謝 陽,羅麒元,麻 劍,許滄粟

(浙江大學 動力機械及車輛工程研究所,浙江 杭州 310027)

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噴油嘴噴孔內(nèi)流動特性數(shù)值仿真與試驗分析

謝 陽,羅麒元,麻 劍,許滄粟

(浙江大學 動力機械及車輛工程研究所,浙江 杭州 310027)

采用X射線相襯成像技術(shù)研究噴嘴噴孔內(nèi)試驗的流動特性,驗證數(shù)值仿真結(jié)果.利用CFD軟件模擬得到入口壓力下燃油的質(zhì)量流量、空穴分布、有效噴射速度與無量綱流動系數(shù),結(jié)合試驗數(shù)據(jù)對流動特性進行分析.結(jié)果表明：X射線相襯成像技術(shù)的成像效果良好,仿真結(jié)果與試驗結(jié)果吻合較好；噴射壓力越高,更容易進入臨界超空穴狀態(tài)；噴孔出口速度的增幅略大于體積流量的增幅；雷諾數(shù)隨著噴射壓力的上升呈冪函數(shù)型上升,空穴數(shù)隨著雷諾數(shù)的增加呈指數(shù)下降,流量系數(shù)都隨著雷諾數(shù)的上升緩慢增加直至趨于穩(wěn)定.

柴油機；空穴；X射線；相襯成像

現(xiàn)代柴油發(fā)動機多配備高壓共軌噴射系統(tǒng).柴油通過噴油器的多噴孔直接向缸內(nèi)噴射,從而實現(xiàn)更好的排放性能.高壓共軌系統(tǒng)會加劇燃料在孔內(nèi)的湍流度[1].研究表明,燃油噴霧的形成及霧化過程受到噴嘴內(nèi)湍流和空穴的影響,并且噴孔內(nèi)空穴引起的液流紊亂對孔外霧化的影響遠遠大于周圍空氣摩擦的影響[2-3].

近年來,隨著相關(guān)測試技術(shù)的發(fā)展,對噴孔內(nèi)空穴流動特性的各項研究逐漸發(fā)展起來.X 射線相襯成像技術(shù)作為一項新型的測試技術(shù),得到了極大的發(fā)展.目前,國外已有文獻運用同步輻射X射線相襯成像技術(shù)來對噴霧機理以及噴孔內(nèi)的流動特性進行研究[4-5].試驗成像的效果良好.目前,國內(nèi)利用該項技術(shù)探究噴孔內(nèi)的空穴流動特性較少[6].

由于真實噴孔的尺寸極小,使用可視化手段難以識別小區(qū)域內(nèi)的流態(tài)變化,為了降低這種情況的影響,選用放大噴孔是一種較好的解決方法[7-12].相似準則[7]是在設(shè)計放大噴孔時的主要理論依據(jù).為了消除噴孔曲面的影響,采用二維平面噴嘴可以直觀地觀察孔內(nèi)流動狀態(tài)的變化[7-11].

本文采用X射線相襯成像技術(shù)研究噴嘴噴孔內(nèi)試驗的流動特性,配合數(shù)值仿真結(jié)果進行相互驗證,探究該技術(shù)的可行性.通過試驗和CFD仿真計算了不同噴射壓力下噴孔內(nèi)流量及噴孔出口處有效噴射速度等,并配合空穴數(shù)、雷諾數(shù)和韋伯數(shù)進一步分析噴射壓力對孔內(nèi)流動特性參數(shù)的影響.

1 燃油的理化特性

測試燃料選取市售0#柴油.柴油的理化特性如表1所示[13-14].表中,ρ、μ、pv和σ分別為密度、黏度、飽和蒸汽壓和表面張力.

表1 柴油的物性參數(shù)

2 試驗裝置及原理

采用上海光源( SSRF )的第3代同步輻射光源,研究噴孔內(nèi)的流動特性.試驗系統(tǒng)如圖1所示,包括比例放大的噴油器、穩(wěn)壓供油系統(tǒng)、X射線成像及采集系統(tǒng).

1-氮氣；2-減壓閥；3-油箱；4-油路開關(guān)；5-體積流量計；6-壓力計；7-噴嘴；8-X射線源；9-回油槽；10-閃爍晶體； 11-ICCD相機；12-成像系統(tǒng)圖1 X射線相襯成像試驗系統(tǒng)Fig.1 X-ray phase contrast imaging system

圖2 噴嘴示意圖Fig.2 Physical model

二維噴孔模型如圖2 所示.噴孔的幾何參數(shù)如下：噴孔寬度為5 mm,考慮到部分真實噴嘴的長徑比為1.8,因此選取9 mm作為噴孔長度,厚度為2 mm.透明視窗的材料采用聚稀亞胺.該材料有利于X射線的穿透,并且能夠在高溫下保持良好的力學強度.

