伏軍,王振,袁文華,侯映雪

(1.邵陽學(xué)院 機械與能源工程學(xué)院,湖南 邵陽，422000;2.高效動力系統(tǒng)智能制造湖南省重點實驗室, 湖南 邵陽，422000)

生物柴油作為一種清潔的可再生能源[1],由于其在燃燒和排放等方面具有很多優(yōu)點,近年來成為國內(nèi)外可再生能源研究的熱點之一,吸引了許多學(xué)者的關(guān)注。CHAKRAVARTH等[2]研究了生物柴油和柴油這2種燃料的理化特性,發(fā)現(xiàn)這2種燃油的理化特性有明顯差異。王謙等[3]采用定容燃燒彈試驗臺架對豆油甲酯和0號柴油混合燃油的噴霧過程進行了試驗,研究表明常溫下混合燃油中豆油甲酯體積分?jǐn)?shù)為75%,霧化情況會明顯惡化。郭恒杰等[4]利用高速相機研究了棕櫚油生物柴油摻混燃料的噴霧特性,研究表明噴射壓力和環(huán)境壓力都對噴霧特性有很大的影響。VALENTINO等[5-7]通過不同的試驗方法研究了大豆油、菜籽油、棕櫚油及麻風(fēng)油等替代燃料的噴霧貫穿距離、噴霧錐角和噴霧體積等宏觀噴霧特性。GENG等[8]基于試驗臺架研究了燃料噴射壓力和噴孔直徑對生物柴油噴霧特性的影響,發(fā)現(xiàn)提高噴射壓力,噴霧貫穿距離和噴霧錐角增大,噴孔減小可以改善霧化。FU等[9]通過試驗研究了不同環(huán)境下柴油和生物柴油的噴霧特性,發(fā)現(xiàn)較高的溫度促進了燃料的擴散。AMIR和AZWAN[10]研究了不同噴油器對生物柴油噴霧特性的影響,發(fā)現(xiàn)Bosch、Denso和Delphi這3類噴油器的噴霧面積在4組恒定噴射壓力下彼此相近。HAWI和KOSAKA[11]研究了噴射壓力和環(huán)境密度對柴油和生物柴油蒸發(fā)噴霧特性的影響,發(fā)現(xiàn)注射壓力和環(huán)境密度對噴霧特性有重要影響。HASSAN和KHALID[12]基于Fluent軟件模擬分析了高溫環(huán)境下的生物柴油噴霧特性,發(fā)現(xiàn)燃燒室內(nèi)環(huán)境溫度的升高會導(dǎo)致燃料的噴霧貫穿距離和噴霧錐角增大。ISHAK等[13]基于CFD仿真軟件研究了4種生物柴油混合燃料的噴霧特性,發(fā)現(xiàn)DPM(離散相)能夠成功預(yù)測生物柴油混合燃料的索特平均直徑(SMD)和噴霧貫穿距離。ASHKEZARI和DIVSALAR[14]基于不同的噴霧破碎模型模擬直噴式柴油機燃用生物柴油噴霧燃燒過程,發(fā)現(xiàn)與實驗缸內(nèi)壓力結(jié)果相比,KH-RT和WAVE破碎模型預(yù)測的缸內(nèi)壓力峰值精度比CHU和TAB破碎模型的高。

綜上所述,雖然國內(nèi)外關(guān)于生物柴油噴霧特性的研究較多,但研究工況大多集中在燃料低壓噴射工況下,而對于中高壓燃料噴射工況的研究報道相對較少,尤其是通過試驗和仿真模擬相結(jié)合全面研究中高壓燃料噴射工況下生物柴油的噴霧特性更少。鑒于此,本文利用定容燃燒彈試驗臺架獲取生物柴油和柴油在中高壓噴射壓力下的噴霧過程,然后基于WAVE和KH-RT兩種液滴破碎模型對定容燃燒彈內(nèi)生物柴油的噴霧過程進行數(shù)值模擬,根據(jù)試驗結(jié)果完善生物柴油噴霧模型的精度?；谳^高精準(zhǔn)度的破碎模型,計算并分析不同噴射壓力對生物柴油的噴霧貫穿距離、噴霧錐角、SMD、速度場、濃度場的影響,并與柴油作對比。

