李 峰，尹輝俊

（廣西科技大學(xué)機(jī)械與交通工程學(xué)院，廣西 柳州 545006）

1 引言

近年來(lái)，隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的快速增長(zhǎng)，汽車工業(yè)得到快速發(fā)展，對(duì)車輛燃油排放的要求也不斷提高，噴油器作為燃油系統(tǒng)的關(guān)鍵部件之一，其流動(dòng)特性直接影響發(fā)動(dòng)機(jī)的效率，因此，引起了大家的廣泛的關(guān)注。已有大量的國(guó)內(nèi)外研究人員對(duì)噴油器的內(nèi)部流動(dòng)特性進(jìn)行了研究，文獻(xiàn)［1］用實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬相結(jié)合的方法以透明噴油器為研究對(duì)象，研究了噴油器內(nèi)部流動(dòng)特性，研究發(fā)現(xiàn)減小噴孔直徑、增大長(zhǎng)徑比都會(huì)促進(jìn)空化現(xiàn)象的發(fā)生。文獻(xiàn)［2］用Kε湍流模型和Mixture模型研究了噴油器結(jié)構(gòu)對(duì)內(nèi)部?jī)上嗔鞯目栈F(xiàn)象和對(duì)湍流流動(dòng)的影響，研究發(fā)現(xiàn)噴孔進(jìn)油口保持銳邊的噴油器的噴油特性和噴霧特性要優(yōu)于圓角噴孔。

但這些研究大都不考慮噴油器內(nèi)部粗糙度對(duì)流動(dòng)特性的影響，實(shí)踐表明，壁面粗糙度在高速、高壓的條件下，對(duì)流體的流動(dòng)特性存在較大影響。由于噴油器結(jié)構(gòu)復(fù)雜而微小，通過(guò)實(shí)驗(yàn)不便于直接觀察與測(cè)量，采用數(shù)值仿真分析研究噴孔內(nèi)部燃油流動(dòng)特性，可以有效反應(yīng)燃油的流動(dòng)特性［3-4］。大量的研究表明噴油器內(nèi)部燃油的流動(dòng)特性直接影響燃油的霧化及其與空氣的混合過(guò)程［5］。因此，通過(guò)建立合理的模型，研究粗糙度對(duì)流動(dòng)特性的影響機(jī)理，對(duì)設(shè)計(jì)和制造高質(zhì)量的噴油器是必要的，對(duì)進(jìn)一步提高燃料燃燒效率，降低能源消耗和機(jī)動(dòng)車的污染排放有積極意義。

2 噴油器壁面粗糙度的參數(shù)確定

目前，噴油器噴孔的加工方法主要有三種：（1）采用臺(tái)式鉆床高速鉆削方式；（2）采用數(shù)控鉆床鉆孔方式；（3）采用電火花加工方式［6］；由于噴孔直徑較小，以現(xiàn)有條件很難對(duì)其表面粗糙度進(jìn)行精確測(cè)試，準(zhǔn)確評(píng)估壁面粗糙度對(duì)流體流動(dòng)特性的影響，目前的研究大多停留在實(shí)驗(yàn)觀察和數(shù)據(jù)積累階段。研究表明［7］，可以通過(guò)在壁面增加一些規(guī)則性凸出形狀來(lái)模擬不同粗糙度下的壁面狀態(tài)。依據(jù)文獻(xiàn)［8］的等面積法，粗糙度可采用多個(gè)半徑為R的半圓對(duì)壁面區(qū)域內(nèi)平均表面高度Δy進(jìn)行表征，如圖1所示。

圖1 等面積法示意圖Fig.1 Schematic Diagram of Equal Area Method

其表征半徑R的大小與平均表面高度Δy之間的關(guān)系如下式所示：

式中：1≤＜i＜j≤n（n—正整數(shù)）；Δxi—每一個(gè)半圓在X軸方向上的大小，其數(shù)值等于兩倍的表征半徑R；Δy—每部分半圓的等面積高度，即Δy值對(duì)應(yīng)于壁面平均粗糙度Ra。

