郭根苗,白天陽,2,邵壯,李琛,2,何志霞

(1.江蘇大學(xué)能源研究院,212013,江蘇鎮(zhèn)江;2.江蘇大學(xué)能源與動力工程學(xué)院,212013,江蘇鎮(zhèn)江;3.山東中科先進(jìn)技術(shù)研究院,250000,濟(jì)南)

由于日益嚴(yán)格的排放法規(guī)和能源危機(jī),近年來均質(zhì)壓燃(HCCI)、低溫燃燒(LTC)、反應(yīng)控制壓燃(RCCI)和部分預(yù)混壓縮點(diǎn)火(PCCI)等多種新型燃燒模式應(yīng)運(yùn)而生[1-4]。這些新型燃燒模式的發(fā)展迫切要求內(nèi)燃機(jī)油氣混合速度更快、混合氣分布更加均勻,對燃油噴射系統(tǒng)性能提出了更加嚴(yán)格的要求,比如更高的噴油壓力、更精準(zhǔn)的噴油噴射控制和更可靠的操作系統(tǒng)等。高壓共軌燃油噴射系統(tǒng)是降低內(nèi)燃機(jī)油耗和排放最有效的技術(shù),而共軌噴油器噴嘴內(nèi)部空化兩相流動特性直接影響著下游的燃油霧化,進(jìn)而影響內(nèi)燃機(jī)燃燒及排放性能,因此引起了國內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注[5-7]。

現(xiàn)有研究表明,空化流動存在片空化、云空化、線空化、空氣倒吸、超空化及水力回流等不同流態(tài)[8-10],且空化流動特性強(qiáng)烈依賴于流道幾何結(jié)構(gòu)和液體介質(zhì)物性[11-12]。Cui等[13]與Moon等[14]研究發(fā)現(xiàn):隨著噴射壓力增大,擴(kuò)散、圓柱和收縮形狀噴孔的流量都呈現(xiàn)穩(wěn)定增長趨勢;擴(kuò)散形噴孔內(nèi)最先發(fā)生片空化,導(dǎo)致流量驟減;收縮形狀噴孔對孔內(nèi)片空化流動具有抑制作用。但是,在相同噴油壓力工況下,由于擴(kuò)散型噴孔的出口面積大,其流量系數(shù)遠(yuǎn)小于圓柱和收縮形噴孔。當(dāng)噴射壓力足夠大時(shí),噴孔內(nèi)燃油流動發(fā)展為水力回流流態(tài),各形狀噴孔的流量趨于一致。Le?nik等[15]、Chen等[16]和Cai等[17]的研究結(jié)果揭示,噴油器的幾何形狀對噴油器內(nèi)部空化流動特性的影響明顯,且噴孔內(nèi)空化現(xiàn)象有利于促進(jìn)燃油液滴的破碎和霧化,優(yōu)化油氣混合質(zhì)量。高永強(qiáng)等[18]、Hosbach等[19]和麻斌等[6]的研究表明:隨著噴油壓力增大,孔內(nèi)空化區(qū)域逐漸向下游延伸,且孔內(nèi)空化流有利于燃油液滴霧化,增強(qiáng)油氣混合;漸縮型噴孔內(nèi)空化現(xiàn)象被抑制,導(dǎo)致近噴孔區(qū)域的燃油霧化質(zhì)量差。Dai等[20]與Rane等[21]對比分析了圓柱形和漸縮形噴孔的近場噴霧結(jié)構(gòu),揭示了噴孔的收縮效應(yīng)。然而,研究尚未對空化流動作不同流態(tài)分析,空化流態(tài)特性尚不清晰。此外,鐘汶君等[22]的研究結(jié)果發(fā)現(xiàn),提高燃油溫度可使燃油的飽和蒸汽壓增大、黏度和密度減小,從而導(dǎo)致片空化初生臨界噴油壓力降低。Zhang等[23]發(fā)現(xiàn)噴嘴內(nèi)部空化流動和噴霧對燃油溫度非常敏感,空化初生臨界噴油壓力隨著燃油溫度的升高而降低,且在空化發(fā)展階段(噴油壓力不變),燃油溫度越高,孔內(nèi)空化區(qū)域越大。高瑩等[24]分析了噴孔長度和噴油體溫度對噴嘴內(nèi)燃油空化流動及噴霧場的影響,結(jié)果表明短孔內(nèi)更加容易產(chǎn)生空化現(xiàn)象、對應(yīng)噴霧錐角更大,但流量更小,提高噴油體溫度有利于空化流動的初生和發(fā)展。然而,對于高壓甚至超高壓柴油機(jī),燃油經(jīng)油泵、共軌管、噴油器等部件射出噴孔前要經(jīng)過體積壓縮、管壁摩擦、換熱及節(jié)流等,導(dǎo)致噴嘴內(nèi)燃油溫度升高[25]。這種熱效應(yīng)對噴嘴內(nèi)部燃油流動特性及噴霧的影響尚未被清晰認(rèn)識。目前,鮮有燃油溫度對云空化、線空化和空氣倒吸等特殊流態(tài)影響的研究。綜上可知,噴孔形狀與燃油溫度對不同空化流態(tài)特性以及它們對噴霧霧化過程的影響規(guī)律尚不清晰。

