雷 艷，李 泳，李志杰，仇 滔，常 凱，彭廣宇

(1.北京工業(yè)大學環(huán)境與能源工程學院，北京 100124；2.濰柴動力集團內(nèi)燃機可靠性國家重點試驗室，濰坊 261061；3.湖南交通職業(yè)技術(shù)學院機電工程學院，長沙 410132)

天然氣作為一種潔凈燃料[1-2]，已經(jīng)成為國內(nèi)外車用動力節(jié)能減排研究的熱點.天然氣發(fā)動機燃料噴射方式有兩種：進氣道低壓噴射和缸內(nèi)高壓直噴.天然氣缸內(nèi)直噴技術(shù)有利于提高發(fā)動機效率并降低有害排放，成為當前天然氣發(fā)動機的重要技術(shù)手段[3-4].發(fā)動機持續(xù)運轉(zhuǎn)工作中，天然氣是脈動噴射進入缸內(nèi)，其噴射持續(xù)期為2～3 ms.這種天然氣脈動噴射具有噴射持續(xù)期短、噴射壓力高的特點，而氣體燃料與缸內(nèi)空氣混合時間短，天然氣高壓噴射對混合氣的形成極其關(guān)鍵.因此，開展高壓天然氣的射流特性研究將有助于缸內(nèi)氣體直噴發(fā)動機的研究.

光學測試是研究射流的一種重要方法，比如江蘇大學譚小強[5]利用紋影系統(tǒng)研究了柴油/天然氣雙燃料射流貫穿距、射流錐角和射流面積的宏觀變化規(guī)律.康佳明等[6]在定容彈上利用紋影法開展了不同噴射壓力和噴射間隔下的天然氣/柴油雙燃料噴射天然氣射流特性研究，并結(jié)合 PIV 試驗得到的天然氣射流環(huán)境流場，探討了天然氣射流和柴油噴霧相互作用機制.以上研究都是基于光學測試方法，只能獲得射流氣體與背景氣體交界面上射流速度，并未通過試驗研究高壓氣體管外射流的內(nèi)部流動特征.

射流動量是定量表征射流內(nèi)部流動特性的關(guān)鍵特征量，Payri 等[7]利用壓電式壓力傳感器進行柴油噴霧動量的測量，從動量的角度揭示噴嘴幾何形狀對柴油噴霧特性的影響.高壓天然氣在噴管內(nèi)流動和噴管外射流的歷程是非定常的動態(tài)變化過程，管內(nèi)的不穩(wěn)定流動直接影響管外射流[8].高壓天然氣離開噴孔后的膨脹加速過程使射流達到超聲速并產(chǎn)生馬赫盤[9-10]，高壓天然氣管外射流在垂直于射流方向的截面上具有強烈的波動特性[11-12]，壓力場、速度場等呈非穩(wěn)定狀態(tài).高壓天然氣射流波動特性決定了高壓天然氣射流發(fā)展過程的動量特性，而固定的壓力傳感器測量高壓氣體射流沖擊時不具備彈性形變能力，無法表達高壓天然氣射流動量波動特征，所以利用壓力傳感器測量柴油射流動量的方法不適用于高壓天然氣管外射流動量的測量.為滿足彈性氣體管外射流動量測量的需要，考慮到高壓氣體射流波動的特點，基于質(zhì)量彈簧振動系統(tǒng)[13-14]的彈性振動效果，本文提出了一種新型管外高壓氣體射流動量測量的方法.設(shè)計了測量板、彈簧及傳感器等組成的一階彈簧振動系統(tǒng)作為高壓氣體射流動量測量裝置，并以甲烷為研究對象，開展了圓柱形單孔噴嘴管外高壓氣體射流動量測量試驗，探討甲烷高壓噴射沿射流方向動量變化特征及不同因素對其影響規(guī)律，進一步探究天然氣發(fā)動機缸內(nèi)可燃混合氣形成機理和提高缸內(nèi)天然氣與空氣的摻混效率的有效方法，這對優(yōu)化天然氣發(fā)動機控制系統(tǒng)及缸內(nèi)燃燒過程具有重要意義.

