郭根苗，何志霞，王 謙，管 偉，邵 壯，王健權(quán)

(1.江蘇大學(xué)能源研究院，鎮(zhèn)江 212013；2.江蘇大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院，鎮(zhèn)江 212013；3.中國(guó)科學(xué)院山東中科先進(jìn)技術(shù)研究院，濟(jì)南 250100)

柴油機(jī)在可預(yù)見(jiàn)時(shí)間內(nèi)仍然是交通運(yùn)輸、國(guó)防、農(nóng)業(yè)、工程等領(lǐng)域的主要?jiǎng)恿?lái)源，高效、清潔依舊是先進(jìn)柴油機(jī)的優(yōu)化目標(biāo).柴油機(jī)噴嘴內(nèi)高速氣液兩相空化湍流直接影響了燃油的噴霧霧化質(zhì)量，進(jìn)而對(duì)柴油機(jī)的燃燒和排放性能產(chǎn)生重要影響，因此得到了廣泛關(guān)注[1-4].柴油機(jī)噴嘴內(nèi)的空化現(xiàn)象包括幾何誘導(dǎo)空化和渦線空化[5-6]：前者是噴嘴內(nèi)流道收縮，流體流速增加、噴孔內(nèi)局部壓力下降至流體飽和蒸汽壓時(shí)產(chǎn)生的一種復(fù)雜氣液兩相湍流，這類(lèi)空化流動(dòng)已被深入廣泛地研究[7-9]；后者由噴嘴內(nèi)旋渦流動(dòng)引起，旋渦核心低壓區(qū)使得氣相積聚并發(fā)生氣液相變.目前對(duì)于渦線空化的研究相對(duì)較少，尚不能對(duì)其初生機(jī)理、流動(dòng)特性及影響形成全面認(rèn)識(shí).

Roth 等[10]基于某比例放大透明6 孔噴嘴的試驗(yàn)結(jié)果，得出柴油機(jī)噴嘴內(nèi)的渦線空化可被區(qū)分為針閥-噴孔型和噴孔-噴孔型兩類(lèi).孫申鑫等[11]根據(jù)比例放大噴嘴內(nèi)渦線空化流動(dòng)特性的可視化試驗(yàn)結(jié)果分析了兩類(lèi)渦線空化對(duì)噴霧的影響.Gavaises 等[5]采用可視化試驗(yàn)方法對(duì)比分析了比例放大和真實(shí)尺寸量級(jí)噴嘴內(nèi)兩類(lèi)渦線空化的穩(wěn)態(tài)特性，研究指出漸縮錐形噴孔可大大抑制幾何誘導(dǎo)空化現(xiàn)象，但更有利于渦線空化的產(chǎn)生和發(fā)展.但他們的研究忽略了針閥運(yùn)動(dòng)對(duì)內(nèi)流的影響.張正洋等[12]初步探討了真實(shí)微小尺寸柴油機(jī)漸縮錐度噴孔內(nèi)瞬態(tài)流動(dòng)特性，發(fā)現(xiàn)渦線空化與針閥位置有關(guān)，分析了兩類(lèi)渦線空化的初生規(guī)律.鑒于試驗(yàn)研究的局限性，數(shù)值模擬方法成為微尺寸噴嘴內(nèi)渦線空化現(xiàn)象的重要研究手段.Battistoni等[13]的數(shù)值模擬結(jié)果發(fā)現(xiàn)，柴油機(jī)噴嘴內(nèi)部流動(dòng)特性復(fù)雜且孔與孔間流動(dòng)特性差異明顯，同時(shí)噴孔內(nèi)部旋流強(qiáng)烈影響燃油的射流噴霧形態(tài).但是，他們的數(shù)值模擬結(jié)果利用旋渦流動(dòng)特性預(yù)測(cè)了渦線空化的存在，并沒(méi)有直接表征渦線空化.Shi 等[14]基于大渦模擬預(yù)測(cè)了柴油機(jī)噴嘴內(nèi)部幾何誘導(dǎo)空化和渦線空化流動(dòng)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)柴油噴霧形態(tài)與噴嘴內(nèi)的多尺度渦團(tuán)密切關(guān)聯(lián)；其中渦線空化是大尺度渦團(tuán)的反映，小尺度渦團(tuán)與湍流有關(guān).然而，他們的研究沒(méi)有對(duì)渦線空化瞬態(tài)特性展開(kāi)研究.綜上，針對(duì)柴油機(jī)噴嘴內(nèi)渦線空化的研究大多集中在比例放大噴嘴或固定針閥升程的穩(wěn)定工況，且尚未實(shí)現(xiàn)噴嘴內(nèi)渦線空化的直接數(shù)值模型表征，因而對(duì)柴油機(jī)燃油噴射過(guò)程中微小尺寸噴嘴內(nèi)渦線空化的初生機(jī)理及瞬態(tài)演變特性尚不明晰.