1 噴霧可視化試驗

本試驗采用直接拍攝法記錄燃料的噴霧過程,定容燃燒彈試驗臺架總體布局如圖1所示。試驗臺架主要由定容燃燒彈、高壓噴射系統(tǒng)、高速攝像系統(tǒng)、供氣及加溫系統(tǒng)四大部分組成。定容燃燒彈為不銹鋼加工而成的圓柱形密閉容器,四周均勻分布4個直徑為10 cm的玻璃視窗。高壓噴射系統(tǒng)主要負(fù)責(zé)給燃料提供設(shè)定的噴射壓力以及控制燃料噴射,供氣及加溫系統(tǒng)的主要功能是模擬發(fā)動機燃燒室內(nèi)的不同噴霧環(huán)境,高速攝像系統(tǒng)主要負(fù)責(zé)燃料噴霧過程的拍攝。本文中的噴油器為單孔電磁噴油器,噴孔直徑為0.168 mm。高速相機型號為Photron FASTCAM SA-X2,該試驗設(shè)定拍攝頻率為20 000幀/s,快門速度為1/40 000 s。以 NI CompactRIO硬件作為平臺,采用LabVIEW設(shè)計平臺通過編寫控制程序來實現(xiàn)信號的采集和控制。具體試驗工況如表1所示。

圖1 定容燃燒彈試驗臺架布局圖Fig.1 Layout of the constant volume combustion chamber test bench

表1 試驗工況
Table 1 Test conditions

環(huán)境氣體環(huán)境壓力/MPa環(huán)境溫度/K噴油壓力/MPa噴油脈寬/ms氮氣230070,90,1301.0

2 仿真試驗及驗證

2.1 噴霧模型

噴霧模擬計算采用離散相液滴模型(DDM),通過拉格朗日方法對液滴的運動軌跡進行追蹤。在噴霧過程中涉及霧化、湍流擴散、碰撞聚合、液滴蒸發(fā)等子模型分別選用WAVE破碎模型/KHRT破碎模型、k-zeta-f四方程模型、Schmidt模型、Dukowicz模型。

2.1.1 WAVE破碎模型

WAVE模型的破碎機理是:燃料液滴由噴油嘴噴射而出,與高密度氣體相互作用,此時燃料液滴表面產(chǎn)生不穩(wěn)定的擾動,當(dāng)不穩(wěn)定的擾動波足夠大時,燃料液滴會發(fā)生破碎。

(1)

(2)

rstable=C1·Λ

(3)

式中:C1默認(rèn)值；C2可調(diào)參數(shù)(調(diào)節(jié)破碎時間)；rstable離開噴孔時的燃料液滴的初半徑。

經(jīng)過反復(fù)的仿真參數(shù)調(diào)試,WAVE破碎模型主要參數(shù):C1=0.61,C2=14時,數(shù)值模擬的結(jié)果和試驗結(jié)果最吻合。

2.1.2 KH-RT破碎模型

KH-RT模型的破碎機理是:燃料液滴由噴油嘴噴射而出,與高密度氣體相互作用產(chǎn)生2種不穩(wěn)定波的擾動：一種是KH不穩(wěn)定波,該波基于氣體和液滴流動方向擾動產(chǎn)生的；另外一種是RT不穩(wěn)定波,該波由氣體和液滴界面法線方向上密度差異而產(chǎn)生的。KH和RT不穩(wěn)定波共同作用導(dǎo)致液滴霧化破碎。

KH不穩(wěn)定性破碎由最大表面波的增長率ΩKH和對應(yīng)波長ΛKH共同決定。

RC=C1ΛKH

(4)

式中:RC為KH不穩(wěn)定性波引起射流破碎而形成的液滴半徑;C1=0.61(常數(shù))。

液滴與氣體的相互作用導(dǎo)致新液滴不斷從原來的液滴邊界層剝離,原液滴的半徑變化率為

(5)

(6)

式中:τKH破碎時間;C2可調(diào)參數(shù)。

ΛKH和ΩKH需要根據(jù)液體射流的不穩(wěn)定分析求解得:

(7)

(8)