通常電火花加工的噴油器噴孔表面粗糙度Ra在0.8～Ra1.6μm之間［9］，這里分別選取Ra=0.4μm，0.8μm，1.2μm，1.6μm，由式（1）進(jìn)行計(jì)算可得Ra與Δy對(duì)應(yīng)關(guān)系，如表1所示。

表1 計(jì)算結(jié)果Tab.1 Calculation Results

3 噴油器內(nèi)部流動(dòng)特性數(shù)學(xué)模型

燃油在高速流動(dòng)時(shí)，噴油器內(nèi)部的局部壓強(qiáng)有可能小于燃油的飽和蒸氣壓，燃油蒸氣有可能從燃油中析出，這樣的流動(dòng)已不是單相流動(dòng)，而屬于多相流范疇［10］。通常的多項(xiàng)流模型包括：VOF模型、混合模型（Mixture）、歐拉模型（Eulerian）。由于噴油器噴油時(shí)間十分短暫，噴油器內(nèi)部不會(huì)形成穩(wěn)定的氣液分界面，不適合采用VOF模型，而歐拉法（Eulerian）在計(jì)算效率上不如混合相模型（Mixture），因此，采用混合相模（Mixture）型能滿足研究的需要［11］。

（1）連續(xù)性方程：

ρm—混合密度。

（2）動(dòng)量方程：

式中：μm—分子粘性；F—體積力；n—混合相相數(shù)；vdj，k—第二相k的漂移速度；αk—第K項(xiàng)體積分?jǐn)?shù)；g—重力系數(shù)；T—溫度。

（3）能量方程：

式中：對(duì)于不可壓縮相有Ek=hk，hk是第K相的顯焓；keff式有效熱傳導(dǎo)率；Se包含了所有的體積熱源；P—流體靜壓。

4 幾何建模及網(wǎng)格劃分

4.1 幾何模型

某噴油器物理模型，如圖2 所示。這里重點(diǎn)關(guān)注的是噴油器內(nèi)部的流動(dòng)現(xiàn)象，而加工過(guò)程中易在噴油器油的閥座和噴孔位置生成硬化層，同時(shí)有關(guān)文獻(xiàn)［12］證明噴油器上半部分結(jié)構(gòu)對(duì)于噴孔處流場(chǎng)的影響不大，因此，這里選取噴油器的下半部分為研究對(duì)象，用三維UG軟件對(duì)實(shí)體幾何進(jìn)行建模，且只針對(duì)噴油器的壓力室和噴孔，流體計(jì)算區(qū)域剖視圖，如圖3所示。其孔數(shù)為2，且均分布在同一圓周上，噴孔直徑為0.23mm，壓力室高度為0.20mm。

圖2 某型號(hào)噴油器Fig.2 A Certain Type of Fuel Injector圖3 流體計(jì)算區(qū)域剖視圖Fig.3 Sectional View of Fluid Calculation Area

4.2 網(wǎng)格劃分

采用Hypermesh 軟件對(duì)噴油器進(jìn)行網(wǎng)格劃分，如圖4 所示。由于該型號(hào)噴油器整體結(jié)構(gòu)成對(duì)稱結(jié)構(gòu)分布，為了節(jié)約計(jì)算資源，選取對(duì)稱的一半作為計(jì)算模型，根據(jù)幾何特點(diǎn)，采用三維流場(chǎng)分析；由于液體與壁面有較大的剪切力，為保證建模和仿真的計(jì)算精度，在壓力室和噴孔處對(duì)網(wǎng)格進(jìn)行加密處理，如圖5 所示。網(wǎng)格精度為0.025mm，同時(shí)增設(shè)邊界層網(wǎng)格，模型網(wǎng)格總數(shù)為52萬(wàn)，無(wú)負(fù)網(wǎng)格。