如圖1所示,試驗開始時,打開減壓閥,使得氮氣瓶中的氣體進入油箱,從而將柴油壓入供油管路,打開開關(guān),燃油噴入大氣環(huán)境中的回油槽(背壓約為0.1 MPa).此時,流量計和噴嘴上方的壓力計開始讀數(shù),調(diào)整減壓閥使得噴嘴上方壓力表示數(shù)達到試驗設(shè)定值的一定范圍內(nèi),待壓力穩(wěn)定后啟動X射線源,此時圖像采集系統(tǒng)通過ICCD相機采集2 s的圖像.一次試驗完成后,通過改變進入油箱的氣壓來調(diào)節(jié)噴射壓力,從而得到不同噴射壓力條件下噴孔內(nèi)的流動狀況.流量計與壓力表的數(shù)據(jù)直接由采集系統(tǒng)采集后,與圖像系統(tǒng)采集的相片同時間軸輸出,因此數(shù)據(jù)的處理較方便.

3 數(shù)學模型

3.1 計算網(wǎng)格

考慮到噴孔上游及下游燃燒室對噴孔內(nèi)柴油流動的影響,選擇上游10 mm噴孔以及下游燃燒室12 mm區(qū)域作為計算區(qū)域.采用混合網(wǎng)格劃分區(qū)域,對噴孔入口拐角處進行加密處理,得到精度更高的結(jié)果.如圖3所示為噴孔網(wǎng)格圖.在驗證網(wǎng)格獨立性后,選擇網(wǎng)格數(shù)為623 548作為后續(xù)計算的基礎(chǔ).

圖3 噴油嘴計算網(wǎng)格Fig.3 Mesh of physical model

3.2 邊界條件和計算方法

數(shù)值模擬采用 ANSYS 軟件,利用均相模型計算空穴現(xiàn)象.對噴孔內(nèi)部的空穴流動進行氣液兩相湍流數(shù)值模擬,以 Rayleigh 所發(fā)展的單氣泡潰滅模型,湍流模型選用Jones和Launder提出的標準k-ε模型；進出口均采用壓力邊界,入口壓力設(shè)置為0.15、0.20、0.25、0.30、0.35、0.40 MPa,背壓設(shè)置為0.101 MPa；固壁處理,兩相間流速無滑移；由于較高入口壓力帶來的強湍流度,使用給定湍流強度I和湍流長度l來取代湍動能k和耗散率ε；壓力修正采用SIMPLE算法；采用一階迎風格式.

3.3 無量綱數(shù)

為了區(qū)別噴孔內(nèi)的單相流與空穴流,并反映空穴出現(xiàn)后的發(fā)展程度,引入無量綱空穴數(shù)K來判斷空穴初生：

(1)

式中：pi、p0分別為入口壓力和背壓.大量研究表明,對于不同結(jié)構(gòu)的噴油嘴,存在不同的臨界空穴數(shù)Kcr,當K高于Kcr時,不管雷諾數(shù)多大,也不會產(chǎn)生空穴,都是單相流；一旦K低于Kcr,在噴孔入口處將產(chǎn)生空穴,形成部分空穴流動；隨著噴射壓力的增大或者背壓的減小,K不斷減小,流動發(fā)展為超空穴流[15].

流量系數(shù)Cd是影響噴油器設(shè)計的一個主要因素.隨著孔內(nèi)流動狀態(tài)的改變,流量系數(shù)隨之改變.Cd的定義如下：

(2)

式中：qm為實際質(zhì)量流量,A為噴孔幾何截面積,Δp為噴孔兩端壓降,ρl為液體密度.

通過式(2)得到的K和Cd,結(jié)合雷諾數(shù)和韋伯數(shù)(式(3)和(4)),可以更清晰地展示孔內(nèi)流動狀態(tài).

(3)

(4)

式中：v為噴射速度，d為直徑.