1 高壓氣體射流過程中射流動量分析

基于質(zhì)量彈簧系統(tǒng)提出的測量高壓氣體射流的簡圖如圖1 所示，沿射流方向布置測量板，測量板安裝底座固定的彈簧，射流氣體撞擊測量板后會立即從其邊緣逸散，不考慮彈簧與空氣的摩擦以及彈簧內(nèi)能的增加，彈簧阻尼忽略不計.測量過程中，射流氣體在測量板表面累積會引起高壓氣體射流動量的變化.假設(shè)高壓氣體射流沖擊測量板兩者之間發(fā)生彈性碰撞，碰撞之后的射流氣體流動方向會立即改變?yōu)榇怪庇谏淞鞣较虿臏y量板邊緣逸出，保證射流測量板的氣體流量與逸散的氣體流量相等則可以排除氣體在測量板表面的累積效應對氣體射流動量的影響.基于上述假設(shè)，可以通過此種試驗方法利用測量板位移變化表征高壓甲烷射流動量，以下是對高壓氣體射流沖擊測量板過程的分析.

圖1 高壓氣體射流動量分析Fig.1 Momentum analysis of high-pressure gas jet

Δxi表示射流沖擊造成測量板位置變化產(chǎn)生的任意位移量；v′表示測量板移動Δxi過程中的平均速度；m′表示測量板和彈簧的質(zhì)量之和.

dm 為貼近測量板位置所取的任意單位微元體；min表示流入微元體的氣體質(zhì)量流量；vin表示流入微元體的氣體流速；mout表示流出微元體的氣體質(zhì)量流量；pdm表示微元體內(nèi)部的壓力.

則微元體dm 射流沖擊動量應滿足關(guān)系式(1)：

其中，k 為彈簧的剛度系數(shù).

在圖2 所示①區(qū)域，氣體射流的前鋒面未到達測量板，測量板的位移不變.

當微元體dm 內(nèi)部流入氣體質(zhì)量流量min大于逸出氣體的質(zhì)量流量mout時，無數(shù)類似的微元體共同作用在測量板表面，推動彈簧壓縮，測量板向前移動形成了區(qū)域②的位移變化.

當min等于mout時，射流測量板的氣體流量與逸散的氣體流量相等，彈簧壓縮到最大值，射流氣體在測量板表面無累積，且在圖2 中可用B 點表示.此時測量板和彈簧的速度v′＝0，故式(1)變形為

其中，Δxmax表示測量板位移的最大值.

因為此時微元體dm 內(nèi)部壓力pdm略高于大氣壓，故假設(shè)微元體dm 內(nèi)部壓力pdm為常壓，則式(2)變形為

之后，隨著時間的推移，一方面控制閥關(guān)閉噴嘴不再噴射氣體，min減??；另一方面氣體逸散量增大，mout增大，當mout＞min時，彈簧開始伸長，Δxi減小，測量板逐漸恢復到初始位置，彈簧恢復到原始狀態(tài)，這就是圖2 所示區(qū)域③.

而根據(jù)式(3)，選用測量板運動到B 位置的最大位移Δxmax與彈簧剛度系數(shù)k 的乘積來表示微元體最大射流動量.本文采用對貼近測量板位置氣體射流截面微元體累積積分的方法研究高壓氣體射流動量，運用這種方法測量射流氣體距離噴嘴任意位置的射流沖擊最大動量.

圖2 高壓氣體射流測量板位移變化過程Fig.2 Changing process of displacement of high-pressure gas jet test plate

2 試驗裝置與方案

為探究上述射流過程隨時間變化的規(guī)律，設(shè)計了一套高壓氣體射流動量測量的試驗裝置，開展了高壓甲烷射流動量特性試驗.

2.1 高壓氣體射流動量測量的試驗裝置

試驗采用的高壓氣體射流動量測量裝置如圖3所示，整個動量測量系統(tǒng)主要由4 部分組成，分別是：射流沖擊裝置、高壓氣體供給系統(tǒng)、電控噴射單元以及沖擊位移數(shù)據(jù)采集系統(tǒng).