圖4 計(jì)算網(wǎng)格Fig.4 Computational Grid圖5 局部放大圖Fig.5 Partial Enlarged View

5 求解計(jì)算

5.1 邊界條件

采用Fluent 軟件進(jìn)行求解計(jì)算，根據(jù)噴油器試驗(yàn)測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)（GB25363-2010），設(shè)定壁面溫度T=293K，流體介質(zhì)為標(biāo)定液，不考慮流體與外界的熱交換，忽略溫度變化對(duì)燃油粘度的影響，湍流強(qiáng)度采用中等強(qiáng)度；入口和出口采用壓力邊界條件，具體的設(shè)置參數(shù)，如表2所示。

表2 邊界條件Tab.2 Boundary Conditions

5.2 壁面條件

為了考察粗糙度對(duì)燃油流動(dòng)特性的影響，在正常加工條件下，可認(rèn)為管壁粗糙度均勻分布，在仿真軟件Fluent中設(shè)置粗糙度常數(shù)Cs（roughness Constant）的值為0.5，表示壁面粗糙度均勻分布；根據(jù)表1 計(jì)算結(jié)果分別設(shè)置粗糙度高度Ks（Roughness Height）值為0.50μm，1.00μm，1.52μm，2.03μm，并依次對(duì)其進(jìn)行仿真計(jì)算。

5.3 流體介質(zhì)

該噴油器為汽油發(fā)動(dòng)機(jī)噴油器，所選標(biāo)定液物性參數(shù)（T=293K）與汽油接近［13］，如表3所示。

表3 標(biāo)定液體及蒸汽物理特性參數(shù)Tab.3 Physical Characteristic Parameters of the Calibration Liquid and Steam

5.4 求解計(jì)算

采用Fluent軟件的壓力基求解器，選取工程上應(yīng)用最廣泛的k-ε［14］湍流模型，以入口壓力作為初始條件進(jìn)行求解計(jì)算。

6 結(jié)果分析

6.1 不同粗糙度時(shí)速度場(chǎng)分布

根據(jù)邊界條件，求解得到噴油器在不同表面粗糙度時(shí)的流體速度分布云圖，如圖6所示。

圖6 不同粗糙度時(shí)的速度分布云圖Fig.6 Cloud Diagram of Velocity Distribution at Different Roughness

通過(guò)Fluent的后處理計(jì)算功能可以得到其對(duì)應(yīng)的出口平均速度，如圖7所示。

圖7 不同粗糙度時(shí)的出口平均速度Fig.7 Average Exit Velocity at Different Roughness

由圖7可見(jiàn)，噴孔出口的平均速度隨著壁面粗糙度的增大總體呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，當(dāng)壁面粗糙度值Ra在（0.4～0.8）μm時(shí)，噴孔出口的平均速度略有下降，基本上不隨粗糙的變化而變化，當(dāng)粗糙度值Ra增大到1.6μm時(shí)，出口平均速度減小較為明顯。主要原因是由于壁面粗糙度的增大會(huì)對(duì)燃油的流動(dòng)形成阻力，增加了流動(dòng)過(guò)程中的壓力損失。

6.2 不同粗糙度時(shí)湍動(dòng)能場(chǎng)分布

根據(jù)邊界條件，求解得到噴油器在不同表面粗糙度時(shí)的湍動(dòng)能分布云圖，如圖8所示。

圖8 不同粗糙度時(shí)的湍動(dòng)能分布云圖Fig.8 Cloud Map of Turbulent Kinetic Energy Distribution with Different Roughness

通過(guò)Fluent的后處理計(jì)算功能可以得到其對(duì)應(yīng)的出口平均湍動(dòng)能，如圖9所示。

圖9 不同粗糙度時(shí)的出口湍動(dòng)能Fig.9 Outlet Turbulent Kinetic Energy at Different Roughness

由圖9可見(jiàn)，噴孔出口的湍動(dòng)能隨著壁面粗糙度的增大總體呈現(xiàn)上升趨勢(shì)，粗糙度越大，其湍動(dòng)能越大，主要原因是隨著壁面粗糙度的增大，噴孔內(nèi)部空化現(xiàn)象增強(qiáng)，生成的空泡在噴孔出口處迅速潰滅釋放出能量，其中一部分轉(zhuǎn)換成了湍動(dòng)能，產(chǎn)生了湍流擾動(dòng)。