本文旨在通過探討不同錐度噴孔和不同燃油溫度下簡化噴嘴內(nèi)部燃油流動特征,獲得對不同空化流態(tài)演變規(guī)律的直觀認(rèn)識,揭示噴嘴內(nèi)燃油流動特性,從而為柴油機(jī)噴嘴結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及為數(shù)值模擬研究燃油溫度效應(yīng)對噴嘴內(nèi)空化流動及噴霧影響提供數(shù)據(jù)和理論支撐。

1 試驗(yàn)方法及研究方案

1.1 可視化試驗(yàn)臺的搭建

圖1給出了自循環(huán)噴嘴內(nèi)流及噴霧可視化試驗(yàn)臺工作原理,該試驗(yàn)裝置主要包括燃油供給、光學(xué)噴嘴、油溫控制及圖像采集等4個(gè)系統(tǒng),可實(shí)現(xiàn)噴嘴內(nèi)部流動和近噴孔射流破碎形態(tài)同步可視化。

圖1 簡化噴嘴內(nèi)部空化流動及噴霧可視化試驗(yàn)系統(tǒng)原理圖

試驗(yàn)中,根據(jù)所需噴油壓力和燃油溫度調(diào)節(jié)壓力控制閥和加熱裝置,油箱內(nèi)燃油經(jīng)濾清系統(tǒng)和燃油泵流入待測噴嘴,最后經(jīng)噴孔射出的燃油被收集回收又流回油箱實(shí)現(xiàn)試驗(yàn)臺燃油自循環(huán)。其中:光學(xué)噴嘴由亞克力材料加工而成,具有良好的光學(xué)性質(zhì);待測噴嘴上游油路裝有壓力傳感器、流量計(jì)和溫度傳感器,用于實(shí)時(shí)監(jiān)測燃油的噴射工況和溫度。油箱中安裝有加熱裝置,可實(shí)現(xiàn)燃油溫度的調(diào)節(jié)和控制,溫度額定調(diào)節(jié)范圍為15～70 ℃,精度為±0.1 ℃。此外,試驗(yàn)臺最大噴油壓力設(shè)定為4.0 MPa,可針對多種不同尺寸噴嘴開展孔內(nèi)空化流動及下游射流噴霧特性研究,包含低壓和高壓兩種工作模式:低壓模式額定噴射壓力范圍為0～0.8 MPa,最小調(diào)節(jié)精度為0.01 MPa;高壓模式額定噴射壓力范圍為0～4.0 MPa,最小調(diào)節(jié)精度為0.1 MPa。本文研究中,噴油壓力低于0.8 MPa時(shí)采用低壓模式,噴油壓力高于0.8 MPa時(shí)采用高壓模式。

