陸大勇,賈和坤，葉 澤

(江蘇大學 汽車與交通工程學院，江蘇 鎮(zhèn)江 212013)

隨著汽車尾氣帶來的環(huán)境污染問題受到廣泛關(guān)注，人們對車用發(fā)動機燃燒過程的優(yōu)化研究便從未停止[1-2].對于柴油機來說，高壓共軌噴射系統(tǒng)因能夠提供更好的霧化質(zhì)量與燃燒效果而被廣泛采用.在高壓共軌噴射系統(tǒng)中，提高燃料與空氣的混合質(zhì)量對整個發(fā)動機燃燒做功過程具有重要意義[3-5].其中初次破碎是噴霧發(fā)展歷程的始點，對燃油二次霧化質(zhì)量具有重要影響，引起了中外學者的廣泛關(guān)注.

文獻[6]運用X射線技術(shù)研究了近場噴霧的速度與湍流強度，發(fā)現(xiàn)近場噴霧軸向速度的衰減率比徑向低，噴射壓力對近場的速度和湍流強度影響較大.噴孔形狀能夠影響初始破碎的不穩(wěn)定性，文獻[7]證明了使用非圓形孔能提高霧化質(zhì)量.文獻[8]研究了90 MPa下的橢圓孔噴嘴噴射特性，結(jié)果表明，在高噴射壓力下橢圓孔也會出現(xiàn)換軸現(xiàn)象.文獻[9]對環(huán)境壓力下的非圓形噴孔和圓形噴孔進行了宏觀噴霧對比試驗，發(fā)現(xiàn)換軸現(xiàn)象有助于改善噴霧特性.文獻[10]進行了橢圓孔和圓孔的射流試驗，發(fā)現(xiàn)橢圓孔的射流分裂長度比圓孔短.文獻[11]通過對不同幾何孔噴嘴的混合特性的計算分析，得出了橢圓孔射流比等效面積的圓形孔和矩形孔射流表現(xiàn)出更高的速度衰減率和射流擴散速率的結(jié)論.文獻[12]比較了在相同的噴射條件下不同橫縱比的橢圓孔和圓形孔口的噴霧特性，發(fā)現(xiàn)橢圓孔的噴霧混合質(zhì)量均優(yōu)于圓形孔，且縱橫比4和6的橢圓孔噴霧比縱橫比2的混合質(zhì)量更高.

以上研究雖然對初次破碎和異形噴孔進行了一定的研究，但是對高噴射壓力條件下的橢圓孔初次破碎，尤其在噴孔形狀對初次破碎的影響以及初次破碎對噴霧發(fā)展過程的影響方面研究較少.所以文中采用LES與VOF相耦合的方法，研究橢圓噴孔初次破碎特性與換軸現(xiàn)象，并結(jié)合不同高噴射壓力下橢圓孔噴霧發(fā)展過程的試驗數(shù)據(jù)分析橢圓孔噴霧初次破碎對霧化現(xiàn)象的影響.

1 數(shù)值模擬

1.1 數(shù)值模型

大渦模擬的連續(xù)性方程和動量方程如下：

(1)

(2)

文中采用Smagorinsky-Lilly模型作為子網(wǎng)格尺寸模型，其中SGS應力公式如下：

(3)

(4)

式中：μt是亞格子湍流黏度.

(5)

(6)

子網(wǎng)格的混合長度Ls為

Ls=min(kd,CsΔ)，

(7)

式中：k表示von Kármán常數(shù)；d表示距離壁面的最近距離；Cs表示Smagorinsky常數(shù)；Δ表示網(wǎng)格的尺寸.在計算流體學中，網(wǎng)格的尺寸Δ是根據(jù)單元的體積計算得到的，計算公式如下：

Δ=(ΔxΔyΔz)1/3，

(8)

文獻[13]發(fā)現(xiàn)Smagorinsky常數(shù)為0.23 適用于慣性范圍內(nèi)的各向同性湍流，而Cs值為0.10時適用于各種流體，產(chǎn)生的模擬效果最佳.

在建立耦合孔內(nèi)流動的初次霧化模型時，考慮到噴孔內(nèi)部空化與湍流對初次射流的強化作用，采用VOF模型，可以通過求解一組動量方程并追蹤不同的相位分數(shù)來實現(xiàn)對多種流體的模擬，而模擬計算主相的體積分數(shù)會根據(jù)約束條件進行求解，確保主相體積分數(shù)的準確性.動量方程的表達式如下：

(9)

式中：′mqp代表質(zhì)量從相位q傳遞相位p，而′mpq則相反，表示質(zhì)量從相位p傳遞到相位q.

