噴油嘴內部空穴流動試驗研究

郭立新，施東曉，李康寧

(中國一汽無錫油泵油嘴研究所，江蘇 無錫 214063)

柴油機噴油嘴噴霧作為燃燒的邊界條件之一，對燃燒和排放有著重要影響，也直接影響著柴油機的動力性、經(jīng)濟性和排放性[1-3]。近年的研究表明[4]，柴油機噴油嘴噴霧霧化除受空氣動力作用影響外，更受到噴油嘴噴孔內空穴流動的影響， 因此研究噴油嘴噴孔內空穴流動有其重要性和必要性。可視化方法是研究噴油嘴噴孔內部空穴流動的有效方法，但是由于噴油嘴噴孔尺寸非常小，加工真實尺寸的透明噴油嘴難度非常大，同時因透明材料強度低，試驗噴射壓力將無法達到實際噴油壓力。根據(jù)流體力學相似理論設計出來的比例放大噴油嘴，可以在反映噴油嘴細微結構的同時比擬出工作噴射壓力，已經(jīng)成為噴油嘴可視化研究非常有效的手段[5-7]。

本研究通過搭建的透明噴油嘴空穴流動可視化試驗臺，采用高速數(shù)碼相機，獲得了不同結構噴油嘴內部空穴流動情況。詳細分析了膜狀空穴和線空穴產生、發(fā)展過程及對噴霧的影響，為噴油嘴優(yōu)化設計提供參考。

1 可視化試驗臺

為了能直接觀察噴油嘴內部的空穴現(xiàn)象，并得到清晰的噴油嘴空穴流動發(fā)展圖像，簡化了噴油嘴外形結構，噴油嘴內部按照實際結構加工。常用的可視化試驗研究方法較多，有陰影法、紋影法、干涉法等，本研究采用的成像方法是陰影法，獲得被攝對象受光線照射后形成的投影照片。當平行光線通過的噴油嘴中有空穴時，光線遇到空穴區(qū)域發(fā)生折射，相關光線無法達到相機鏡頭，接收屏上該區(qū)域便會形成暗區(qū)，即所謂的“陰影”，而偏折光線達到的位置便形成亮區(qū)。搭建的透明噴油嘴空穴流動可視化試驗臺由透明噴油嘴、燃油供給系統(tǒng)和圖像采集系統(tǒng)等組成，原理示意見圖1[8]。通過使用高速數(shù)碼攝像機(Motion ProTM10000)及LED 高強度光源，對噴孔內部流動進行圖像采集，通過流量計直接獲得體積流量數(shù)據(jù)。渦輪式流量計的型號為LWGB-6ZX-B，精度等級為1級，壓力表為普通波登管壓力表。為實現(xiàn)穩(wěn)定的燃油噴射，穩(wěn)壓油箱采用氮氣加壓來提供噴射所需壓力，循環(huán)供油泵則把燃油泵回供油瓶中從而實現(xiàn)連續(xù)穩(wěn)定噴射。

圖1 噴油嘴空穴流動可視化試驗臺原理示意

圖2示出試驗用噴油嘴的結構示意及實物。噴油嘴由放大10倍的透明針閥體下段、針閥、針閥體上段組成。該試驗臺噴油嘴頭部采用樹脂材料做成透明結構，以便于對內部流動進行可視化研究，噴油嘴具有兩個噴孔，分別定義為1號噴孔和2號噴孔。

圖2 噴油嘴總成簡圖及實物圖

本研究設計了兩種不同結構噴油嘴，主要結構參數(shù)見表1，其中噴孔夾角為噴孔軸線與噴油嘴軸線之間的夾角。噴油嘴A的1號噴孔和2號噴孔具有相同的結構，噴油嘴B兩個噴孔具有不同的k系數(shù)，1號噴孔的k系數(shù)為4.0，2號噴孔的k系數(shù)為2.0。試驗中噴射壓力為0.15～1.70 MPa，背壓為0.1 MPa，燃油使用0號柴油，環(huán)境溫度為20 ℃，高速相機拍攝速度為20 000 f/s。

k系數(shù)定義如下:

(1)

式中：d2為噴孔入口直徑；d1為噴孔出口直徑。

表1 透明噴油嘴主要結構參數(shù)