1.2 試驗(yàn)噴嘴結(jié)構(gòu)

試驗(yàn)噴嘴加工有豎直噴孔,如圖2所示。其中,噴孔上端加工有一大直徑圓柱槽,用以模擬柴油機(jī)噴油器內(nèi)燃油進(jìn)入噴孔時(shí)流道方向的變化,圓柱槽直徑DU和高度LU分別為20和15 mm。試驗(yàn)中噴孔出口直接連接大氣環(huán)境,保證噴孔下游空間足以削弱出口邊界對柴油流動特性的影響。噴嘴幾何的外表面均為加工面,光滑的表面有利于對光路的控制。

圖2 簡化噴嘴的幾何結(jié)構(gòu)

噴孔的入口直徑D1為2 mm、噴孔長度LN為10 mm,噴孔長徑比為5。通過改變噴孔出口直徑D2來調(diào)節(jié)噴孔的錐度系數(shù)(kf)。噴孔錐度系數(shù)kf的定義為

(1)

當(dāng)噴孔的出口直徑分別為1.9和1.8 mm時(shí),噴孔的kf分別為1和2,呈漸縮圓錐形;當(dāng)噴孔出口直徑為2 mm時(shí),kf為0,即噴孔呈圓柱形。

1.3 試驗(yàn)方案

本文分別研究了噴孔錐度系數(shù)和燃油溫度對噴嘴內(nèi)柴油流動特性的影響,具體試驗(yàn)方案見表1。其中:采用方案1、2和3分析不同錐度系數(shù)(0、1和2)噴孔內(nèi)空化流動形態(tài),揭示噴孔結(jié)構(gòu)對噴嘴內(nèi)部各種空化流態(tài)特性的影響規(guī)律;基于方案3、4和5探討燃油溫度(288、303和323 K)對噴嘴內(nèi)各空化流態(tài)特性的影響。試驗(yàn)中,拍攝速率為20 000 幀/s,拍攝區(qū)域?yàn)? 024×1 024像素,曝光時(shí)間是1/400 000 s(即2.5 μs)。噴射壓力在0.2～1.0 MPa范圍內(nèi)變動,調(diào)節(jié)精度為0.01 MPa,每個(gè)工況下采集連續(xù)的300幀圖像。試驗(yàn)柴油的飽和蒸汽壓為892 Pa,黏度為3.4 mPa·s,密度為837 kg/m3。

表1 可視化試驗(yàn)方案

2 結(jié)果與討論

2.1 噴孔錐度對內(nèi)部空化流動瞬態(tài)演變特性的影響

圖3給出了1、2和3號噴孔內(nèi)燃油流動及對應(yīng)噴霧形態(tài)隨噴油壓力增大的演變過程圖像。由圖像可知,隨著噴油壓力增大,噴孔內(nèi)先后出現(xiàn)單相流、初生空化、云空化、超空化和空氣倒吸等多種空化流態(tài)。同時(shí),空化為一種準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)流動,即使噴油壓力工況穩(wěn)定,空化流動仍然具有強(qiáng)烈的瞬態(tài)特性。圖3給出的圖片序列代表了該工況下出現(xiàn)頻率最高的空化流態(tài),也被稱為典型流態(tài)。空化數(shù)K的定義為

(a)kf=0(1號噴孔)

(2)