4 計算結(jié)果及分析

4.1 網(wǎng)格獨立性

圖4 網(wǎng)格獨立性驗證Fig.4 Mass flow rate with respect to cell number

網(wǎng)格數(shù)對模擬計算精度有很大的影響,因此對網(wǎng)格獨立性的驗證是必要的[16].本文預(yù)先對網(wǎng)格獨立性進行驗證.如圖4所示為當入口壓力為0.2 MPa,背壓為0.1 MPa時,孔內(nèi)的質(zhì)量流量隨網(wǎng)格數(shù)n增加的變化情況.通過大量的計算顯示,當網(wǎng)格數(shù)達到54 298時,后續(xù)的質(zhì)量流量已經(jīng)保持恒定.為了保證計算的精度,后續(xù)計算的網(wǎng)格數(shù)選擇為62 548.

4.2 質(zhì)量流量及有效噴射速度

很多實驗表明：在相同背壓下,隨著噴射兩端壓差不斷增加,體積流量逐漸增大.如圖5所示為噴孔出口處體積流量隨入口壓力變化的曲線.由圖5(a)可見,在相同背壓的情況下,體積流量都隨著入口壓力的增加呈冪函數(shù)型增大,這與理論預(yù)測一致.相比于體積流量,燃油出口處的有效速度(液相平均速度)能夠更直觀地反映噴射狀況.有效速度的定義如下.

試驗結(jié)果為

ve=qV/Al.

(5)

CFD結(jié)果為

(6)

從圖5(b)可以看出,有效噴射速度隨著入口壓力的不斷上升而增加,有效速度增幅略大于體積流量.這是由于噴孔內(nèi)的超空穴現(xiàn)象減小了噴孔出口的有效面積,從而進一步加劇了有效噴射速度.

圖5 不同入口壓力下的噴孔出口體積流量和有效噴射速度Fig.5 Flow rate and effective velocity at outlet under different injection pressure

在試驗時,供油系統(tǒng)采用氮氣提供壓力,因此供油管路中的壓力存在一定的波動,從而導(dǎo)致了體積流量存在波動值.為了便于數(shù)據(jù)處理,對體積流量進行取平均處理.如圖6所示為體積流量波動偏差分析.可以看出,體積流量的偏差η隨著入口壓力的不斷提高而下降,從最高的14%降低至4%.這是由于在壓力表后端的管路中存在一定的沿程損失,入口壓力增加產(chǎn)生的沿程損失在總動能中的占比不斷下降.

圖6 偏差分析Fig.6 Deviation analysis

4.3 孔內(nèi)云圖分布

本試驗基于X射線相襯成像技術(shù),圖像采集系統(tǒng)得到的圖像難以直接識別,因此將圖像矩陣化,并與背景圖片進行差值處理,獲得較清晰的孔內(nèi)流動狀態(tài)的圖片.部分圖片經(jīng)過再次運算處理來加強需要分辨的細節(jié).

圖7 不同噴壓下空穴分布Fig.7 Contours of volume fraction of vapor under different injection pressure

如圖7所示為當環(huán)境溫度為293 K,噴射背壓為0.101 MPa時,不同入口壓力下噴孔內(nèi)空穴分布圖(包括試驗與數(shù)值仿真結(jié)果).圖中,標尺為數(shù)值模擬結(jié)果,純液相用1表示,純氣相用0表示.在噴孔平面截圖中,通過對比孔內(nèi)的平均氣相區(qū)域,當噴孔入口壓力達到0.15 MPa時,噴孔內(nèi)的流動狀態(tài)處于紊流狀態(tài),無空穴出現(xiàn),這與試驗結(jié)果(見圖7(a))相符.如圖7(b)所示為當入口壓力為0.2、0.25 MPa時,CFD結(jié)果與試驗結(jié)果噴孔內(nèi)氣液分布云圖的對比.當入口壓力為0.2 MPa時,孔內(nèi)出現(xiàn)少量空穴,隨著入口壓力的增大,空穴向噴孔出口發(fā)展.當入口壓力達到0.4 MPa時,CFD模擬計算結(jié)果中噴孔內(nèi)流動狀態(tài)進入超空化,試驗結(jié)果(見圖7(c))驗證了這點.

4.4 空穴數(shù)以及流動系數(shù)

圖8給出雷諾數(shù)在不同的入口壓力情況下的比較.雷諾數(shù)(Reynolds number)與流場內(nèi)部的湍流度呈正相關(guān).雷諾數(shù)隨著入口壓力的增加而呈對數(shù)上升,噴孔內(nèi)的湍流度不斷上升.由于雷諾數(shù)正比于孔內(nèi)流體的有效速度,而有效速度與噴嘴出、入口的壓差的平方根成正相關(guān),隨著噴射壓力的增加,有效速度增長趨緩,從而導(dǎo)致孔內(nèi)湍流度的加劇程度變緩.這與圖7相印證.