基于此，筆者采用數(shù)值模擬與可視化試驗(yàn)相結(jié)合的研究方法，討論了柴油機(jī)燃油噴射過(guò)程中微小尺寸噴嘴內(nèi)部渦線空化的起源及瞬態(tài)演變特性，進(jìn)一步對(duì)渦線空化和旋渦流場(chǎng)間關(guān)系進(jìn)行闡述和研究.

1 可視化試驗(yàn)平臺(tái)的搭建

圖1 給出了可視化試驗(yàn)平臺(tái)的工作原理圖.其中，試驗(yàn)臺(tái)安裝有噴油壓力調(diào)節(jié)器，并且在噴油器上游附近安裝有壓力表，用于測(cè)試噴油壓力.試驗(yàn)中，燃油經(jīng)低壓泵和高壓泵加壓后進(jìn)入共軌管，然后在ECU 電控單元控制下精準(zhǔn)地噴入試驗(yàn)噴嘴，最終經(jīng)由透明噴嘴頭部噴孔高速射出.基于背景光法，采用高速攝像機(jī)捕獲噴嘴內(nèi)部燃油流動(dòng)和噴嘴下游噴霧霧化形態(tài).因柴油噴孔尺寸微小，試驗(yàn)中噴射出的燃油量并不大，所以試驗(yàn)可以在簡(jiǎn)單燃油霧滴收集裝置或定容彈中進(jìn)行.

圖1 柴油機(jī)噴嘴內(nèi)部流動(dòng)及噴霧可視化試驗(yàn)臺(tái)原理Fig.1 Schematic of the optical experimental setup of internal flow in diesel nozzle and spray

待測(cè)噴油器由透明噴嘴頭部與真實(shí)噴油器(頭部被切除)裝配組成，見(jiàn)圖2(a).噴嘴頭部由透明有機(jī)玻璃加工形成，其結(jié)構(gòu)示意圖如圖2(b)所示，包含有兩個(gè)相同的漸縮錐形噴孔.其中，噴孔的入口和出口直徑分別為0.29 mm 和0.22 mm，錐度系數(shù)為4，傾斜角為70°.噴油壓力為80 MPa，背壓為0.101 MPa，噴油持續(xù)期為2 000μs.試驗(yàn)用燃油的主要物性和試驗(yàn)工況如表1 所示.

圖2 可視化試驗(yàn)用噴嘴示意Fig.2 Schematic of nozzle used in the optical experiments

表1 試驗(yàn)用燃油的主要物性參數(shù)Tab.1 Fuel properties used in experiments

2 數(shù)值模擬

基于CONVERGE 軟件代碼，開(kāi)展燃油噴射過(guò)程中噴嘴內(nèi)旋渦空化流動(dòng)特性的數(shù)值模擬.基于內(nèi)嵌的代碼模塊建立可壓縮液相、蒸汽相和不凝性氣體的混合多相流模型，對(duì)空化流動(dòng)瞬態(tài)演變特性的模擬采用HRM 空化模型和VOF 多相流方法求解，并根據(jù)燃油流場(chǎng)特性分析旋渦空化現(xiàn)象的起源以及旋渦空化與渦流場(chǎng)之間的關(guān)系.