式中:P1表示噴油壓力;P2表示噴射背壓;Psat表示燃油飽和蒸氣壓。

從空化數(shù)K的定義可發(fā)現(xiàn),壓力差(P1-Psat)和(P1-P2)可分別被看作是空化潰滅的和空化發(fā)展的驅(qū)動力,因而空化數(shù)K權(quán)衡了空化的發(fā)展與潰滅過程,表征了空化的存活能力。本研究中定義各空化流態(tài)發(fā)生時(shí)對應(yīng)的空化數(shù)為該流態(tài)的臨界空化數(shù)Kcrit,Kcrit反映了該流態(tài)形成的難易程度。例如:當(dāng)空化數(shù)K等于或小于初生臨界空化數(shù)Kcrit時(shí),空化現(xiàn)象產(chǎn)生;當(dāng)K大于Kcrit時(shí),空化現(xiàn)象不會發(fā)生。

對比圖3中3種不同錐度噴孔內(nèi)燃油空化流動圖像可發(fā)現(xiàn):當(dāng)噴射壓力為0.48 MPa時(shí),3號圓錐形噴孔內(nèi)部燃油流動呈現(xiàn)初生空化流態(tài);1號圓柱形噴孔內(nèi)的空化區(qū)域已延伸至約4/5孔長,空化流動強(qiáng)烈。根據(jù)圖4給出的各流態(tài)臨界空化數(shù)可以得出,3號圓錐形噴孔內(nèi)空化初生、云空化、超空化等流態(tài)的臨界空化數(shù)較1號圓柱形噴孔和2號圓錐形噴孔均更小,且在相近工況下,相比于1和2號噴孔,3號噴孔下游的噴霧表面較為平滑、噴霧錐角最小,射流破碎質(zhì)量最差;1號噴孔的射流破碎質(zhì)量最佳。產(chǎn)生上述結(jié)果的主要原因在于3號噴孔呈漸縮錐形,當(dāng)燃油流入3號噴孔時(shí)難以與孔壁分離形成低壓回流區(qū)。

圖4 不同錐度噴孔內(nèi)空化流態(tài)對應(yīng)的臨界空化數(shù)

結(jié)合圖5給出的漸縮錐形和圓柱形噴孔內(nèi)部燃油流動速度分布特性可知:漸縮錐形噴孔中心線處的燃油速度最大,而兩側(cè)的燃油速度逐步減小,因此圓錐形噴孔內(nèi)的空化初生和發(fā)展條件更加苛刻,如圖5(a)所示;圓柱形噴孔內(nèi)部燃油的流動速度分布更加均勻,且當(dāng)燃油從噴孔上游大截面區(qū)流入噴孔時(shí),由于流動方向的驟然改變,燃油在近噴孔入口處發(fā)生分離,形成回流低壓區(qū),因而有利于空化現(xiàn)象的產(chǎn)生和發(fā)展,如圖5(b)所示。此外,圖3中1號圓柱形噴孔和2號小錐度噴孔下游的噴霧周圍存在明顯的液絲和液滴,但3號大錐度噴孔的噴霧表面幾乎沒有破碎液絲,這表明圓柱形和小錐度噴孔噴霧的破碎更快、更強(qiáng),霧化質(zhì)量更高。這主要是由于噴孔內(nèi)強(qiáng)空化流動對下游噴霧的破碎與霧化過程具有促進(jìn)作用[26],空化流動增強(qiáng)了噴孔出口附近燃油流動湍動能,加劇了射流不穩(wěn)定性,有利于射流破碎與液滴霧化。所以,隨著噴孔錐度的增大,噴霧質(zhì)量逐步變差。

(a)漸縮錐形噴孔內(nèi)部燃油流動速度分布特征

2.2 不同錐度噴孔內(nèi)超空化流態(tài)特性

圖6給出了3個(gè)不同漸縮錐度噴孔內(nèi)超空化流態(tài)的形成特性。超空化流態(tài)下,噴孔內(nèi)空化充分發(fā)展,空化區(qū)域沿孔壁延伸直噴孔出口。圖6中的黑色、紅色和藍(lán)色曲線分別表示了錐度分別為0、1和2的1、2和3號噴孔,實(shí)線表示該工況下噴孔內(nèi)超空化流態(tài)的持續(xù)時(shí)間fs占統(tǒng)計(jì)圖像總時(shí)間ft的比重f,虛線表示此工況下超空化流態(tài)出現(xiàn)頻率的相對增長率f′,定義如下