如圖3 所示，測量板位于氣體射流垂直方向，測量板與彈簧為一體，固定安裝在彈簧底座.氣體射流到測量板，測量板受到?jīng)_擊力壓縮彈簧，位移傳感器測量測量板的位移變化.Ⅱ高壓氣體供給系統(tǒng)利用增壓系統(tǒng)提高甲烷氣體壓力，Ⅲ電控噴射單元是由本文作者開發(fā)，控制參數(shù)(噴射時刻、噴射脈寬等)可調(diào)整.Ⅳ沖擊位移數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采用的是德國米銥公司生產(chǎn)optoNCDT1700 高精度微型激光位移傳感器及其數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，這種光學位移傳感器具有響應速度快、測量精度高、價格低的特點，具體參數(shù)如表1所示.

圖3 高壓氣體射流動量測量系統(tǒng)Fig.3 Measurement system of high-pressure gas jet momentum

表1 試驗儀器參數(shù)Tab.1 Experimental instrument parameters

高壓氣體噴嘴為單孔噴嘴，其直徑為0.3 mm.為了確保甲烷氣體射流全部作用到垂直于射流方向的測量板上，測量板直徑要大于垂直于射流方向的射流最大截面處直徑.假設(shè)試驗過程中噴嘴出口位置到測量板的最大距離為60 mm，根據(jù)文獻[15]的介紹，最大射流截面半徑R 關(guān)于噴孔半徑r 以及截距S 的關(guān)系式為

查表可知紊流系數(shù)a 的值為0.08，由式(4)可得到最大截面直徑為34 mm，本文選用的測量板直徑為60 mm，可滿足試驗要求.

如圖4 所示，噴嘴出口位置O 為氣體射流的原點，x 方向為氣體射流的正方向.氣體噴射前，測量板距原點O 的距離為截距.當氣體高壓射流時，高壓甲烷氣體撞擊測量板，由于測量板面積比較大，若不考慮氣體的黏性，撞擊后的氣體會與測量板以相同的速度繼續(xù)運動，直到運動到最大位移點B，測量板由噴射前的初始位置A 運動到最大位置B 的位移為Δxm(沿氣體出射方向為正)，Δxm就是高壓甲烷氣體沖擊測量板的最大位移.

圖4 測量板位置變化Fig.4 Changes in test plate position

2.2 試驗方案

為完成不同噴射脈寬、不同噴射壓力和沿射流方向不同位置的高壓甲烷氣體射流動量測量試驗，表2給出了不同試驗條件下的參數(shù).

表2 甲烷高壓噴射試驗工況Tab.2 Experimental conditions of high-pressure methane injection

2.3 試驗裝置

彈簧的剛度是測量氣體射流沖擊測量板動量特征的一個關(guān)鍵參數(shù)，本文利用標準砝碼測量彈簧剛度，測量板位移、彈簧剛度隨砝碼質(zhì)量變化、彈簧剛度線性關(guān)系及彈簧剛度誤差線如圖5 所示.砝碼質(zhì)量為100 g 時彈簧剛度測量誤差值最大為1.2%，由此可知，彈簧剛度的測量誤差較小，根據(jù)圖中所示彈簧剛度線性關(guān)系趨勢線，取彈簧的剛度 K ＝2 650 N/m.

圖5 彈簧剛度測量Fig.5 Measurement of spring stiffness

本試驗選擇高精度激光位移傳感器測量測量板的位移，試驗開始前首先利用千分尺測量結(jié)果對傳感器的精確度進行校驗，對比結(jié)果見圖6.結(jié)果顯示，千分尺機械位移與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)位移的最大誤差為3%.每組試驗進行5 次，5 次試驗結(jié)果的誤差分析如圖7 所示.由圖可知，5 次試驗的誤差比較小，為了保證試驗結(jié)果的準確性，取5 次試驗的平均值作為試驗的結(jié)果，并保證以下每個試驗結(jié)果都取5 次測量的平均值.

圖6 測量板位移校驗Fig.6 Checkout of test plate displacement

圖7 5次試驗測量誤差Fig.7 Measurement errors in 5 tests

3 試驗討論

3.1 高壓甲烷射流沖擊測量板位移的變化

噴射壓力 10 MPa、噴射脈寬 14 ms、截距10 mm 工況下獲得的試驗結(jié)果如圖8 所示.