2.1 空化模型

HRM(homogeneous relaxation model，HRM)空化模型，該模型由Bilicki 和Kestin 等人于1990 年提出[15]，是基于熱力平衡原理的一種空化模型.HRM模型刻畫(huà)了當(dāng)?shù)厮矔r(shí)蒸氣相質(zhì)量x 達(dá)到其平衡質(zhì)量x的速率，如公式(1)所示.式中，θ表示瞬時(shí)值x 達(dá)到平衡狀態(tài)的時(shí)間尺度，可表示為公式(2)形式.

具體地，蒸發(fā)和冷凝過(guò)程的時(shí)間尺度θe和θc可分別表示為

式中：α為氣相體積分?jǐn)?shù)，包含燃油蒸氣和空氣；θ0和F 為模型系數(shù)，分別取3.84×10-7和5000；ψ為一無(wú)量綱壓力比，見(jiàn)公式(5).

式中：pcrit和psat分別表示燃油的相變臨界壓力和飽和蒸氣壓.

2.2 計(jì)算區(qū)域及邊界條件

計(jì)算模型如圖3 所示，兩個(gè)噴孔出口分別連接了一個(gè)大尺寸腔體.這是為了使燃油的流出邊界遠(yuǎn)離噴孔，從而減輕噴孔出口附近的空氣倒吸現(xiàn)象和初始射流破碎過(guò)程中產(chǎn)生的壓力波反射對(duì)噴孔內(nèi)流特性的影響.在基礎(chǔ)網(wǎng)格基礎(chǔ)上綜合采用了固定的嵌入式加密和網(wǎng)格尺寸自適應(yīng)技術(shù)對(duì)計(jì)算域進(jìn)行網(wǎng)格單元?jiǎng)澐?根據(jù)針閥升程運(yùn)動(dòng)規(guī)律設(shè)定嵌入式加密區(qū)域和等級(jí)，在求解過(guò)程中根據(jù)網(wǎng)格單元內(nèi)氣相體積分?jǐn)?shù)、壓力場(chǎng)和速度場(chǎng)分布特征自適應(yīng)細(xì)化網(wǎng)格尺寸.其中，噴孔及噴嘴壓力腔區(qū)域是渦線空化易出現(xiàn)的位置，因此這些區(qū)域內(nèi)的網(wǎng)格單元尺寸最為細(xì)??；同時(shí)，針閥和噴嘴的密封面附近狹長(zhǎng)空間的網(wǎng)格亦被主要加密.圖4 給出了數(shù)值計(jì)算初始化時(shí)的3D 噴嘴和2D 截面上的網(wǎng)格分布.

圖3 數(shù)值計(jì)算域Fig.3 Computational domain in the numerical simulation

圖4 初始化時(shí)計(jì)算網(wǎng)格分布Fig.4 Mesh pattern at the initiation stage

3 結(jié)果與討論

3.1 渦線空化現(xiàn)象的起源

渦線空化可分為針閥-噴孔型和噴孔-噴孔型兩類(lèi)，且針閥-噴孔型渦線空化起源于針閥頭部錐面附近或噴孔出口，如圖5 所示.圖5(a)中渦線空化產(chǎn)生于針閥頭部表面；圖5(b)中渦線空化產(chǎn)生于噴孔出口；而圖5(c)描繪的渦線空化同時(shí)起源于針閥頭部表面和噴孔出口.另外，圖5(d)、(e)和(f)給出了噴孔-噴孔型渦線空化.噴孔-噴孔型渦線空化初生于某個(gè)噴孔后經(jīng)由噴嘴的壓力腔腔延伸至另一噴孔，或起源于壓力腔內(nèi)，隨后向兩個(gè)噴孔內(nèi)發(fā)展.

圖5 噴嘴內(nèi)針閥-噴孔和噴孔-噴孔型渦線空化的形態(tài)Fig.5 Needle-hole type and hole-hole type vortex cavitation patterns inside the nozzle

圖6 分別給出了可視化試驗(yàn)獲取的針閥升程規(guī)律和相應(yīng)數(shù)值模擬計(jì)算中采用的針閥運(yùn)動(dòng)曲線.由圖可知，數(shù)值模擬中對(duì)可視化試驗(yàn)所得的針閥運(yùn)動(dòng)規(guī)律作了順滑擬合.為了平衡數(shù)值計(jì)算的精度和成本，本研究討論了數(shù)值模擬模型的網(wǎng)格無(wú)關(guān)性；其中，粗網(wǎng)格與精細(xì)網(wǎng)格的信息如表2 所示.