圖6 噴孔內(nèi)超空化現(xiàn)象出現(xiàn)的概率及其相對增長率

(3)

(4)

根據(jù)圖6橫坐標(biāo)和曲線位置知,表征3號噴孔的藍(lán)色曲線位于最右側(cè)的高噴油壓力區(qū),而表征1號噴孔的黑色曲線位于最左側(cè)的低噴油壓力區(qū)。因此,3號噴孔內(nèi)超空化流態(tài)的臨界壓力最大,最難形成超空化流態(tài)。1號噴孔內(nèi)的流動最早發(fā)展為超空化流態(tài),這主要是由于1號噴孔呈圓柱形,而3號噴孔為kf等于2的大錐度噴孔。由圖6中的數(shù)據(jù)還可知,超空化流態(tài)具有瞬態(tài)特性,并且超空化流態(tài)的形成存在一個(gè)過程。但是,隨著噴射壓力增大,超空化流態(tài)的出現(xiàn)頻率逐漸增大(在水力回流流態(tài)出現(xiàn)前),且在某噴射壓力工況下超空化現(xiàn)象的出現(xiàn)頻率大幅增加。這里定義f′峰值對應(yīng)的噴射壓力為超空化臨界噴射壓力,因此1號圓柱形噴孔、2和3號圓錐形噴孔的臨界超空化噴射壓力分別約為0.58、0.64和1.0 MPa,即3號噴孔的臨界超空化噴油壓力遠(yuǎn)大于1和2號噴孔的噴油壓力。所以,可以預(yù)測到若繼續(xù)增大噴孔的錐度,則孔內(nèi)超空化流態(tài)的臨界噴射壓力會增加得更快,這意味著錐度較大的噴孔內(nèi)難以形成超空化現(xiàn)象。

2.3 不同錐度噴孔內(nèi)的空氣倒吸現(xiàn)象特性

與超空化流態(tài)相似,空氣倒吸現(xiàn)象也具有瞬態(tài)性。本文所述空氣倒吸現(xiàn)象指空化初生后隨著噴射壓力增大,噴孔出口附近空氣在逆壓效應(yīng)下倒流入噴孔并與噴孔內(nèi)空化流相互作用而形成的一種特殊的空化現(xiàn)象。圖7給出了1號圓柱形噴孔和2號圓錐噴孔空氣倒吸現(xiàn)象發(fā)生特性。由試驗(yàn)結(jié)果知:1號圓柱形噴孔內(nèi)的空氣倒吸流態(tài)臨界噴射壓力較2號圓錐形噴孔小;與超空化流態(tài)類似,自空氣倒吸現(xiàn)象初生以來,隨著噴油壓力增大,1、2號噴孔內(nèi)空氣倒吸流態(tài)的發(fā)生頻率均逐漸增大,且發(fā)生頻率的相對增長率存在拐點(diǎn),該拐點(diǎn)對應(yīng)的空化數(shù)即為空氣倒吸現(xiàn)象的臨界空化數(shù),所以1號和2號噴孔內(nèi)空氣倒吸流態(tài)形成的臨界噴油壓力分別為0.48和0.57 MPa。對于3號圓錐形噴孔(kf=2),噴射壓力為0.8 MPa時(shí)首次清晰觀察到噴孔出口附近的倒吸空氣現(xiàn)象,出現(xiàn)頻率約為11%。但是,由于當(dāng)噴射壓力高于0.8 MPa時(shí),試驗(yàn)臺工作于高壓模式,壓力調(diào)節(jié)精度為0.1 MPa,而且當(dāng)噴油壓力增加至1.0 MPa時(shí),噴孔內(nèi)已發(fā)展為超空化流態(tài),因此可以判定3號噴孔內(nèi)空氣倒吸現(xiàn)象的臨界噴油壓力在0.8～1.0 MPa之間。綜上可知,隨著噴孔錐度系數(shù)逐漸增大,噴孔內(nèi)空氣倒吸現(xiàn)象發(fā)生的難度也逐漸增加。