1.2 網(wǎng)格剖分

考慮到模擬的邊界層和噴霧的霧化區(qū)域，選擇六面體結(jié)構(gòu)網(wǎng)格進行模擬計算，如圖1所示.由于橢圓孔的霧化結(jié)構(gòu)不是軸對稱的，所以霧化區(qū)域也進行了網(wǎng)格化處理.分別選擇壓力條件和平均壓力條件作為進口邊界和出口邊界，速度無滑移條件用于管壁邊界.

圖1 網(wǎng)格和計算域信息

文中采用了網(wǎng)格密度區(qū)域化來解決噴嘴內(nèi)部流動敏感區(qū)域不同的問題.同時用不同的網(wǎng)格尺寸來提高網(wǎng)格分辨率，進而提高模擬結(jié)果的準確性.圖2給出了噴射壓力120 MPa，背壓3 MPa條件下，不同網(wǎng)格尺寸對圓形孔質(zhì)量流量的影響.圖中可以發(fā)現(xiàn)，網(wǎng)格尺寸為2 μm左右時，質(zhì)量流量基本穩(wěn)定在6.57 g·s-1.考慮計算時間和計算精度，噴孔部位采用2 μm的網(wǎng)格，霧化室內(nèi)采用5 μm的網(wǎng)格，網(wǎng)格總數(shù)為480萬個，滿足數(shù)值模擬的精度.

圖2 噴射壓力120 MPa、背壓3 MPa時橢圓噴孔質(zhì)量流量

1.3 模型驗證

圖3展示了噴射壓力為120 MPa，背壓為3 MPa條件下，圓孔(孔徑為0.25 mm)噴霧的模擬與試驗結(jié)果.

圖3 近場噴霧模擬與試驗結(jié)果對比

由圖3a可以發(fā)現(xiàn)，試驗與模擬的結(jié)果接近，噴霧尖端形狀都為蘑菇狀.但是試驗與模擬結(jié)果還存在一定的差異，從試驗結(jié)果可以看出，近場噴霧的尖端存在大量細小液滴，在模擬結(jié)果中無法體現(xiàn).其原因是計算模擬中，網(wǎng)格的數(shù)量不足以模擬氣相的小渦流，而小渦流會影響液滴的破碎和霧化.圖3b將試驗與模擬的噴霧穿透速度進行了對比，可以發(fā)現(xiàn)兩個結(jié)果吻合較好，最大的速度偏差在3.4 μs時刻，偏差為3.5%.通過以上對比分析可以發(fā)現(xiàn)，基于LES和VOF相耦合的噴霧模型準確性較高，可以較為準確地分析噴霧的初次破碎過程.

1.4 模擬邊界條件

橢圓孔的結(jié)構(gòu)參數(shù)如下：長軸237.3 μm；短軸107.9 μm；噴嘴出流面積20 106.2 μm2；濕潤周界597.8 μm；孔長1.23 mm；長徑比2.2.

在大渦模擬計算中采用了長徑比為2.2的橢圓孔進行模擬計算.邊界條件如下：噴射壓力為120,140和160 MPa；背壓3 MPa；平均溫度300 K；柴油密度830 kg·m-3；動力黏度2.57 mm2·s-1；表面張力0.028 N·s-1；十六烷值48.

2 試驗方法

2.1 試驗臺架

采用Mie散射法獲取的噴霧宏觀圖像，光源由YAG激光器提供，激光波長為532 nm.在CCD相機上安裝532 nm的濾光片，相機垂直于激光器布置.由于濾光片只允許532 nm波長的光線進入，故能夠精確獲取噴霧的散射圖像.噴射壓力由高壓共軌系統(tǒng)控制，可實現(xiàn)50～180 MPa范圍內(nèi)精準的噴射壓力調(diào)節(jié).噴射系統(tǒng)如圖4所示.

圖4 試驗裝置圖

2.2 試驗條件

圖5給出了單孔噴嘴的結(jié)構(gòu)，噴孔形狀采用了大長徑比的橢圓噴孔和直徑為160 μm的圓形噴孔，為保證試驗的對比性，橢圓形噴孔的面積與圓形噴孔保持相同.為了確保加工精度在±0.1 μm以內(nèi)，采用激光微鉆孔進行加工.試驗時的邊界條件如下：噴射壓力為120、140和160 MPa；背壓3 MPa；平均溫度300 K.

圖5 圓孔與橢圓孔的幾何形狀及尺寸

3 結(jié)果分析

3.1 數(shù)值結(jié)果分析

文中采用文獻[14]定義的噴霧速度半值寬來判定橢圓形噴孔在噴射過程中是否存在換軸現(xiàn)象.當徑向方向速度是射流中心速度一半的位置，這個位置與射流中心的距離就是速度半值寬.

