柴油機(jī)雙層多孔噴油嘴內(nèi)部空穴兩相流動研究

王 謙，李 念，何志霞，閆 毅，張 亮

柴油機(jī)雙層多孔噴油嘴內(nèi)部空穴兩相流動研究

王 謙，李 念，何志霞，閆 毅，張 亮

（江蘇大學(xué)能源與動力工程學(xué)院，江蘇鎮(zhèn)江，212013）

針對柴油機(jī)噴油嘴內(nèi)部兩相流動影響柴油的霧化質(zhì)量、燃燒特性及整車的排放特性，而柴油機(jī)噴油嘴頭部細(xì)微結(jié)構(gòu)的變化顯著影響噴油嘴內(nèi)部流動等問題.以某型國產(chǎn)噴油器噴油嘴為對象，在X射線精確測量其幾何結(jié)構(gòu)參數(shù)的基礎(chǔ)上建立物理模型，基于多維數(shù)值模擬軟件AVL FIRE對噴孔內(nèi)部空穴兩相流動特性進(jìn)行模擬，分析不同位置噴孔及不同噴射壓力對噴孔內(nèi)部兩相流動特性的影響.結(jié)果表明：同一噴射壓力下，上下層噴孔位置對噴孔內(nèi)部空穴產(chǎn)生時(shí)刻、分布區(qū)域及強(qiáng)度都產(chǎn)生影響，壓力分布、液相速度分布及液相湍動能分布也各不相同；不同噴射壓力下，空化強(qiáng)度隨噴油壓力的增加而提高.

噴油嘴；空穴兩相流動；位置；噴射壓力；AVL FIRE；數(shù)值模擬

numerical simulation

面對日益嚴(yán)格的排放法規(guī)及世界范圍內(nèi)石油資源的枯竭，對柴油機(jī)燃燒和排放性能提出越來越高的要求，提高柴油機(jī)經(jīng)濟(jì)性、改善排放的一個(gè)重要手段是改進(jìn)燃油噴射技術(shù)，其噴射系統(tǒng)參數(shù)的設(shè)計(jì)對柴油機(jī)的燃燒排放特性有重要影響［1-2］.而噴射系統(tǒng)的重要組成部分是燃油噴油器，其結(jié)構(gòu)參數(shù)對噴孔內(nèi)燃油流動有重要影響.由于噴油嘴結(jié)構(gòu)復(fù)雜，噴孔內(nèi)部流動空間幾何尺寸小，燃油又以極高的壓力和速度流過噴孔，且噴孔內(nèi)流有很高的湍流強(qiáng)度，因此直接觀察與測量孔內(nèi)的流動非常困難.而且，噴孔內(nèi)部流動是伴隨有空穴現(xiàn)象的氣液兩相流問題，因此試驗(yàn)測量難度加大.多維數(shù)值模擬方法能夠詳細(xì)描繪噴嘴內(nèi)部流場變化，獲得更加精確的結(jié)果［3-5］.其模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性可通過采用相似性透明噴嘴的可視化試驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證.筆者根據(jù)X射線測試方法獲得噴嘴內(nèi)部詳細(xì)幾何結(jié)構(gòu)參數(shù)并建立數(shù)值計(jì)算物理模型，基于此，開展噴嘴內(nèi)空穴兩相流動的3維數(shù)值模擬，分析噴孔所處的不同位置及不同噴油壓力對噴嘴內(nèi)瞬態(tài)流動特性的影響，為設(shè)計(jì)出能提高噴霧質(zhì)量的噴孔結(jié)構(gòu)提供理論依據(jù).

1 物理模型及數(shù)學(xué)模型

1.1 物理模型

本研究的對象是某型國產(chǎn)雙層交錯(cuò)噴孔的噴油器噴油嘴.為了獲得噴嘴內(nèi)部幾何結(jié)構(gòu)的詳細(xì)信息，采用同步輻射高能X射線對試驗(yàn)用雙層8噴孔噴油嘴進(jìn)行了3維CT（computed tomography）掃描，在不損壞噴嘴的情況下獲得噴嘴內(nèi)部結(jié)構(gòu)的高精度3維圖像，為數(shù)值模擬提供精確的物理模型.