圖6 可視化試驗(yàn)和數(shù)值模擬中的針閥運(yùn)動(dòng)規(guī)律Fig.6 Needle valve motion profiles of visual experiment and numerical simulation

表2 網(wǎng)格單元信息Tab.2 Specific grid information

圖7 給出了粗網(wǎng)格與精細(xì)網(wǎng)格條件下噴嘴內(nèi)渦線空化體積分?jǐn)?shù)隨燃油噴射時(shí)間(針閥運(yùn)動(dòng))的瞬態(tài)演變特性.對(duì)比粗網(wǎng)格和精細(xì)網(wǎng)格下的結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，精細(xì)網(wǎng)格與粗網(wǎng)格工況下的渦線空化的初生和發(fā)展規(guī)律存在明顯差異.在粗網(wǎng)格條件下，僅能捕捉到針閥頭部錐面附近噴嘴壓力腔內(nèi)的微弱的線空化，不能描述線空化發(fā)展延伸進(jìn)入噴孔過(guò)程，結(jié)果具有明顯缺陷.

圖7 針閥運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的渦線空化形態(tài)及其演變特性Fig.7 Vortex cavitation patterns and their evolution characteristics during needle-valve motions

這是由于一方面噴嘴和針閥頭部形成的狹長(zhǎng)流道較其他區(qū)域存在更為強(qiáng)烈的旋渦流動(dòng)，另一方面噴嘴壓力腔區(qū)域內(nèi)的網(wǎng)格單元在計(jì)算過(guò)程中被自適應(yīng)精細(xì)加密，因此可捕捉到針閥頭部錐面附近渦線空化的存在.而在精細(xì)網(wǎng)格工況下，數(shù)值模擬結(jié)果顯示出的渦線空化的強(qiáng)度大、持續(xù)期長(zhǎng).此時(shí)，渦線空化或起源于針閥頭部表面，隨著燃油噴射過(guò)程的進(jìn)行(伴隨針閥運(yùn)動(dòng))逐漸向噴孔內(nèi)部延伸；或起源于噴孔出口附近，然后逐漸向噴孔上游逆向發(fā)展，最終貫穿噴孔，直至針閥表面；或是上述兩種情況同時(shí)發(fā)生.

圖8 對(duì)比分析了精細(xì)網(wǎng)格條件下數(shù)值模擬與可視化實(shí)驗(yàn)結(jié)果.從渦線空化隨針閥運(yùn)動(dòng)的演變規(guī)律發(fā)現(xiàn)：在針閥開(kāi)啟和關(guān)閉階段，噴嘴內(nèi)均出現(xiàn)了渦線空化現(xiàn)象.結(jié)合圖7 和8 可知，在較低的針閥升程下，噴嘴內(nèi)主要產(chǎn)生了針閥-噴孔型渦線空化.渦線空化起源于針閥錐面和噴孔出口處，隨后發(fā)展至噴孔內(nèi)或噴嘴壓力腔內(nèi)，使得渦線空化連接針閥和噴孔.且根據(jù)圖8 顯示的結(jié)果，數(shù)值模擬與可視化試驗(yàn)得出的針閥-噴孔型渦線空化的出現(xiàn)頻率與持續(xù)時(shí)間相一致.在可視化試驗(yàn)中，渦線空化主要出現(xiàn)在針閥開(kāi)啟階段升程為110～215μm 時(shí)間段以及在針閥關(guān)閉階段的0～220μm 升程內(nèi)；數(shù)值模擬中的渦線空化主要出現(xiàn)在針閥開(kāi)啟階段升程為110～245μm 范圍內(nèi)，以及在針閥關(guān)閉階段0～190μm 升程的范圍內(nèi).因此，對(duì)于針閥-噴孔型渦線空化，數(shù)值模擬結(jié)果與可視化實(shí)驗(yàn)結(jié)果具有非常高的吻合度.