圖6展示了不同高噴射壓力條件下，橢圓孔主次平面上噴霧速度半值寬.由圖可以觀察到，主次平面上的噴霧速度半值寬初始時隨著時間增加，但其大小不同，主平面的噴霧速度半值寬在初始時間內(nèi)大于次平面.但隨著時間的推移，次平面噴霧速度半值寬超過主平面，兩者噴霧速度半值寬相互交替直至達到相近的水平.其中在噴射壓力為120 MPa時，換軸現(xiàn)象僅出現(xiàn)1次，而在噴射壓力為160 MPa時，換軸現(xiàn)象出現(xiàn)4次，遠高于120 MPa下的換軸次數(shù).由此可得到與文獻[8]相同的結(jié)論，即在高噴射壓力和背壓下，橢圓噴霧會出現(xiàn)換軸現(xiàn)象.此外還可以發(fā)現(xiàn)，換軸距離隨著噴射壓力的提高而縮短，而換軸次數(shù)隨著噴射壓力的增加而增加.以上結(jié)果表明提高噴射壓力能夠提高換軸頻率，加劇橢圓孔噴霧的不穩(wěn)定性，促進燃料與空氣的相互作用.

圖6 不同的噴射壓力下噴霧速度半值寬沿z軸分布(t=20 μs)

為深入分析橢圓孔的換軸現(xiàn)象，在固定背壓不同噴射壓力條件下，分析了橢圓孔不同平面上的速度大小與流線分布，如圖7所示.在圖7中，可以觀察到在不同噴射壓力條件下的主次平面的速度分布輪廓相似，噴霧尖端兩側(cè)都存在兩個空氣夾帶比旋渦，并且空氣夾帶比旋渦隨著壓力的提高而增大，這表明高噴射壓力更易將空氣卷入噴霧中.在120和140 MPa主次平面中，可以發(fā)現(xiàn)出口處的主平面的速度大小明顯高于次平面.這解釋了圖6中在噴霧初始時刻主平面的噴霧速度半值寬大于次平面的現(xiàn)象.但隨著噴霧的發(fā)展，由于空氣阻力與速度的平方成正比，速度較大的主平面噴霧受到更大的阻力，從而長軸噴霧向兩側(cè)的加速度迅速下降，短軸噴霧擴散速度逐漸超過長軸噴霧，次平面的噴霧速度半值寬與主平面達到第1次相同，完成第1次換軸現(xiàn)象.經(jīng)過第1次換軸后，由于橢圓孔噴霧初始端動能分布的不均勻，導致主次面速度大小不斷交替引起多次換軸現(xiàn)象.高噴射壓力條件下的這種換軸現(xiàn)象更為突出，如圖6所示，160 MPa下出現(xiàn)了4次換軸現(xiàn)象，而120 MPa下只出現(xiàn)了1次換軸.以上結(jié)果表明提高噴射壓力加劇了噴孔初次破碎動能分布不均勻，提高了換軸頻率，優(yōu)化了霧化效果.

圖7 不同的噴射壓力和3 MPa固定背壓下橢圓噴孔在不同觀察平面上的速度大小和流線 (t=20 μs)

為了比較不同視平面上的初次破碎情況，圖8給出了不同噴射壓力下長短軸面上的液相分數(shù)與液相射流的三維分布.由圖可以觀察到，在高噴射壓力條件下噴霧前端的液相質(zhì)量分數(shù)隨壓力的增大而減少.說明高噴射壓力能夠加劇燃料與空氣的相互作用，加快噴霧的破碎進程.從三維射流圖中也可以看出壓力越高，橢圓孔噴霧表面波動越劇烈，表面呈現(xiàn)的褶皺越明顯，液相燃料更容易破碎.其中在三維圖中發(fā)現(xiàn)一個特殊現(xiàn)象，即在噴孔出口附近，主面的液相破碎程度一般高于次平面，而在距離噴孔一定距離后，次平面液相褶皺程度會明顯高于主平面，液相破碎加劇，且隨著噴射壓力的提高而愈加越明顯.

圖8 不同的噴射壓力下不同視圖平面的液體質(zhì)量分數(shù)和三維液體射流(等值面0.10，t=20 μs)

為研究噴射壓力對液相長度的影響規(guī)律，對相同背壓(3 MPa)不同高噴射壓力下初次破碎的液相長度進行了研究，結(jié)果表明,不同高噴射壓力下初次破碎的液相長度差距較小，這與圓孔噴霧的規(guī)律一致.但隨著噴射壓力的提高，液相末端的液滴會變得越來越少，如圖9中紅線框所示，在噴射壓力160 MPa時，液滴幾乎完全消失，這表明噴射壓力能夠加快液相的破碎過程，加快霧化進程.

