同曲軸轉(zhuǎn)角下噴油嘴內(nèi)部氣相分布

4.3 燃油性質(zhì)對空穴分布特性的影響

Diesel(柴油)、DME(二甲醚)和 FAME(生物柴油)3種燃油的主要物理性質(zhì)如表2所示.

表2 燃油的理化性質(zhì)

在噴射壓力為100 MPa，背壓為3 MPa時，燃油對噴孔內(nèi)空穴分布的影響如圖17-19所示.

圖17 Diesel燃油對噴孔內(nèi)空穴分布的影響

圖18 DME燃油對噴孔內(nèi)空穴分布的影響

圖19 FAME燃油對噴孔內(nèi)空穴分布的影響

從圖17-19可以看出:在相同的曲軸轉(zhuǎn)角下，對于DME燃料，由于其具有較小的運動黏度和較高的蒸汽壓，使其噴孔內(nèi)的空穴區(qū)域范圍和強度較高，有利于促進燃油的破碎霧化;而對于FAME燃油，由于運動黏度較大，致使噴孔內(nèi)空穴范圍和強度較低.對于Diesel雖然其密度較FAME小，但是由于其運動黏度也較小，所以其空穴分布范圍及強度較FAME變化不大.

5 結論

1)通過可視化試驗驗證了噴油嘴內(nèi)部空穴流動數(shù)值計算模型的可靠性.

2)噴油嘴內(nèi)部流動信息可采用動網(wǎng)格技術獲得.在相同的噴油壓力下，上層噴孔與下層噴孔相比，空穴現(xiàn)象會提前出現(xiàn)，且空穴發(fā)展更加迅速，空穴區(qū)域更大.噴油嘴內(nèi)部空穴發(fā)展過程在針閥升程與針閥關閉2個階段中區(qū)別較大.針閥關閉階段與針閥開啟階段相比，噴油嘴內(nèi)部空穴發(fā)展較快，噴油嘴內(nèi)部空穴現(xiàn)象在針閥關閉的前一刻會有瞬間的增加.

3)隨著噴油壓力的增加，空穴現(xiàn)象會提前產(chǎn)生，在針閥升程相同的條件下，空穴發(fā)展區(qū)域隨噴油壓力的升高而增大.

4)燃油性質(zhì)對空穴初生和發(fā)展有很大影響.在相同的進出口壓力條件下，噴孔內(nèi)空穴現(xiàn)象的發(fā)展及其強度受燃油運動黏度、飽和蒸汽壓和密度的影響.運動黏度低的燃油相比于運動黏度高的燃油，其空穴現(xiàn)象范圍廣、強度大.

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