圖8 所示測量板位移隨時間的變化曲線與圖2分析基本一致，高壓氣體射流沖擊測量板是非定常動態(tài)變化過程.測量板在B 處時達到甲烷射流沖擊最大動量，取位移最大時的高壓甲烷射流沖擊動量為氣體射流最大動量.

圖8 測量板位移隨時間的變化曲線Fig.8 Curve of displacement of test plate with time

測量裝置中，測量板和后接彈簧會造成射流背壓的增加，根據(jù)圖8 得到的高壓甲烷射流沖擊測量板的最大位移，結(jié)合彈簧剛度以及測量板面積計算得到射流背壓最大增量，約是射流背壓(大氣壓力)的1%，因此可以忽略增加測量板引起的射流背壓增量.在10 MPa 的噴射壓力下，固定截距為10 mm，噴射脈寬分別為1 ms、4 ms、8 ms、10 ms、14 ms、18 ms 進行高壓甲烷氣體射流沖擊試驗，結(jié)果見圖9.

圖9 噴射脈寬對甲烷射流沖擊測量板位移的影響Fig.9 Effect of pulse width on displacement of methane jet impinging test plate

如圖9 所示，噴射脈寬小于8 ms，測量板最大位移值是不同的.當噴射脈寬大于8 ms 后，測量板最大位移值基本穩(wěn)定，不再隨噴射脈寬增加而變化.

噴射脈寬會影響高壓氣體進入微元體dm 的射流持續(xù)期，對于測量板和彈簧的作用時間產(chǎn)生影響，因此噴射脈寬小于8 ms 時，射流沖擊測量板的最大位移值差別較大；由于微元體內(nèi)部是彈性氣體，壓力有限值，此時盡管噴射脈寬大于8 ms，射流沖擊測量板的最大位移值基本不變.本文在進行下列甲烷高壓射流動量特性試驗時，固定噴射脈寬為14 ms，以排除射流脈寬對高壓甲烷射流沖擊最大動量的影響.

3.2 沿射流方向甲烷高壓射流沖擊最大動量的變化

圖10 是噴射壓力為10 MPa 工況下不同截距甲烷射流沖擊測量板位移試驗結(jié)果.

圖10 不同截距對測量板位移的影響Fig.10 Effect of different intercepts on the displace-ment of test plate

10 MPa 工況下沿甲烷射流方向射流沖擊最大動量的變化圖11 所示.

圖11 甲烷射流沖擊最大動量在不同截距的變化Fig.11 Variation of maximum momentum of methane jet impinging at different intercepts

由圖11 可以看出，沿射流方向高壓甲烷射流沖擊最大動量可分為兩個區(qū)域，初始區(qū)域和主體區(qū)域.初始區(qū)域(0～10.5 mm)：甲烷射流沖擊最大動量先急劇減小后逐漸增加，射流沖擊最大動量的最大值和最小值都出現(xiàn)在這個區(qū)域，甲烷射流狀態(tài)非常不穩(wěn)定，而且隨著截距的增加呈現(xiàn)出非單調(diào)的變化趨勢.主體區(qū)域(＞10.5 mm)：甲烷射流沖擊最大動量保持穩(wěn)定，不再隨截距的增長而變化.

如圖12 所示，經(jīng)典紊流射流理論將射流過程分為兩個階段，初始段和主體段[15].初始段對應圖11中的初始區(qū)域，初始段和初始區(qū)域的特征基本一致，在初始段高壓氣體射流紊動強度變化較大[16]，初始區(qū)域射流沖擊最大動量變化劇烈，呈現(xiàn)出先急劇減小后緩慢增加的趨勢.董全等[9-10]研究發(fā)現(xiàn)天然氣離開噴孔后膨脹加速使射流達到超聲速并誘導產(chǎn)生激波，激波結(jié)構(gòu)造成噴嘴近端射流不穩(wěn)定，影響了射流的宏觀結(jié)構(gòu)和湍流混合特性.經(jīng)典紊流射流理論的主體段對應圖11 的主體區(qū)域，此時高壓甲烷的射流狀態(tài)比較穩(wěn)定.這是由于初始段高壓射流氣體與周圍流體發(fā)生混合、卷吸，能量沿軸向快速衰減，主體段射流與周圍流體速度梯度較小，射流卷吸能力降低[17]，所以主體區(qū)域最大射流沖擊動量保持不變.