進(jìn)一步對(duì)比數(shù)值模擬與實(shí)驗(yàn)結(jié)果還可發(fā)現(xiàn)，數(shù)值模擬得出的氣相體積分?jǐn)?shù)不能很好地表征發(fā)生在較高針閥升程工況下的噴孔-噴孔型渦線空化，這主要是因?yàn)閲娍?噴孔型渦線空化的強(qiáng)度微弱、持續(xù)時(shí)間非常短.所以，本研究后續(xù)內(nèi)容將從噴嘴內(nèi)旋渦流動(dòng)的分布特征預(yù)測(cè)噴孔-噴孔型渦線空化的必然存在性.

圖8(b)給出了不同針閥升程下，噴嘴內(nèi)渦線空化形態(tài)分布的可視化試驗(yàn)和數(shù)值模擬結(jié)果.圖中左列為試驗(yàn)與模擬計(jì)算中的針閥升程信息，中間為可視化實(shí)驗(yàn)結(jié)果，右列為數(shù)值模擬結(jié)果(10-4～1 范圍內(nèi)的氣相體積分?jǐn)?shù)等值面).結(jié)果表明，數(shù)值模擬得出的渦線空化區(qū)域分布與可視化實(shí)驗(yàn)結(jié)果基本一致.二者間存在些許差異的原因主要有以下幾點(diǎn)：①由于試驗(yàn)噴嘴結(jié)構(gòu)尺寸的加工誤差，噴嘴幾何結(jié)構(gòu)的微小差異直接影響噴嘴內(nèi)流特性；②數(shù)值模型建立過(guò)程中的假設(shè)簡(jiǎn)化了實(shí)際多相流動(dòng)的復(fù)雜性；③數(shù)值模擬中噴嘴內(nèi)針閥的運(yùn)動(dòng)規(guī)律與可視化試驗(yàn)中的不完全一樣，試驗(yàn)中可能會(huì)存在針閥偏心和擺動(dòng)現(xiàn)象，但無(wú)法準(zhǔn)確測(cè)得；④柴油是一種多組分混合物，數(shù)值模擬中柴油物性的設(shè)定與實(shí)際試驗(yàn)中所用柴油的性質(zhì)有差異；⑤數(shù)值模擬初始化條件與實(shí)際試驗(yàn)也不盡相同，例如：在可視化試驗(yàn)中觀察到了噴嘴內(nèi)的殘余氣泡(如圖8中零時(shí)刻時(shí)的可視化試驗(yàn)結(jié)果所示)，而數(shù)值模擬中并沒(méi)有考慮到殘余氣泡對(duì)柴油噴射初期噴嘴內(nèi)流動(dòng)及下游噴霧的影響；⑥網(wǎng)格單元的尺寸受計(jì)算成本的限制，進(jìn)一步細(xì)化網(wǎng)格單元尺寸，可能捕獲更加精確的渦線流動(dòng)特性；⑦可視化實(shí)驗(yàn)結(jié)果反映的是氣液相對(duì)光線反射和折射的作用效果，而數(shù)值模擬結(jié)果給出的是氣相體積分?jǐn)?shù)，二者之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系尚不明晰.綜上，雖然數(shù)值模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果略有差異，但在精細(xì)網(wǎng)格分辨率下的數(shù)值模擬結(jié)果較為準(zhǔn)確地表征出了針閥運(yùn)動(dòng)過(guò)程中噴嘴內(nèi)渦線空化的瞬時(shí)形態(tài)、發(fā)生時(shí)刻和持續(xù)時(shí)間.