式中:We為氣體韋伯?dāng)?shù);Oh為昂賽格數(shù);T為泰勒數(shù);σ為液滴的表面張力;ρl為液相密度。

液滴液核區(qū)的長度為

(9)

式中:C3為軟件默認(rèn)值為10;d0為噴孔直徑;ρg為氣相密度。

RT與KH不穩(wěn)定性破碎相似,RT不穩(wěn)定性破碎也是由ΩRT和ΛRT共同決定的。

(10)

(11)

式中:KRT為波數(shù);gt為油滴運動方向的加速度。

經(jīng)過反復(fù)仿真參數(shù)調(diào)試,當(dāng)KHRT破碎模型主要參數(shù)C1=0.61,C2=13.5,C3=10,C4=7時,數(shù)值模擬的結(jié)果和試驗結(jié)果最吻合。

2.2 計算網(wǎng)格及邊界設(shè)置

定容燃燒彈內(nèi)部區(qū)域簡化后的流體域模型如圖2(a)所示，其中，流體域為直徑80 mm、長度為100 mm的圓柱體。噴油器噴嘴出口位于圓柱體上表面的圓心,噴出的霧束主要集中于圓柱體的中心軸線附近區(qū)域。為了提高計算的精度,需要對噴霧區(qū)域進行加密處理,生成的網(wǎng)格如圖2(b)所示,其中，網(wǎng)格最小尺寸為0.25 mm,總網(wǎng)格數(shù)為320 000,網(wǎng)格類型均為六面體網(wǎng)格。3個面均為固定的溫度邊界,與試驗設(shè)定的溫度保持一致。

(a) 流體域模型

(b) 網(wǎng)格模型

2.3 燃料的理化參數(shù)

本文試驗所用的生物柴油(B)為進口脂肪酸甲酯、柴油(D)為標(biāo)準(zhǔn)0號柴油。試驗前對B和D這2種燃料進行了密度、運動黏度、表面張力等理化性質(zhì)進行測量,測得的理化參數(shù)值如表2所示。

表2 燃料理化參數(shù)
Table 2 Physical & chemical properties of fuels

參數(shù)生物柴油(B)柴油(D)密度/(g·l-1)881.3830.0運動黏度/(mm2·s-1)7.14.3表面張力/(mN·m-1)30.427.5汽化潛力/(MJ·kg-1)260.0268.0低熱值/(MJ·kg-1)38.142.6

2.4 模型驗證

圖3 模擬出的噴霧形態(tài)和試驗噴霧形態(tài)對比Fig.3 Comparison of simulated with experimental spray pattern

為了驗證模型的精度,通常采用的方法是:將模擬計算得到的噴霧形態(tài)和噴霧貫穿距離與試驗結(jié)果進行對比。圖3所示為噴霧模型分別基于KH-RT模型和WAVE破碎模型模擬出的噴霧形態(tài)與試驗拍攝的噴霧形態(tài)對比圖。由圖3可知:基于KH-RT模型和基于WAVE模型模擬出的噴霧形態(tài)與試驗拍攝的噴霧形態(tài)都較吻合。圖4所示為仿真得出的噴霧貫穿距離和試驗結(jié)果對比圖。由圖4可知:基于WAVE破碎模型模擬的噴霧貫穿距離與試驗結(jié)果相比誤差較大,最大誤差為7.57%,最小誤差為2.66%,基于KH-RT破碎模型模擬出的噴霧貫穿距離與試驗結(jié)果最吻合,最大誤差為4.31%,最小誤差為0.35%,因此，用KH-RT破碎模型仿真得到的噴霧參數(shù)更精準(zhǔn)。

圖4 模擬計算得到的噴霧貫穿距離和試驗結(jié)果對比Fig.4 Comparison of spray penetration distance of simulated with experimental

