陸洪杰，甘樹(shù)坤，呂雪飛

(吉林化工學(xué)院 機(jī)電工程學(xué)院，吉林 吉林 132022)

柴油噴嘴噴霧的霧化特性包括霧滴破碎、霧化、形成燃料與空氣的混合物等，對(duì)內(nèi)燃機(jī)的性能和排放有很大的影響.但由于工藝的復(fù)雜性，高壓噴霧的霧化機(jī)理尚不清楚[1-3].因此，有必要研究噴管內(nèi)部產(chǎn)生的空化、湍流等流動(dòng)現(xiàn)象，以及外部液體燃料與周圍氣體的氣動(dòng)相互作用，這通常被認(rèn)為是導(dǎo)致初始破裂的主要因素.空化對(duì)于燃油噴嘴是一個(gè)非常重要的因素，因此，對(duì)噴嘴內(nèi)部流動(dòng)和誘導(dǎo)空化的全面了解，對(duì)于進(jìn)一步研究噴霧破碎和燃燒是必要的.

虞育松等[4]報(bào)道了噴嘴外空氣和流體的相互作用以及噴嘴內(nèi)的空化都是影響初始霧化的重要因素.采用高噴射壓力可達(dá)80 MPa，Gavaises M 等人[5]發(fā)現(xiàn)空化效應(yīng)大于環(huán)境氣體與噴霧相互作用的效應(yīng)，即增強(qiáng)空化作用至關(guān)重要.Bergwerk等人[6]指出，由于壓力差減小，高環(huán)境壓力抑制了空化的產(chǎn)生.Badock等人使用了[7]的真實(shí)尺寸對(duì)單孔透明噴嘴的空化現(xiàn)象進(jìn)行了研究，提出了在高引射壓力下，空化現(xiàn)象會(huì)擴(kuò)展到噴嘴出口，同時(shí)還發(fā)現(xiàn)噴嘴中部的流體為純液柱，說(shuō)明噴嘴壁面附近存在空化現(xiàn)象.Wei等[8]報(bào)道了隨著注入壓力的增加，空化來(lái)得更強(qiáng)，開(kāi)始得更早.此外，空化首先發(fā)生在針座區(qū)域.Sou等[9]研究了噴霧速度，計(jì)算了不同轉(zhuǎn)速下的空化數(shù)，發(fā)現(xiàn)了4種類型的空化流動(dòng)，即不空化、局部空化、超空化和水力翻轉(zhuǎn).He等[10]采用了一個(gè)10倍放大的跨母管，研究了不同噴射壓力下空化的變化，并報(bào)道了3種類型的流動(dòng)，局部空化和超空化隨著注入壓力的增大而出現(xiàn).鐘汶君等[11]建立了一個(gè)增大噴管的噴射系統(tǒng)，研究了不同燃料溫度下空化的影響，認(rèn)為燃料溫度的變化會(huì)影響空化的發(fā)生.Oishi等[12]通過(guò)計(jì)算不同針位下的內(nèi)湍流度，用STAR-CD研究了噴嘴的內(nèi)部流動(dòng).Yuan等[13]通過(guò)計(jì)算汽相和液相的體積分?jǐn)?shù)，利用VOF對(duì)噴嘴內(nèi)部流動(dòng)和噴嘴出口的噴霧破碎進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)噴嘴內(nèi)湍流性強(qiáng)，需要建立多相流模型.為了更好地理解錐形噴霧噴射器的空化流動(dòng)，Jia等[14]使用了混合多空化模型和全空化模型來(lái)研究噴嘴內(nèi)部流動(dòng)的行為.結(jié)果表明:空化隨進(jìn)口速度的增大而增強(qiáng)，超空化只發(fā)生在環(huán)境壓力很小的狹窄區(qū)域.劉琦、歐陽(yáng)光耀等[15]為了對(duì)燃油噴嘴出口液滴破碎狀態(tài)進(jìn)行改善,并在其中提高初始湍動(dòng)能，推導(dǎo)出了非常態(tài)燃油的物性參數(shù)和壓力之間的相互作用關(guān)系，實(shí)驗(yàn)研究結(jié)果顯示，非常態(tài)燃油的物性參數(shù)對(duì)于燃料空化的增強(qiáng)具有很大的影響.Zamuner.B利用數(shù)值模擬仿真的方法分別對(duì)雙極軸向旋流器模型燃燒室、雙級(jí)軸向旋流器環(huán)形燃燒室以及斜切徑向旋流器環(huán)形燃燒室等3種雙旋流航空發(fā)動(dòng)機(jī)三維兩相湍流燃燒整體流場(chǎng)與污染物排放進(jìn)行了數(shù)值模擬[16].Dudubout.R、Reynolds.B和MollaHosseini.K 3人對(duì)液體噴嘴動(dòng)態(tài)特性進(jìn)行了數(shù)值模擬，分別采用“頻率法”對(duì)直流、離心噴嘴的動(dòng)態(tài)特性進(jìn)行了數(shù)值模擬，所得結(jié)果表明：增加振蕩頻率會(huì)導(dǎo)致直流和離心噴嘴流量的振幅降低和相移增大，而增大壓降則結(jié)果相反，在相同工況下當(dāng)直流噴嘴增大長(zhǎng)徑比或離心噴嘴增大幾何特性時(shí)均會(huì)導(dǎo)致振幅降低和相移增大而對(duì)振幅無(wú)明顯影響[17].