圖8 噴油過(guò)程中噴嘴內(nèi)渦線空化數(shù)值模擬與可視化實(shí)驗(yàn)結(jié)果的對(duì)比Fig.8 Comparison between simulation and experimental results of vortex cavitation inside the nozzle

3.2 渦線空化現(xiàn)象的瞬態(tài)演變特性

基于上述精細(xì)網(wǎng)格單元，圖9 和圖10 給出了3種不同針閥升程下，右側(cè)噴孔2 內(nèi)部燃油渦線流動(dòng)的氣相體積分?jǐn)?shù)、速度和壓力分布以及噴嘴內(nèi)旋渦場(chǎng)特性.其中，給出了噴孔2 內(nèi)取值范圍10-4～1 的氣相體積分?jǐn)?shù)等值面、噴孔5 個(gè)等距離橫截面上的速度場(chǎng)和壓力場(chǎng)和渦量著色的噴嘴內(nèi)部流場(chǎng)分布.值得說(shuō)明的是，升程0.15 mm 處于針閥開(kāi)啟過(guò)程，而升程0.18 mm 和0.25 mm 取自針閥關(guān)閉過(guò)程.同時(shí)，根據(jù)圖9 可得，0.15 mm 和0.18 mm 為較低的針閥升程工況，而0.25 mm 升程為較高針閥升程的工況.因此，上述3 個(gè)工況代表了燃油噴射典型時(shí)刻工況.

圖9 噴孔2 內(nèi)氣相分布及速度和壓力場(chǎng)特性(0.15 mm、0.18 mm 和0.25 mm 針閥升程下)Fig.9 Gaseous,velocity and pressure distributions inside nozzle hole 2 at needle-valve lifts of 0.15 mm，0.18 mm and 0.25 mm

由圖9 中的結(jié)果可知：在針閥升程為0.15 mm 和0.18 mm 時(shí)，噴嘴內(nèi)發(fā)生了強(qiáng)烈的針閥-噴孔型渦線空化.具體地，0.15 mm 針閥升程工況下的結(jié)果顯示了兩種不同初生方式的針閥-孔類(lèi)渦線空化，即初生于針閥頭部錐面或噴孔出口，然后向噴孔2 中延伸.同時(shí)，從0.15 mm 針閥升程工況的壓力分布觀察到在噴孔2 的入口和出口位置分別存在低壓核心，而靠近噴孔中心位置處低壓核心逐漸消失；此低壓核心區(qū)即為渦線空化初生和發(fā)展的重要原因之一.與針閥升程為0.15 mm 時(shí)工況不同的是，在針閥升程0.18 mm 時(shí)，渦線空化貫穿了整個(gè)噴孔2，并且沿著噴孔2 存在一條完整的線形低壓核心區(qū).這說(shuō)明渦線空化與旋渦流動(dòng)有關(guān)，并且渦線空化區(qū)與低壓核心區(qū)域一致.當(dāng)針閥升程增大至0.25 mm 時(shí)，噴嘴壓力腔和噴孔2 內(nèi)均沒(méi)有出現(xiàn)可見(jiàn)的渦線空化，從圖中可以看出噴孔2 上部區(qū)域的燃油流速大，且存在小幅旋渦變化，壓力自入口到出口逐步減小.