2 試驗結果分析

2.1 噴油嘴內空穴

由圖3可見，噴射壓力0.35 MPa、針閥升程1.5 mm時噴油嘴A的2號噴孔入口處已經(jīng)有空穴發(fā)生(噴孔中陰影部分為空穴，壓力室中黑色陰影不是空穴導致光線折射造成)，此時發(fā)生的空穴依附在噴孔壁面上，呈現(xiàn)出膜狀，是典型的膜狀空穴[9]。在高速流動的噴孔入口處，由于拐角的存在，產生局部流動分離及孔口收縮，引起橫截面面積的減小，流速會大大增加，根據(jù)伯努利方程可知這會引起壓力降低。當局部壓力降至低于飽和蒸氣壓時，液體發(fā)生汽化而形成許多的小氣泡。小氣泡可長大或互相聚合成為較大的氣泡，在局部區(qū)域形成氣液兩相流，空穴依附在噴孔壁面并向下延伸發(fā)展，形成膜狀空穴。

圖3 噴射壓力0.35 MPa、針閥升程1.5 mm時噴油嘴A膜狀空穴流動

從圖3還可以看到噴孔內膜狀空穴是不穩(wěn)定的，拍攝時間在0～0.4 ms時膜狀空穴區(qū)域邊緣形狀不斷發(fā)生變化，呈現(xiàn)快速抖動的狀態(tài)，而膜狀空穴的核心區(qū)空穴很穩(wěn)定。這是因為在膜狀空穴核心區(qū)壓力低于飽和蒸氣壓，為空穴發(fā)生區(qū)。而膜狀空穴區(qū)邊緣燃油壓力高于飽和蒸氣壓，膜狀空穴核心區(qū)產生的大小氣泡進入高壓區(qū)后將會破碎，氣泡破碎將產生局部高溫高壓，對局部燃油流動產生影響，必將使膜狀空穴區(qū)邊緣形狀發(fā)生變化。另一方面，噴孔內燃油流動不穩(wěn)定(噴孔入口有不穩(wěn)定渦流)導致局部燃油流速波動，空穴區(qū)產生的氣泡主要是被流動燃油帶到下游高壓區(qū)的，流動波動會導致氣泡帶入高壓區(qū)距離不同，即氣泡破碎位置(即空穴區(qū)邊緣)發(fā)生變化。綜上所述，膜狀空穴區(qū)域邊緣形狀不斷發(fā)生變化，呈現(xiàn)快速的抖動。

噴油嘴內往往會有線空穴(String Cavitation)[9]出現(xiàn)，線空穴的發(fā)生是因為流體流動中廣泛存在渦流結構，從剪切流中隨機渦流渦到葉梢渦，這些都可能在渦心低壓處發(fā)生渦空穴，彼此連接形成線空穴。

由圖4噴油嘴B在噴射壓力1.0 MPa、針閥升程0.50 mm下空穴流動可見，線空穴既發(fā)生在噴孔內，也發(fā)生在壓力室內，且壓力室和噴孔內線空穴構成了連續(xù)的軌跡線，即使中間中斷，相應的延長線也可連接在一起。這是因局部渦核出現(xiàn)低壓導致空穴發(fā)生，渦流及渦心空穴同時也被流動的燃油從壓力室?guī)雵娍變?，不斷地從上游流到下游，同時原位置渦流和空穴仍存在，連續(xù)的空穴在軌跡線上組成了線空穴。例如噴射壓力0.60 MPa，升程0.5 mm下0 ms時線空穴開始在A點出現(xiàn)，0.05 ms后從A點發(fā)展到了B點。渦流在產生后，從上游向下游流動中如強度減弱，渦心空穴會因進入高壓區(qū)而破裂，線空穴消失，如圖4中1.0 MPa，升程0.50 mm下0.20 ms時所示。當渦強度在流動過程中得以保持或者加強，線空穴將繼續(xù)向下游發(fā)展，甚至發(fā)展到噴孔出口。渦流強度在流動中發(fā)生波動將導致線空穴出現(xiàn)斷續(xù)發(fā)展的現(xiàn)象，如圖4中0.60 MPa，升程0.50 mm下0.60 ms時所示。因壓力室中燃油流動的不穩(wěn)定性，當線空穴起點渦流的強度不足以產生空穴時，起點空穴將消失(如圖4中0.60 MPa，升程0.50 mm下1.25 ms時A點)，隨后下游線空穴也陸續(xù)消失，可見線空穴的產生和發(fā)展都是不穩(wěn)定的。同時線空穴還會出現(xiàn)螺旋旋轉及分裂現(xiàn)象(見圖4c)。當線空穴發(fā)展到噴孔入口上部的低壓區(qū)時，會出現(xiàn)由線空穴誘發(fā)的壁面膜狀空穴的現(xiàn)象。因不同噴孔流動狀態(tài)的差異，圖4中噴油嘴B兩個噴孔中線空穴的發(fā)生發(fā)展具有明顯的差異。