試驗(yàn)在上海光源“X射線成像及生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用光束應(yīng)用線站”上完成，該線站采用Wiggler光源，光子能量調(diào)整范圍為8.0～72.5 keV，能量分辨率（ΔE/E）小于3×10-3，最大束斑尺寸為48 mm（H）×5.3 mm（V），光子通量密度為1.9× 1010phs·s-1·mm-2.光源點(diǎn)到樣品臺原點(diǎn)的距離為34 m，探測器前后可調(diào)的距離為8 m，可通過精密導(dǎo)軌調(diào)節(jié)（精確到μm）.測量過程中，同步輻射存儲環(huán)內(nèi)的電子經(jīng)過磁場轉(zhuǎn)向時(shí)輻射出高能X射線后再經(jīng)過一系列處理后，當(dāng)這些射線的能量被調(diào)整為55 keV之后穿透噴油器前端照射到閃爍晶體上，轉(zhuǎn)變?yōu)槠胀梢姽?，通過快速CCD相機(jī)就可接收噴油器前端圖像.噴油器在樣品旋轉(zhuǎn)臺上以1.8（°）·s-1的速度旋轉(zhuǎn)180°，完成斷層掃描.在旋轉(zhuǎn)過程中，每0.2°拍攝1幅X射線吸收到的圖像，圖像曝光時(shí)間為30 ms，圖像設(shè)計(jì)空間分辨率為500 nm［6-7］.圖1為試驗(yàn)噴嘴的X射線CT成像過程，包括X射線源的產(chǎn)生、X射線對噴嘴的透射、透射后的X射線探測、計(jì)算機(jī)成像以及圖像處理等過程.

試驗(yàn)測量得到的雙層8噴孔交錯(cuò)布置噴嘴結(jié)構(gòu)及噴孔位置結(jié)構(gòu)關(guān)系3維造型圖如圖2所示，圖中顯示了8個(gè)噴孔的位置結(jié)構(gòu)關(guān)系.

圖1 噴嘴X射線3維CT成像過程

圖2 噴油嘴3維造型及斷層切片圖像

從圖2可以看出：8個(gè)噴孔形狀大小基本相同，均勻分布于上下層2個(gè)圓周上，每層各4個(gè)噴孔，沿周向交錯(cuò)均勻分布，具有周期性.在保證能夠比較上下層噴嘴內(nèi)流動特性的基礎(chǔ)上，為減小計(jì)算量，選取完整噴嘴的1/4（選取含有2個(gè)分布在不同圓周上的噴孔區(qū)域）建立模型來模擬8噴孔噴油器噴嘴內(nèi)部兩相流動.依據(jù)X射線測得噴孔的精確幾何結(jié)構(gòu)在3維UG制圖軟件中建立的柴油機(jī)噴油嘴流體流經(jīng)區(qū)域模型圖如圖3所示，噴孔直徑D=0.18 mm，孔長L=0.65 mm，上下層噴孔的高度差Δh約為0.12 mm.

圖3 柴油機(jī)噴油嘴模型圖

1.2 數(shù)學(xué)模型

利用CFD商業(yè)軟件AVL fire對雙層交錯(cuò)均勻分布的8噴孔噴油嘴噴嘴內(nèi)部的3維空穴流動進(jìn)行計(jì)算，軟件中多相流模型是基于歐拉-歐拉方法，它包含3個(gè)模型：均勻模型、多相流模型和流體體積（VOF）自由面法.其精度依次提高.均質(zhì)模型是使用統(tǒng)一的動量方程對各相流體的守恒方程分別進(jìn)行求解；VOF法與均質(zhì)模型相似，它的流體體積方程求解精度相對較高；多相流模型是對各相的動量方程及守恒方程進(jìn)行分別求解［8］.文中選用多相流模型求解.

噴嘴3維空穴兩相流動湍流模型的基本控制方程連續(xù)性方程、動量方程、氣相輸運(yùn)方程、單個(gè)氣泡的成長破碎過程方程、k-ε方程以及壁面規(guī)律方程等的具體描述形式如下［9-10］：

連續(xù)性方程為

式中：ρ為混合密度；t為時(shí)間；v為流速.

動量方程為

式中：p為壓力；F為體積力；μ為混合黏度；T為溫度.

氣相輸運(yùn)方程為

式中：n0為單位體積純液體中所含氣泡數(shù)；ρ1為純液相密度；ρ2為純氣相密度；α為氣體體積分?jǐn)?shù).

單個(gè)氣泡的成長破裂過程，可以根據(jù)Rayleigh-Plesset方程得

式中：pB為氣泡內(nèi)壓力；σ為表面張力系數(shù).