圖9 橢圓噴孔在不同噴射壓力下液體體積分數(shù)(等值面0.95，t=20 μs)

渦量大小決定了初始噴霧表面的不穩(wěn)定性與噴霧液相的破碎速度，所以對近場渦量進行分析是必要的.背壓3 MPa下的不同噴射壓力時，不同視平面內(nèi)的渦量大小對比如圖10所示.在噴射壓力為160 MPa時，橢圓孔內(nèi)及近場噴霧的渦量在主次平面內(nèi)明顯高于其他噴射壓力下的表現(xiàn)，這與噴射壓力增強初始湍流擾動性的觀點一致.此外發(fā)現(xiàn)不同噴射壓力下的橢圓孔主次面上的渦量大小不同，但發(fā)展趨勢與液相破碎的規(guī)律相一致.在相同噴射壓力條件下，次平面上的渦量大小在離噴孔一定距離后大于主平面相同位置的渦量大小，而渦量大小決定了液相的破碎程度，這可以解釋液相破碎時次平面上的褶皺變化大于主平面的現(xiàn)象.同時驗證了橢圓孔能夠加劇初始噴霧的不穩(wěn)定性，增大噴霧空氣夾帶比，優(yōu)化橢圓孔霧化質(zhì)量的結(jié)論.

圖10 背壓3 MPa下的不同噴射壓力時不同視平面內(nèi)的渦量

3.2 試驗結(jié)果分析

為研究橢圓孔初次破碎對噴霧下游的影響，進行了橢圓孔和圓孔的宏觀噴霧對比試驗，圖11為背壓3 MPa不同高噴射壓力下，圓孔與橢圓孔的噴霧發(fā)展歷程，可以發(fā)現(xiàn)圓孔和橢圓孔的噴霧下游部分，圓孔噴霧在單位體積內(nèi)的霧化密度明顯低于橢圓孔的主次面，且空氣夾帶比少于橢圓噴孔，橢圓噴孔的霧化效果更好.

圖11 背壓3 MPa不同高噴射壓力下，圓孔與橢圓孔的發(fā)展歷程

不同噴射壓力和3 MPa固定背壓下的噴霧貫穿距和噴霧錐角如圖12，13所示.由圖12可知，噴霧貫穿距隨著噴射壓力提高而增加，并且圓孔噴霧的貫穿距最終會大于橢圓噴孔.而在圖13中，圓孔的噴霧錐角是始終小于橢圓孔.說明橢圓孔形狀的不規(guī)則性，加劇了初次破碎的不穩(wěn)定性，增加了噴霧的空氣夾帶比，使更多空氣進入噴霧，擴大了噴霧面積，導致橢圓孔的噴霧錐角大于圓孔；而噴霧表面的擴大，增加空氣與噴霧的接觸面積，提高了空氣阻力，最終導致橢圓孔的噴霧貫穿距小于圓形噴孔.以上可以得到橢圓孔在高噴射壓力下可以促進初次破碎，有利于提高二次霧化質(zhì)量的結(jié)論.

圖12 不同的噴射壓力和3 MPa固定背壓下的噴霧貫穿距

圖13 不同噴射壓力和3 MPa固定背壓下的噴霧錐角

4 結(jié) 論

1) 橢圓孔的不規(guī)則性決定了噴霧主次平面內(nèi)初始速度差異.而空氣阻力與速度成正比的關(guān)系，主平面內(nèi)的加速度沒有次平面大，導致第1次換軸現(xiàn)象的發(fā)生，而多次換軸現(xiàn)象，也是橢圓孔的不規(guī)則性導致噴霧內(nèi)部動能不均勻引起的.

2) 橢圓孔初次破碎的液相長度與圓孔規(guī)律一致，即噴射壓力對液相長度的影響較小，但噴射壓力越高越能夠加速初次破碎的進程，提高霧化質(zhì)量.

3) 提高橢圓孔噴射壓力與圓孔一樣能夠增加噴霧貫穿距，但提高噴射壓力對其噴霧錐角的影響不大.

4) 橢圓孔結(jié)合高壓能夠加劇了初次破碎表面的不穩(wěn)定性，加快液相破碎進程，增加空氣夾帶比，提高空氣進入噴霧的含量，提高了噴霧下游的霧化質(zhì)量.