圖4 噴油嘴B空穴流動

2.2 噴射壓力的影響

由圖5可見，當噴射壓力小于0.28 MPa時，噴孔內沒有膜狀空穴出現(xiàn)，噴孔內為連續(xù)的純燃油流動。隨著噴射壓力提高，噴孔內燃油流速不斷增加，噴孔入口處局部壓力不斷降低。當噴射壓力為0.28 MPa時，在噴孔入口的上部和兩側開始有少量的膜狀空穴出現(xiàn)，但是空穴強度很小，擴展的范圍很小。由CFD計算結果可見(見圖6)，在噴孔上部和兩側燃油壓力降低得最多，將首先出現(xiàn)膜狀空穴，而噴孔底部壓力降低幅度較小，沒有出現(xiàn)空穴。且在噴射壓力0.28 MPa時，噴孔入口處的空穴區(qū)域很小，空穴從低壓區(qū)域被流動的燃油帶入下游的高壓區(qū)后，空穴將很快消失破碎，因此擴展的范圍很小。此后，噴射壓力提高到0.32 MPa后，不但噴孔上部和兩側的空穴強度、范圍增大，而且噴孔入口底部也開始出現(xiàn)空穴。噴射壓力提高后，噴孔上部空穴延伸和擴展程度大于兩側，底部空穴出現(xiàn)晚于噴孔兩側，但延伸和擴展要比兩側快。噴射壓力達到0.40 MPa時，噴孔上部的空穴到達了噴孔出口，形成所謂超空化或全空化流態(tài)。這是因噴孔入口處上部低壓區(qū)大于噴孔兩側及底部，因此噴孔上部的空穴將更容易到達噴孔出口，如圖6中CFD計算結果所示。發(fā)生超空化以后，噴射壓力進一步增加，噴孔內空穴強度和范圍略有增加，當噴射壓力為0.50 MPa以后，進一步提高噴射壓力，空穴強度和范圍變化不大。

圖5 升程3.5 mm，不同噴射壓力下噴油嘴A空穴流動

圖6 升程3.5 mm時噴油嘴A空穴流動CFD計算結果

由圖7可見，隨著升程增大，噴油嘴A發(fā)生膜狀空穴時的噴射壓力有所減小。在相同噴射壓力下，針閥升程3.50 mm時空穴強度和范圍大于1.50 mm和0.50 mm時。在噴射壓力為0.40 MPa時，只有升程為3.50 mm時發(fā)生了超空化流態(tài)。

圖7 不同升程下噴油嘴A空穴流動

由圖8噴油嘴B不同升程下空穴流動可見，升程0.50 mm下噴射壓力小于0.60 MPa時，因壓力室和噴孔內燃油流動速度較低，形成的渦流強度較小，不足以產生空穴，沒有線空穴發(fā)生。當噴射壓力高于0.6 MPa時，出現(xiàn)線空穴，但強度較弱，在噴孔內延伸的距離很短，無法到達噴孔出口。當噴射壓力進一步提高以后，在噴孔中延伸距離增加，且會向壓力室內延伸。這是因為一方面壓力室中噴射壓力提高可以使渦流強度增加，另一方面噴射壓力提高使流速提高，渦流能向下游傳播得更遠。當壓力達到0.70 MPa后，噴孔和壓力室中的線空穴將連通在一起，貫穿壓力室。噴射壓力大于0.8 MPa后，針閥0.50 mm升程時，壓力進一步提高，線空穴在噴孔中延伸距離的變化不大。針閥升程為3.5 mm時，噴射壓力0.2 MPa開始有線空穴出現(xiàn)，要早于升程0.5 mm時。相同的噴射壓力下，升程3.5 mm時線空穴延伸長度要大于升程0.5 mm。升程3.5 mm時，噴射壓力大于0.25 MPa以后，噴孔和壓力室中線空穴不但連通在一起，且延伸到了噴孔出口，要早于升程0.50 mm時。