1 噴嘴模型建立

1.1 幾何模型

雙腔串聯(lián)自激振蕩噴嘴采用鄧嶸[18]及汪朝暉等[19]研究中的幾何模型進(jìn)行了改動(dòng).在原有的單相流噴嘴上加一個(gè)進(jìn)氣口，一方面對(duì)燃油的擾動(dòng)進(jìn)行進(jìn)一步的加強(qiáng)，另一方面保證燃油在燃燒時(shí)，防止噴口積碳.結(jié)構(gòu)優(yōu)化模型如圖1所示，d1進(jìn)氣口直徑，取d1=5 mm；d2為進(jìn)液口直徑；D1為一級(jí)諧振腔高度；D2為二級(jí)諧振腔高度；α氣液進(jìn)口夾角；l1為進(jìn)氣口長(zhǎng)度；l2為進(jìn)液口長(zhǎng)度.由于本文采用無(wú)量綱量的方法，為統(tǒng)一量化，故引進(jìn)氣液進(jìn)口夾角比，其定義式為：

(1)

圖1 噴嘴幾何模型圖

α1為定量，其值為30°.故λ=1、2、3，d1/d2=0.8、1、1.3，l1/l2=0.7、1、1.2，3個(gè)無(wú)量綱參數(shù)的取值進(jìn)行計(jì)算.

1.2 網(wǎng)格模型

采用ANSYS Workbench軟件建立有限元模型，有限元模型采用二維四邊形網(wǎng)格劃分方法，并在噴嘴入口處、噴嘴出口處都進(jìn)行局部加密以保證數(shù)值仿真的精確性.有限元網(wǎng)格模型如圖2所示.

圖2 噴嘴網(wǎng)格模型圖

1.3 多相流模型

由于本文選用的噴嘴為氣液兩相混合噴嘴，所以選用VOF模型進(jìn)行界面追蹤，計(jì)算過(guò)程假定是流動(dòng)等溫的，氣液均不可壓縮，質(zhì)量守恒方程為：

(2)

動(dòng)量方程為：

(3)

(4)

式(4)為VOF法[20]的控制方程，其原理是用指示函數(shù)F來(lái)確定自由面，F(xiàn)表示計(jì)算單元內(nèi)流體體積與網(wǎng)格體積之比，即流體體積分?jǐn)?shù)，根據(jù)F的定義，混合相的物性參數(shù)密度和黏度可做如下計(jì)算：

(5)

其中，下標(biāo)l和g分別表示液體和氣體．

動(dòng)量方程式(6)中的FSV表示由表面張力σ所產(chǎn)生的源項(xiàng)，可通過(guò)CSF(continuum surface force)模型[21]將表面力轉(zhuǎn)化為體積力，

FSV=σκnδ，

(6)

式中：σ為表面張力；n為界面的單位法向矢量，n=F/|F|；κ為界面曲率，κ=·n；δ是Delta函數(shù)．

1.4 湍流模型

本文對(duì)燃油內(nèi)部空化流動(dòng)數(shù)值模擬采用的是使用最廣泛的RNGk-ε模型，其流動(dòng)方程如下:

(7)

(8)

式中：Gk為速度梯度產(chǎn)生的湍動(dòng)能項(xiàng)；Gb為浮力產(chǎn)生的湍動(dòng)能項(xiàng)；YM為湍流脈動(dòng)膨脹對(duì)耗散率的貢獻(xiàn)項(xiàng)；αk、αε為湍流Prandtl數(shù)；C1ε、C2ε、C3ε為常數(shù)項(xiàng)；R為附加項(xiàng)，以適應(yīng)應(yīng)變率和流線曲率變化迅速流動(dòng)計(jì)算的需要.

1.5 空化模型

使用的空化模型[22-25]為Schnerr-SauerModel，該模型考慮了不可凝結(jié)氣體(non-condensablegas，NCG)的影響.其中，蒸發(fā)與凝結(jié)項(xiàng)分別為：

(9)

(10)

式中：ρl為液態(tài)水密度；αV，ρV為空泡體積分?jǐn)?shù)和密度；αg為NCG為體積分?jǐn)?shù)；ρm為混合流體的密度.