3 結(jié)果分析與討論

3.1 噴霧貫穿距離

圖5所示為生物柴油和柴油這2種燃料在3種不同噴射壓力(70,90和130 MPa)下噴霧貫穿距離隨時間變化的曲線。由圖5可知:1)2種燃料的噴霧貫穿距離隨燃料噴射壓力的提高而增大。2)生物柴油的噴霧過程與柴油的噴霧過程相同,分為噴霧前期和噴霧中后期2個階段。噴霧前期階段0～0.2 ms,燃料噴霧貫穿距離的最大變化率和最小變化率分別為194.75和133.6 mm/ms；噴霧中后期階段0.2～0.8 ms,燃料噴霧貫穿距離的最大變化率和最小變化率分別為74.23 mm/ms和66.43 mm/ms,噴霧前期噴霧貫穿距離變化率比噴霧中后期的大。這是由于在噴油前期階段,燃料經(jīng)高壓從噴孔噴出,燃料的速度較大,與環(huán)境氣體相互作用,速度下降較快,因此，噴霧貫穿距離在噴霧前期變化率較大；液滴在環(huán)境壓力中持續(xù)受到較大的阻力,燃油速度逐漸變小,因此，噴霧貫穿距離在噴油中后期變化率較小。3)在0～0.2 ms時,柴油的噴霧貫穿距離比生物柴油的大,在0.2～0.8 ms時,生物柴油的噴霧貫穿距離逐漸比柴油的大。這是因為生物柴油的黏度比柴油的大,導(dǎo)致從噴孔噴出的速度比柴油要小,因此，在0～0.2 ms時，柴油的噴霧貫穿距離比生物柴油的長,但是，生物柴油的密度比柴油的大,導(dǎo)致慣性比柴油大,因此，在0.2～0.8 ms時,生物柴油的噴霧貫穿距離比柴油的長。

圖5 兩種燃料在不同噴射壓力下噴霧貫穿距離隨時間變化Fig.5 Variation of spray penetration distance of two fuels under different injection pressures over time

圖6 兩種燃料在不同噴射壓力下噴霧錐角隨時間變化Fig.6 The spray cone angle of two fuels varies with time under different injection pressure

3.2 噴霧錐角

圖6展示了生物柴油和柴油2種燃料在3種不同噴射壓力(70,90和130 MPa)下噴霧錐角隨時間變化的曲線。由圖6可知:1)噴霧前期階段0～0.2ms,燃料噴霧錐角的最大變化率和最小變化率分別為57.05和52.5(°)/ms；在噴霧中后期段0.2～0.8 ms,燃料噴霧錐角的最大變化率和最小變化率分別為3.1和2.25(°)/ms,噴霧初期燃料的噴霧錐角變化率遠比噴霧中后期的大。2)生物柴油的噴霧錐角變化趨勢與柴油的噴霧錐角變化趨勢不同，在0.1～0.2 ms噴霧錐角的變化率與柴油比要小,一方面是由于生物柴油的密度遠高于柴油的密度,擁有較大的初始動能,在噴霧破碎前噴霧貫穿距離較長,另一方面，生物柴油較高的黏度和表面張力抑制了其橫向擴散能力,上述2種因素導(dǎo)致了生物柴油在0.1 ms出現(xiàn)的噴霧錐角小于柴油的噴霧錐角。3)燃料噴射壓力增大,噴霧錐角會出現(xiàn)小幅度增大。這是由于燃油噴射壓力增大,從噴油孔噴出燃油的動能隨之增大,燃油和環(huán)境氣體交界面的相互作用增強,故可以和環(huán)境氣體很好地混合,因此，燃油噴射壓力增大,2種燃油的噴霧錐角會出現(xiàn)較小幅度增大。

3.3 SMD

圖7展示了生物柴油和柴油這2種燃料在不同工況下(噴射壓力120，140 MPa和環(huán)境壓力2 MPa)的SMD隨時間變化曲線。由圖7可知:1)2種燃料的SMD隨時間的發(fā)展趨勢基本相同。2)隨著燃料噴射壓力的增加,SMD明顯下降,表明提高燃料的噴射壓力能夠改善燃料的霧化質(zhì)量。這是由于提高燃料噴射壓力,噴油嘴內(nèi)部液滴的湍流速度增加,較高動能的液滴與氣體介質(zhì)的相互作用增強,更有利于液滴破碎為更小的粒徑。3)在相同工況下,生物柴油的SMD均比柴油的要高。這是因為生物柴油較高的黏度和表面張力抑制了其液滴的破碎能力。