圖8 不同升程下噴油嘴B空穴流動

2.3 空穴對噴霧的影響

圖9示出針閥升程3.50 mm時膜狀空穴對噴霧的影響。當噴射壓力較低時，噴孔內為純燃油流動狀態(tài)，噴孔出口燃油破碎主要為燃油對空氣的卷吸造成的，噴孔出口上部和底部速度相差很小，噴霧形狀相對噴孔軸線近似為對稱狀。當噴射力大于0.28 MPa后，噴孔內開始出現(xiàn)空穴(見圖5)，空穴強度較小時沒有延伸到噴孔出口，噴霧仍然以燃油對空氣的卷吸為主。但因空穴對噴孔內上部的燃油流動產生了擾動，導致燃油流動偏向噴孔出口上部，噴孔出口近似對稱的流動狀態(tài)被打破，噴霧略偏向噴孔出口上部。當噴射壓力大于0.40 MPa，空穴將延伸到出口，空穴將成為初次霧化的主要誘因之一，空穴潰滅時不僅產生強的射流表面擾動，造成液體霧化，而且也卷吸了一部分空氣進入液核促進油氣混合。此時空穴對噴霧破碎的影響甚至要大于流場中氣動破碎的影響，隨著噴射壓力的提高，噴霧錐角α(噴孔出口上部和下部噴霧邊緣的夾角，定義見圖9)迅速增加(見圖9和圖10)。噴霧油束下側表面則相對光滑，基本沒有擾動，噴霧形狀上部外邊緣和噴孔軸線夾角大于下部，噴霧呈現(xiàn)明顯的非對稱性。當噴射壓力提高到0.7MPa以后，噴油嘴出口下游周邊空氣倒吸入噴孔內，這部分空氣與空泡區(qū)相匯合，空化迅速消失，噴霧錐角明顯減小。空化消失后取而代之的是一層附著在管壁上邊緣的空氣，即出現(xiàn)了水力柱塞流現(xiàn)象。水力柱塞流現(xiàn)象與超空化現(xiàn)象的主要區(qū)別就在于噴霧錐角的顯著減小(見圖9和圖10)。

圖9 針閥升程為3.50 mm時噴油嘴A膜狀空穴對噴霧的影響

圖10 升程為3.50 mm時噴油嘴B的1號噴孔線空穴對噴霧的影響

由圖10可見，線空穴對噴霧的影響和膜狀空穴不同，線空穴產生于高強度渦流，不容易出現(xiàn)依附噴孔壁面延伸發(fā)展的情況，即使發(fā)生在噴孔的上部、下部也不會偏離噴孔軸線較遠。線空穴本身流動的同時還進行旋轉，在噴孔出口發(fā)生破碎時，對噴霧的對稱度影響相對較小，因此線空穴發(fā)生時噴霧對稱度要好于膜狀空穴。隨著噴射壓力提高，線空穴的強度將增加，對噴霧的影響程度也增加，噴霧錐角增大(見圖11和圖12)。

圖11 膜狀空穴對噴霧錐角的影響

圖12 線空穴對噴霧錐角的影響

3 結論

a) 在噴油嘴內有膜狀和線型兩種類型空穴發(fā)生，兩種空穴流動往往都是不穩(wěn)定的，但不穩(wěn)定性表現(xiàn)不同;膜狀空穴外圍邊緣形狀隨著時間會不斷發(fā)生變化，呈現(xiàn)快速抖動狀態(tài);線空穴的產生和發(fā)展都是不穩(wěn)定的，同時線空穴會出現(xiàn)螺旋旋轉及分裂現(xiàn)象;

b) 隨著噴射壓力提高,噴孔入口上部和兩側將首先出現(xiàn)膜狀空穴，隨后噴孔底部才出現(xiàn)，噴孔上部的空穴發(fā)展更快，易延伸到出口，形成所謂超空化；發(fā)生超空化以后，噴射壓力進一步增加，空穴強度和范圍將變化不大;

c) 線空穴發(fā)生需要足夠的渦流強度，渦核低壓導致空穴發(fā)生，渦流及空穴被流動的燃油從壓力室?guī)雵娍變龋瑫r原位置渦流和空穴仍存在，連續(xù)的空穴在軌跡線上組成了線空穴；線空穴出現(xiàn)后，隨著噴射壓力和針閥升程增加，線空穴延伸的長度會增加；

d) 膜狀空穴和線空穴都會使噴孔出口噴霧錐角增加，線空穴發(fā)生時噴霧對稱度要好于膜狀空穴，出現(xiàn)水力柱塞流現(xiàn)象會導致噴霧錐角明顯減小。