式中：

式中：Cμ=0.09；k為湍動能，k=0.42；ε為耗散率.壁面方程為

式中：u+為速度；B=5.44；y為壁面距離；y+為距壁面的量綱一距離；u為速度沿壁面的切向分量；uτ為切應(yīng)力速度；υ為動力黏度.

離散方程均采用基于內(nèi)節(jié)點(diǎn)的有限容積法，對壓力場的修正采用SIMPLE算法，動量相和連續(xù)相的空間差分采用2階中心差分，其余相采用1階迎風(fēng)格式.進(jìn)出口均采用壓力邊界，在計(jì)算過程中，針閥升程固定在最大0.35 mm處，出口壓力為6 MPa.計(jì)算時(shí)假設(shè)柴油為不可壓縮流體，噴油嘴內(nèi)的氣液兩相流計(jì)算采用歐拉-歐拉算法，壁面邊界條件采用標(biāo)準(zhǔn)函數(shù)法；采用分塊耦合、局部加密的方法生成3維結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，網(wǎng)格單元數(shù)為190 656，計(jì)算區(qū)域網(wǎng)格如圖4所示.

圖4 噴油嘴計(jì)算網(wǎng)格

2 計(jì)算結(jié)果及分析

2.1 上下層噴孔內(nèi)流動特性對比分析

噴射壓力為80 MPa，背壓為6 MPa時(shí)，8噴孔噴油嘴上下不同位置處的2噴孔孔內(nèi)的空穴現(xiàn)象產(chǎn)生時(shí)刻及空穴、壓力、液相速度和液相湍流動能的分布隨噴射時(shí)間變化的情況如圖5所示，t1為噴射時(shí)間，本次計(jì)算的噴油持續(xù)時(shí)間為2 ms.

由圖5可以看出：噴孔的上下層位置不僅影響空穴現(xiàn)象的產(chǎn)生時(shí)刻，而且對噴孔內(nèi)空穴現(xiàn)象的分布也有顯著影響；上層噴孔較之下層噴孔，其孔內(nèi)產(chǎn)生空穴的時(shí)刻提前，且空化現(xiàn)象發(fā)展更加迅速，上層噴孔內(nèi)形成的空化區(qū)范圍和強(qiáng)度顯著提高，而下層噴孔空穴現(xiàn)象產(chǎn)生晚，發(fā)展緩慢，下層噴孔的空穴區(qū)不能延伸至噴孔出口，只能呈現(xiàn)部分空化流狀態(tài)；這種差異主要是由噴油嘴上下層噴孔入口銳邊過渡不同引起的噴孔內(nèi)部流動狀態(tài)的不同所造成的，并且噴孔內(nèi)流動狀態(tài)、各相參數(shù)在噴油開始后的0.000 2 s基本達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，在之后的噴射時(shí)間里孔內(nèi)流動狀態(tài)基本穩(wěn)定；上層噴孔的銳邊過渡小于下層噴孔，而隨著噴孔銳邊過渡的減小，噴孔入口拐角減小，液相主流的突變程度增強(qiáng)，更易于與噴孔壁面產(chǎn)生流動分離，入口拐角處壓力降更加顯著，噴孔內(nèi)部空穴區(qū)延伸范圍和強(qiáng)度增加；同時(shí)，由于空化程度的加強(qiáng)，也使得液相的湍流程度顯著增強(qiáng)，出口狀態(tài)更為紊亂，油束破碎得到強(qiáng)化，能取得更好的霧化效果.