圖7 噴孔內(nèi)空氣倒吸現(xiàn)象出現(xiàn)的概率及其相對增長率

2.4 燃油溫度對空化流動及噴霧特性的影響

在高壓燃油泵、共軌管、噴油器以及缸內(nèi)高溫環(huán)境的共同作用下,燃油高壓噴射噴油器內(nèi)部空化流動具有強(qiáng)烈的熱效應(yīng)。為了探明溫度效應(yīng)對燃油流動和噴霧霧化特性的影響,本小節(jié)基于表1中描述的方案3、4和5探討燃油溫度對3號漸縮錐度噴嘴(kf=2)內(nèi)部燃油流動及噴霧特性的影響。

圖8和圖9給出了288、303和323 K溫度下,3號噴孔內(nèi)各流態(tài)臨界空化數(shù)、空化流動及射流噴霧形態(tài)圖像。當(dāng)空化數(shù)大于初生臨界空化數(shù)時(shí),噴孔內(nèi)呈現(xiàn)單相流,隨著噴油壓力增大,空化數(shù)逐漸減小,直至達(dá)到臨界初生空化數(shù),噴孔內(nèi)部流動發(fā)展為氣液兩相流。隨著燃油溫度升高(288、303和323 K),噴孔內(nèi)空化初生臨界噴射壓力逐漸降低,分別為0.48、0.44和0.40 MPa,即對應(yīng)的臨界空化數(shù)逐漸增大(1.26、1.29和1.33)。同理,隨著燃油溫度增高,云空化、線空化及超空化等流態(tài)的臨界空化數(shù)亦增大。所以,燃油溫度越高,噴嘴內(nèi)部越容易誘導(dǎo)產(chǎn)生空化現(xiàn)象。這主要是由于溫度升高,燃油黏度減小且飽和蒸汽壓增大。同時(shí),不同燃油溫度工況下,噴嘴內(nèi)部空化流動流態(tài)演變規(guī)律相似,但升高燃油溫度可加速云空化、線空化及超空化等流態(tài)的產(chǎn)生。噴孔內(nèi)空化現(xiàn)象可增加噴孔出口燃油射流湍動能,促進(jìn)射流破碎,因而提高燃油溫度有益于燃油噴霧霧化。

圖8 不同燃油溫度下3號噴孔內(nèi)空化流態(tài)的臨界空化數(shù)

(a)T=303 K

此外,本文發(fā)現(xiàn)云空化脫落現(xiàn)象在空化發(fā)展過程中的某工況范圍內(nèi)持續(xù)發(fā)生,圖10給出了不同燃油溫度下3號噴孔及不同錐度系數(shù)噴孔內(nèi)部的云空化脫落工況范圍。由圖可知,噴孔內(nèi)云空化脫落現(xiàn)象強(qiáng)烈依賴于燃油溫度和噴孔結(jié)構(gòu)等因素。一方面,云空化脫落時(shí)的空化數(shù)隨燃油溫度升高或噴孔漸縮錐度系數(shù)減小而增大(即噴油壓力減小);另一方面,對于不同噴孔結(jié)構(gòu)或燃油溫度,發(fā)生云空化脫落現(xiàn)象的工況跨度不同,這可能是因?yàn)椴煌瑖娍谆蛉加蜏囟认?噴孔內(nèi)部流動的流態(tài)轉(zhuǎn)捩速率不同,導(dǎo)致噴孔內(nèi)各流態(tài)產(chǎn)生工況范圍占比有所改變,具體原因有待進(jìn)一步研究確定。