2 結(jié)果與討論

2.1 氣液進(jìn)口夾角比對(duì)于燃油內(nèi)部空化的影響

本節(jié)的自變量是氣液夾角的比值，通過(guò)數(shù)值仿真的結(jié)果，研究在不同的夾角比下空化的效果，所設(shè)定的不同工況下的研究見(jiàn)表1.

表1 氣液夾角比

從圖3氣相百分比云圖可以看出，夾角比值λ=1時(shí)，空化程度好于λ=2或λ=3時(shí).從理論上分析，在λ=1時(shí)，燃油進(jìn)入于氣體進(jìn)入不會(huì)產(chǎn)生特別大的對(duì)沖，導(dǎo)致壓力損失較小，氣體的速度會(huì)更大，帶動(dòng)燃油速度，導(dǎo)致壓差變大，空化程度變大.當(dāng)λ=2或λ=3時(shí)，燃油和氣體混合時(shí)，會(huì)損失大量的能量，導(dǎo)致內(nèi)部壓差變化沒(méi)有λ=1時(shí)大，空化程度沒(méi)有λ=1時(shí)好.所以在λ=1時(shí)空化程度較好.

圖3 不同氣液夾角比時(shí)的氣相百分比云圖

2.2 氣液進(jìn)口長(zhǎng)度比對(duì)燃油內(nèi)部空化的影響

氣液進(jìn)口的長(zhǎng)度是影響燃油內(nèi)部空化的一個(gè)重要因素.本小節(jié)研究不同的氣液進(jìn)口長(zhǎng)度比對(duì)于空化效果的影響，同時(shí)需要保證其他參數(shù)均相同，其中氣液夾角確定為30°，具體數(shù)值見(jiàn)表2.

表2 進(jìn)口長(zhǎng)度比影響計(jì)算值

根據(jù)圖4的氣相百分比云圖，在進(jìn)口長(zhǎng)度比為0.7時(shí)，燃油的內(nèi)部空化程度較好.燃油內(nèi)部的空化是由于流體流速產(chǎn)生壓差低于燃油的飽和蒸氣壓而發(fā)生空化.從理論上來(lái)講，燃油的密度和黏性都要比空氣大很多，所以通常情況下燃油的流速會(huì)慢于空氣的流速，當(dāng)燃油進(jìn)口的長(zhǎng)度小于空氣進(jìn)口長(zhǎng)度時(shí)，就能使燃油和空氣混合得更加充分，更有利于空化的產(chǎn)生.所以在氣液進(jìn)口長(zhǎng)度比為0.7時(shí)(l1/l2=0.7)，空化效果比較理想.

圖4 不同氣液進(jìn)口長(zhǎng)度比時(shí)的氣相百分比云圖

2.3 氣液進(jìn)口直徑比對(duì)燃油內(nèi)部空化的影響

氣液進(jìn)口的直徑對(duì)于燃油的內(nèi)部空化有著很大的影響.本小節(jié)研究氣液進(jìn)口的直徑對(duì)空化效果的影響，保證其他參數(shù)相同，液體進(jìn)口的直徑在之前已經(jīng)確定，將噴嘴液體進(jìn)口直徑作為對(duì)照參數(shù)，具體數(shù)值見(jiàn)表3.

表3 氣液進(jìn)口直徑比影響計(jì)算值

根據(jù)圖5的氣相百分比云圖，所有工況下的噴嘴在不同的氣液直徑比下均出現(xiàn)了空化現(xiàn)象，且最大空化率達(dá)到了90%以上.在進(jìn)氣口與進(jìn)液口直徑相同時(shí)，空化效果較好.從理論上講，在進(jìn)液口過(guò)大或過(guò)小時(shí)，燃油與氣體的混合振蕩效果均不會(huì)太理想，導(dǎo)致空化程度的降低.所以在d1/d2等于1時(shí)，空化效果較好.

圖5 不同氣液進(jìn)口直徑比時(shí)的氣相百分比云圖

3 結(jié) 論

采用仿真模擬的方法對(duì)氣液兩相燃油噴嘴進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化.采用無(wú)量綱量的方法，對(duì)氣液進(jìn)口夾角比、氣液進(jìn)口直徑比、氣液進(jìn)口長(zhǎng)度比3個(gè)無(wú)量綱參數(shù)進(jìn)行單因素參數(shù)改變獲得以下結(jié)論：在d1/d2=1、l1/l2=0.7、λ=1時(shí)，燃油噴嘴內(nèi)部會(huì)獲得較好的空化效果.為以后對(duì)氣液兩相燃油噴嘴的實(shí)驗(yàn)研究奠定一定的基礎(chǔ).