圖5 上下層噴孔孔內(nèi)空穴、壓力、液相速度和液相湍動能的分布隨噴油時(shí)間的變化

2.2 不同噴油壓力下上層噴孔內(nèi)流動特性的比較

噴油壓力對空穴、壓力、湍流速度和液相湍動能分布的影響如圖6所示，p為噴油壓力，由于下層噴孔在很高的噴油壓力下，空穴不但產(chǎn)生晚而且發(fā)展緩慢，空穴強(qiáng)度也很小，且一直呈現(xiàn)部分空化流狀態(tài)，所以取上層噴孔進(jìn)行比較分析噴油壓力對孔內(nèi)流動狀態(tài)的影響.為更精確地分析現(xiàn)象，分別取每種工況下上層噴孔的3維圖（上）和2維中心截面圖（下）進(jìn)行對比分析.在背壓為6 MPa時(shí)，噴油壓力為20，50，80，110 MPa的情況下孔內(nèi)空穴、壓力、速度和湍動能的分布情況如圖6所示，當(dāng)噴油壓力較小時(shí)，孔內(nèi)有較低的流動速度，漩渦區(qū)靜壓下降趨勢減緩，這種情況會抑制氣泡的產(chǎn)生.而后，隨著噴油壓力的升高，空穴現(xiàn)象產(chǎn)生時(shí)刻提前，噴孔內(nèi)流動速度會加大，漩渦區(qū)范圍也會加大，流場靜壓會進(jìn)一步地降低，促進(jìn)空穴氣泡的產(chǎn)生，空穴區(qū)范圍和強(qiáng)度均會增強(qiáng).同時(shí)，當(dāng)噴油壓力很高（50，80，110 MPa）時(shí)，空穴層基本上是緊貼噴孔壁面延伸至噴孔出口的，而且空穴區(qū)域不再隨噴油壓力的進(jìn)一步升高而發(fā)生明顯變化；但是，當(dāng)噴油壓力比較小時(shí)，空穴區(qū)延伸長度開始明顯縮短，流體空穴區(qū)域范圍、速度和強(qiáng)度也都相應(yīng)減小，至20 MPa時(shí)，空穴氣泡達(dá)到出口之前就已全部潰滅，呈現(xiàn)部分空化流狀態(tài).

圖6 噴油壓力對空穴、壓力、湍流速度和液相湍動能分布的影響

3 結(jié) 論

1）同一噴油壓力下，噴油嘴上下層不同位置處噴孔的內(nèi)部流動狀態(tài)有顯著差別.上層噴孔與下層噴孔相比，孔內(nèi)空穴現(xiàn)象出現(xiàn)的時(shí)刻明顯提前，而且空化現(xiàn)象發(fā)展更加迅速，噴孔內(nèi)形成的空化區(qū)范圍增加，空化強(qiáng)度提高.

2）當(dāng)噴油壓力較小時(shí)，上層噴孔內(nèi)流動速度較低，抑制氣泡的產(chǎn)生，會呈現(xiàn)部分空化流狀態(tài)；而后，隨著噴油壓力升高，空穴現(xiàn)象產(chǎn)生時(shí)刻提前，噴孔內(nèi)流動速度加大，促進(jìn)空穴氣泡的產(chǎn)生，空穴區(qū)強(qiáng)度和范圍都增強(qiáng)；當(dāng)噴油壓力很高（＞80 MPa）時(shí)，空穴區(qū)域不再隨噴油壓力的進(jìn)一步升高而發(fā)生明顯變化.

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（責(zé)任編輯 賈國方）

Cavity flow in double-layer multi-holes diesel injector nozzle

Wang Qian，Li Nian，He Zhixia，Yan Yi，Zhang Liang
（School of Energy and Power Engineering，Jiangsu University，Zhenjiang，Jiangsu 212013，China）

In diesel engines，the cavity flow in nozzles not only greatly affects the characteristics of fuel atomization，but also has great influence on the subsequent combustion and exhaust emissions.However，the changing of detail structure of diesel nozzle tip greatly affects the flow characteristics in the nozzle hole.Taking a certain type of nozzle as research object，the simulative calculation model of multi-phases flow in the engine nozzle hole with high-pressure injection was established by AVL FIRE software. The effects of different orifice position and injection pressure on the characteristics of two-phase flow were investigated.The results show that when the injection pressure is fixed，the happened moment，the distribution region and the intension of cavitation in nozzle are affected by nozzle position，and the distribution of pressure，the turbulence velocity and the liquid turbulence energy are also different. When the injection pressure changes，the intension of the cavitation phenomena is promoted by the increase of injection pressure.

injector nozzle；cavity flow；position；injection pressure；AVL FIRE；

TK421.5

A

1671-7775（2015）02-0142-06

王 謙，李 念，何志霞，等.柴油機(jī)雙層多孔噴油嘴內(nèi)部空穴兩相流動研究［J］.江蘇大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2015，36（2）：142-147.

10.3969/j.issn.1671-7775.2015.02.004

2014-06-09

國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（51276084）；江蘇高校優(yōu)勢學(xué)科建設(shè)工程項(xiàng)目（蘇財(cái)教［2011］8號）

王 謙（1968-），男，江蘇鎮(zhèn)江人，教授，博士生導(dǎo)師（qwang@ujs.edu.cn），主要從事熱力機(jī)械工作過程的研究.李 念（1990-），女，江蘇鎮(zhèn)江人，碩士研究生（Nnianli1990@163.com），主要從事動力機(jī)械工作過程的研究.