3.4 速度場

圖8 120 MPa噴射壓力下生物柴油和柴油速度場對比Fig.8 Comparison of the speed field of biodiesel and diesel under 120 MPa injection pressure

圖8和圖9分別展示了生物柴油和柴油在2種噴射壓力(120和140 MPa)、環(huán)境壓力(2 MPa)工況下的速度場分布圖。由圖8和圖9可知:1)高速區(qū)域主要集中于噴霧場的中心區(qū)域,由噴霧場的中心區(qū)域由內(nèi)向外,速度場的顏色由深變淺,說明速度依次減小。這是由于霧束外輪廓的液滴與氣體相互作用比內(nèi)部液滴與氣體相互作用要激烈，導(dǎo)致速度降低較快,而霧束中心的液滴基本不會受到干擾,因此，霧束的液滴速度從中心到外輪廓呈減小的趨勢。2)0.2 ms對應(yīng)的速度場高速區(qū)域面積均比其他時刻對應(yīng)的面積要大。這是由于霧束液滴與環(huán)境氣體相互作用導(dǎo)致液滴速度逐漸降低。3)在相同工況下,在相同的噴霧時刻,生物柴油的高速區(qū)域面積均大于柴油的高速區(qū)域面積。這是因為生物柴油的密度高于柴油密度,因此，液滴具有更大的動能。4)隨著噴射壓力升高,高速區(qū)域面積變大。這是因為提高燃料噴射壓力,液滴離開噴油嘴的初始動能增加,液滴速度隨之增大。

圖9 140 MPa噴射壓力下生物柴油和柴油速度場對比Fig.9 Comparison of the speed field of biodiesel and diesel under 140 MPa injection pressure

3.5 濃度場

圖10和圖11所示分別為生物柴油和柴油在2種噴射壓力(120和140 MPa)、環(huán)境壓力(2 MPa)工況下的濃度場分布。由圖10和圖11可知:1)高濃度區(qū)域主要集中于霧束的中心區(qū)域,由霧束中心向外,濃度依次減小。一方面，是由于霧束外圍液滴與氣體介質(zhì)相互作用,從而使得外圍液滴更容易被蒸發(fā)變?yōu)闅庀?；另一方?后續(xù)噴射的液滴與前期噴射的液滴在中心區(qū)域相互碰撞和聚合。上述2個因素導(dǎo)致霧束液滴中心區(qū)域濃度較高的現(xiàn)象。2)隨著噴射壓力增加,單位時間內(nèi)射出的燃油量增加,但是，霧束中心高濃度區(qū)域面積減小。這是由于在環(huán)境壓力一定的條件下,提高燃料的噴射壓力,液滴的初始動能增加,從而使得液滴和氣體介質(zhì)的相互作用增強,加速了液滴的破碎,噴霧液相更容易形成氣相,因此，液滴的液相濃度減小。3)在相同工況下,在相同的噴霧時刻,生物柴油的高濃度區(qū)域面積均大于柴油的高濃度區(qū)域面積。這是由于生物柴油的粘度和表面張力較高,抑制了液滴的破碎和蒸發(fā)。

圖10 120 MPa噴射壓力下生物柴油和柴油濃度場對比Fig.10 Comparison of the concentration field of biodiesel and diesel under the injection pressure of 120 MPa

圖11 140 MPa噴射壓力下生物柴油和柴油濃度場對比Fig.11 Comparison of the concentration field of biodiesel and diesel under the injection pressure of 140 MPa

4 結(jié)論

1)基于KH-RT破碎模型比基于WAVE破碎模型更能真實地反映生物柴油的噴霧過程。

2)提高燃料噴射壓力,生物柴油和柴油的噴霧貫穿距離隨之增長,噴霧錐角變化并不明顯,SMD顯著降低。在相同工況下,生物柴油的噴霧貫穿距離比柴油的長,而噴霧錐角比柴油的小,SMD比柴油的高。

3)提高燃料噴射壓力,生物柴油和柴油噴霧中心高速區(qū)域面積增大,而噴霧中心高濃度區(qū)域面積減小。提高燃料噴射壓力,可以提高燃料的噴射速度,有利于燃料破碎霧化,加速燃料蒸發(fā)。在相同工況下,與柴油相比，生物柴油的破碎霧化效果較差。