圖8 雷諾數(shù)隨入口壓力變化的曲線Fig.8 Relationship between Reynolds number and injection pressure

圖9 雷諾數(shù)和韋伯數(shù)對空穴數(shù)的影響Fig.9 Influence of Reynolds number and Weber number on cavitation number

圖9給出雷諾數(shù)和韋伯數(shù)對空穴數(shù)的影響情況.在背壓和燃料溫度保持不變的情況下,空穴數(shù)隨著入口壓力的增加而減小.圖9(a)表明：空穴數(shù)隨著雷諾數(shù)的增加而呈指數(shù)下降.在紊流區(qū)域內(nèi),空穴數(shù)顯著下降；在空化流區(qū)域,空穴數(shù)下降趨勢放緩.根據(jù)式(1)的定義可知,當噴射的背壓和流體的飽和蒸汽壓為定值時,空穴數(shù)隨著入口壓力的上升而下降,并且這種趨勢會逐漸放緩.由于空穴數(shù)與噴嘴出入口壓差的倒數(shù)成正相關(guān),雷諾數(shù)與噴嘴出入口的壓差的平方根成正相關(guān),因此空穴數(shù)隨噴射壓力的衰減程度強于雷諾數(shù),呈現(xiàn)出指數(shù)式下降；同時,韋伯數(shù)對空穴數(shù)的影響與雷諾數(shù)相似.

如圖10所示為不同入口壓力下流量系數(shù)隨雷諾數(shù)變化的情況.當噴孔內(nèi)流態(tài)逐漸進入空穴流時,流量系數(shù)增加.當孔內(nèi)流動進入空穴流后,隨著雷諾數(shù)的不斷增加,流量系數(shù)趨于穩(wěn)定.

圖10 流量系數(shù)隨雷諾數(shù)變化的曲線Fig.10 Relationship between Reynolds number and discharge coefficient

5 結(jié) 論

(1)X射線相襯成像技術(shù)可以用來探究噴孔內(nèi)的流動特性.X射線相襯成像技術(shù)獲取的圖像經(jīng)過一定的處理能夠清晰地展示噴孔內(nèi)的流動狀態(tài).同時,仿真結(jié)果與試驗結(jié)果能夠較好地吻合.

(2)試驗和數(shù)值計算都表明,在一定的背壓條件下,質(zhì)量流量隨著入口壓力的增加而增大,而有效速度的增幅較大,并且當入口壓力達到一定值(本試驗為0.4 MPa)時,噴孔內(nèi)流態(tài)進入超空化狀態(tài).

(3)雷諾數(shù)隨著噴壓的上升呈冪函數(shù)型上升,空穴數(shù)隨著雷諾數(shù)的增加呈指數(shù)下降,流量系數(shù)都隨著雷諾數(shù)的上升而增加、直至趨于穩(wěn)定.

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Numerical simulation and experimental validation of internal nozzle flow characteristic of injector

XIE Yang, LUO Qi-yuan, MA Jian, XU Cang-su

(InstituteofPower-DrivenMachineryandVehicleEngineering,ZhejiangUniversity,Hangzhou310027,China)

The X-ray phase contrast imaging technique was used to analyze the flow characteristics of internal nozzle in order to verify the simulation results. The mass flow, cavitation distribution, effective velocity at the outlet and non-dimensional flow coefficients under different injection pressure conditions were considered based on the CFD software simulation combined with the experimental results. Results show that X-ray phase contrast imaging technique contributes to the research, and the results accord with the simulation results. Critical super cavitation conditions are achieved easier when injection pressure rises. The growth of effective velocity at the outlet is slightly bigger than that of volume flow. Reynolds number shows positive correlation to the injection pressure, while the cavitation number decreases exponentially with increases in the Reynolds numbers. The discharge coefficient increases as the Reynolds number rises until it gets stable．

engine; cavitation; X-ray; phase contrast imaging

2014-09-11. 浙江大學學報(工學版)網(wǎng)址： www.journals.zju.edu.cn/eng

國家“973”重點基礎(chǔ)研究發(fā)展規(guī)劃資助項目(2013CB228100);浙江省公益性技術(shù)應(yīng)用研究計劃資助項目(2012C21060) .

謝陽(1990-)，男，碩士生，從事柴油噴霧與數(shù)值模擬的研究.ORCID:0000-0002-8534-8959.E-mail:xieyang_auto@163.com 通信聯(lián)系人：許滄粟，男，副教授.E-mail:xcs0929@163.com

10.3785/j.issn.1008-973X.2016.01.016

TK 421

A

1008-973X(2016)01-0111-05