圖10 給出了噴孔2 內(nèi)的速度和流線分布，用以分析噴嘴內(nèi)渦線空化的初生及發(fā)展機(jī)理.由噴孔2中5 個(gè)橫截面上的渦量分布和流線結(jié)構(gòu)可清晰判斷噴孔2 內(nèi)的燃油流動(dòng)呈旋渦流態(tài).同時(shí)，結(jié)合圖9 中所示的渦線空化形態(tài)可知，渦線空化起源于旋渦流動(dòng)最強(qiáng)的渦核中心，并沿著渦核發(fā)展.為了更深入地探究渦線空化與噴嘴內(nèi)旋渦流動(dòng)之間的關(guān)系，圖10 也給出了正向和俯視方向噴嘴內(nèi)(含噴孔1、噴孔2 和壓力腔)旋渦流動(dòng)的流線分布.結(jié)果表明：在較低針閥升程(0.15 mm 和0.18 mm)時(shí)，針閥頭部的兩側(cè)表面至噴孔1 和噴孔2 中均形成有強(qiáng)烈的渦流，因此，針閥-噴孔類(lèi)渦線空化易發(fā)生于較低的針閥升程工況下.然而，隨著針閥升程的增大，連接針閥頭部與噴孔的旋渦流動(dòng)的強(qiáng)度逐漸減弱.當(dāng)針閥升程增大至0.25 mm 時(shí)，噴嘴內(nèi)已難以觀察到連接針閥頭部與噴孔(包括：噴孔1 和噴孔2)的旋渦流動(dòng)，兩個(gè)噴孔內(nèi)的流線分布很平滑；但從俯視方向的圖片可以看到，此時(shí)噴嘴內(nèi)經(jīng)由壓力腔連接噴孔1 和噴孔2 處形成了強(qiáng)烈的旋渦流動(dòng).這種貫穿了噴霧壓力腔且連接著兩個(gè)噴孔的渦流可被認(rèn)為是一種說(shuō)明噴孔-噴孔類(lèi)渦線空化存在的強(qiáng)有力證據(jù).本數(shù)值模擬中沒(méi)有直接顯示出噴孔-噴孔型渦線空化的原因主要在于較高針閥升程下貫穿噴嘴壓力腔的旋渦流動(dòng)的渦量小、強(qiáng)度弱，且旋渦流動(dòng)并沒(méi)有延伸至噴孔中，所以?xún)H在壓力腔存在瞬時(shí)微弱的渦線空化，這無(wú)疑導(dǎo)致很難采用氣相體積分?jǐn)?shù)來(lái)表征出噴孔-噴孔型渦線空化.同時(shí)，根據(jù)上述分析，貫穿于壓力腔內(nèi)的噴孔-噴孔型渦線空化的持續(xù)期通常較短，這也是噴孔-噴孔型渦線空化微弱的表現(xiàn)之一，并加大了采用氣相體積分?jǐn)?shù)來(lái)直接表征噴孔-噴孔型渦線空化的難度.然而，基于這里數(shù)值模擬得出的旋渦流動(dòng)結(jié)果可以預(yù)測(cè)噴嘴內(nèi)的噴孔-噴孔型渦線空化的存在，并可發(fā)現(xiàn)噴孔-噴孔型渦線空化更易于出現(xiàn)在較高的針閥升程下，且其強(qiáng)度較噴孔-噴孔型渦線空化更弱.

圖10 噴嘴內(nèi)的旋渦流場(chǎng)特性(0.15 mm、0.18 mm 和0.25 mm 針閥升程下)Fig.10 In-nozzle vortex flow at needle-value lifts of 0.15 mm，0.18 mm and 0.25 mm

此外，根據(jù)旋渦空化相關(guān)研究理論，在旋渦的渦核中心，除了低壓誘發(fā)空化出現(xiàn)外，旋渦有匯聚氣核并將這些氣核穩(wěn)定在渦核中心的效應(yīng)，而當(dāng)前的空化模型可以較好地反映低壓誘發(fā)空化效應(yīng)，對(duì)于氣核匯聚效應(yīng)還沒(méi)能考慮，所以對(duì)于相對(duì)較弱的渦線空化的捕捉和呈現(xiàn)效果不佳.

4 結(jié)論

(1) 渦線空化可被區(qū)分為針閥-噴孔型渦線空化和噴孔-噴孔型渦線空化兩類(lèi).針閥-噴孔型渦線空化起源于針閥頭部表面或噴孔出口附近，向噴孔內(nèi)部延伸.噴孔-噴孔型渦線空化初生于噴孔后經(jīng)由噴嘴壓力腔延伸至另一噴孔，或起源于噴嘴壓力腔內(nèi)后向至少兩個(gè)噴孔內(nèi)部發(fā)展.

(2) 渦線空化起源于旋渦的低壓核心區(qū)，并沿著旋渦核心發(fā)展.渦線空化強(qiáng)度取決于當(dāng)?shù)匦郎u核的渦量大小.

(3) 針閥-噴孔型渦線空化主要發(fā)生在較低的針閥升程下，而噴孔-噴孔型渦線空化僅發(fā)生在較高的針閥升程下.相比于針閥-噴孔型渦線空化，噴孔-噴孔型渦線空化強(qiáng)度弱、持續(xù)期短.