6.3 不同粗糙度時(shí)出口質(zhì)量流量

不同壁面粗糙度時(shí)的出口質(zhì)量流量，如圖10所示。由圖10可見(jiàn)，噴孔出口的質(zhì)量流量隨著壁面粗糙度的增大總體呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，當(dāng)壁面粗糙度值Ra在（0.4～0.8）μm時(shí)，噴孔出口的質(zhì)量流量略有下降，但幾乎沒(méi)有太大變化，當(dāng)粗糙度值Ra增大到1.6μm時(shí)，出口質(zhì)量流量下降明顯。

圖10 不同粗糙度時(shí)的出口質(zhì)量流量Fig.10 Outlet Mass Flow at Different Roughness

主要原因是由于壁面粗糙度的增大會(huì)對(duì)燃油的流動(dòng)形成阻力，增加了流動(dòng)過(guò)程中的流動(dòng)損失，從而減小了出口處的質(zhì)量流量。

從以上仿真分析結(jié)果可知，在噴孔電火花加工粗糙度范圍內(nèi)（Ra=（0.4～1.6）μm），隨著粗糙度的增加，出口平均速度呈下降趨勢(shì)，特別是在Ra=1.6μm時(shí)，出口平均速度下降明顯；隨著粗糙度的增加，平均湍動(dòng)能呈上升趨勢(shì)，其中Ra從0.4μm到0.8μm時(shí)，提升較為劇烈；隨著粗糙度的增加，出口質(zhì)量流量呈下降趨勢(shì)，當(dāng)Ra在1.6μm時(shí)，出口質(zhì)量流量下降明顯。

7 流量試驗(yàn)驗(yàn)證

選取噴孔壁面粗糙度Ra=0.8μm 的噴油器作為試驗(yàn)對(duì)象，由SCR 噴油器綜合流量測(cè)量?jī)x測(cè)得噴油器出口處的靜態(tài)質(zhì)量流量67.56g/min，利用Fluent 的后處理功能Reports 獲得穩(wěn)態(tài)時(shí)的出口靜態(tài)流量為65.50g/min，計(jì)算值與試驗(yàn)值誤差＜5%，符合GBT25363-2010 的相關(guān)規(guī)定，證明模型具有合理性。測(cè)試臺(tái)及噴油器實(shí)物，如圖11、圖12所示。

圖11 噴油器測(cè)試臺(tái)Fig.11 Injector Test Bench

圖12 噴油器實(shí)物圖Fig.12 Physical Image of the Injector

8 結(jié)論

以某汽油發(fā)動(dòng)機(jī)噴油器在高壓、微孔的工作環(huán)境為例，研究噴孔在電火花加工的粗糙度范圍內(nèi)，不同壁面粗度對(duì)噴油器流動(dòng)特性的影響，主要針對(duì)出口速度、湍動(dòng)能及出口質(zhì)量流量等三個(gè)方面，得到以下結(jié)論：

（1）隨著粗糙度的增加，出口平均速度呈下降趨勢(shì)，特別是當(dāng)Ra=1.6μm時(shí)，出口平均速度下降明顯。

（2）隨著粗糙度的增加，出口平均湍動(dòng)能呈上升趨勢(shì)，其中Ra從0.4μm到0.8μm時(shí)，提升較為劇烈。

（3）隨著粗糙度的增加，出口質(zhì)量流量呈下降趨勢(shì)，當(dāng)Ra=1.6μm時(shí)，出口質(zhì)量流量下降明顯。

（4）CFD仿真計(jì)算與實(shí)際流量誤差在合理范圍之內(nèi)，表明仿真計(jì)算模型科學(xué)合理，對(duì)其他噴油器的流動(dòng)特性研究具有一定的推廣作用。