圖12 經(jīng)典圓孔紊流射流Fig.12 Classical circular hole turbulent jet

3.3 不同噴射壓力對于甲烷射流沖擊最大動量的影響

為研究噴射壓力變化對于甲烷射流動量的的影響規(guī)律，分別固定噴射壓力為2 MPa、4 MPa、6 MPa、8 MPa、10 MPa、20 MPa，設(shè)置噴射脈寬為14 ms，開展高壓甲烷氣體在不同截距下的射流沖擊最大動量測量試驗，試驗結(jié)果如圖13 所示.

圖13 不同噴射壓力高壓甲烷氣體射流沖擊最大動量的變化Fig.13 Changes in maximum momentum of methane gas jet with different inject pressures

如圖13 所示，用虛線將不同壓力的射流沖擊最大動量變化分成兩個區(qū)域.Ⅰ區(qū)域是初始區(qū)域，這個區(qū)域的特點是：射流狀態(tài)不穩(wěn)定，射流沖擊最大動量的波動比較大，射流沖擊最大動量的最值都出現(xiàn)在這個區(qū)域中.初始區(qū)域的長度隨噴射壓力的變化規(guī)律如圖14 所示，隨著噴射壓力的增加，初始區(qū)域的長度迅速上升，兩者之間存在對數(shù)關(guān)系.

圖15 是截距15 mm、噴射脈寬14 ms，不同壓力甲烷射流沖擊測量板位移試驗結(jié)果.

圖14 不同噴射壓力初始區(qū)域長度Fig.14 Length of initial jet field under different injection pressures

圖15 主體區(qū)域內(nèi)不同噴射壓力對測量板位移的影響Fig.15 Effect of different injection pressures on the displacement of test plate in the main jet field

圖16 所示的氣體射流沖擊最大動量區(qū)域為圖13 中的主體區(qū)域，在這個區(qū)域射流沖擊的最大動量基本保持不變.研究不同噴射壓力對于主體區(qū)域射流沖擊最大動量的影響發(fā)現(xiàn)，隨著噴射壓力的增大，主體區(qū)域射流沖擊的最大動量呈現(xiàn)線性增長，且線性度非常高.

圖16 不同噴射壓力主體區(qū)域最大射流動量Fig.16 Maximum momentum in the main jet field under different inject pressures

4 結(jié)論

(1) 高壓甲烷射流沖擊測量板過程是非定常動態(tài)變化過程，射流動量存在最大值.

(2) 噴射脈寬對于甲烷氣體射流沖擊最大動量產(chǎn)生影響，當噴射脈寬足夠大時(大于8 ms)，同一噴射工況下甲烷射流動量的最大值保持穩(wěn)定，不隨噴射脈寬增加而變化.

(3) 噴射壓力一定時，甲烷氣體射流沿射流方向主要分為初始區(qū)域和主體區(qū)域.初始區(qū)域氣體射流沖擊最大動量狀態(tài)不穩(wěn)定，呈現(xiàn)先急劇減少后緩慢增加趨勢，主體區(qū)域氣體射流沖擊最大動量保持不變.

(4) 噴射壓力會對甲烷氣體射流最大動量產(chǎn)生影響，隨著噴射壓力的升高，甲烷高壓射流初始區(qū)域的長度迅速增加，且其長度與噴射壓力存在對數(shù)關(guān)系；主體區(qū)域射流沖擊最大動量呈現(xiàn)線性增長.

天然氣缸內(nèi)直噴技術(shù)要求在極短時間內(nèi)完成天然氣與空氣的混合，且發(fā)動機燃燒室空間有限，所以需要提高天然氣與空氣的混合效率.由上述結(jié)論可知，適當提高燃料的噴射壓力和增大脈動噴射持續(xù)期可以增加射流動量，加速缸內(nèi)可燃混合氣的形成.此外，初始區(qū)域紊流強度變化較大，高壓天然氣紊流射流動量變化呈現(xiàn)先急劇減小后緩慢增大的趨勢.初始區(qū)域動量急劇變化會加強天然氣與空氣的摻混過程.因此在進行天然氣發(fā)動機氣缸設(shè)計時也要考慮到高壓天然氣射流動量沿射流方向的變化規(guī)律.