圖10 不同工況下孔內(nèi)云空化脫落現(xiàn)象的發(fā)生范圍

圖11給出了0.52 MPa噴油壓力(空化數(shù)為1.24)、323 K燃油溫度下,3號噴孔內(nèi)20個(gè)連續(xù)隨機(jī)云空化脫落循環(huán)過程中空化區(qū)域的長度變化。圖中,采用3號噴孔內(nèi)主空化區(qū)域長度與噴孔長度比值(無量綱數(shù)值)來表示空化區(qū)的長度特征,且選取主空化區(qū)域長度最短時(shí)刻作為云空化脫落循環(huán)的起點(diǎn)。因此,一個(gè)云空化脫落周期過程可被描述為:在空化云團(tuán)分離前,主空化存在短暫的穩(wěn)定發(fā)展過程,空化區(qū)域的長度呈現(xiàn)出緩慢增長的趨勢;隨后,一部分空化云團(tuán)從主空化區(qū)剝離且隨著主流向下游運(yùn)動,同時(shí)主空化區(qū)域的長度依然在不斷發(fā)展;最終,脫落的云空化在下游高壓區(qū)潰滅,且主空化區(qū)域的長度驟然減小至與脫落之前穩(wěn)定的主空化區(qū)域長度相當(dāng)。綜合根據(jù)圖中的曲線變化規(guī)律可以發(fā)現(xiàn),0.52 MPa噴油壓力、323 K燃油溫度下云空化的脫落周期位于200～300 μs之間。

圖11 3號噴孔內(nèi)20個(gè)空化脫落循環(huán)中空化區(qū)域的長度變化

為了詳細(xì)分析噴孔內(nèi)云空化脫落準(zhǔn)周期特性,圖12給出了燃油溫度323 K、噴射壓力0.52 MPa工況下,3號噴孔內(nèi)兩個(gè)典型的空化脫落循環(huán)過程(I和II)。針對循環(huán)I:在t0+50 μs時(shí)刻觀察到大空化云團(tuán)開始從主片空化區(qū)頭部分離,隨后剝離出的空化云團(tuán)隨主流向噴孔出口方向移動,最終在下游高壓區(qū)發(fā)生破碎、潰滅(見t0+100 μs～t0+200 μs時(shí)段的結(jié)果);空化云團(tuán)脫落、潰滅過程中,主片空化區(qū)不斷發(fā)展孕育著新的不穩(wěn)定空化團(tuán),所以在t0+300 μs時(shí)刻再次出現(xiàn)空化云團(tuán)從主空化區(qū)脫落的現(xiàn)象。同樣地,在循環(huán)II中,t0和t0+300 μs時(shí)刻出現(xiàn)了兩次空化云團(tuán)脫落現(xiàn)象。t0時(shí)刻空化云團(tuán)脫落后隨主流向噴孔下游移動,且空化云團(tuán)在移動過程中發(fā)生潰滅,最終消失。同時(shí),t0+300 μs時(shí)刻新空化云團(tuán)與主空化區(qū)發(fā)生分離。空化云團(tuán)的脫落潰滅一方面增強(qiáng)了噴孔內(nèi)流動的不穩(wěn)定性,加劇了噴孔出口附近的流動擾動,有益于射流噴霧破碎霧化。另一方面,云團(tuán)潰滅產(chǎn)生強(qiáng)烈的微射流和沖擊波,高速微射流和高壓沖擊波周期性侵蝕孔壁是噴孔空蝕的主要原因。

圖12 3號噴孔內(nèi)的周期性空化脫落現(xiàn)象

3 結(jié) 論

(1)隨著噴油壓力增加,噴孔內(nèi)部流動將從單相流先后轉(zhuǎn)捩為空化初生、云空化、線空化、空氣倒吸和超空化等流態(tài)。升高燃油溫度和減小噴孔錐度更易于空化初生、流態(tài)轉(zhuǎn)捩和射流破碎霧化。

(2)噴孔內(nèi)部的空化流動具有顯著的瞬態(tài)不穩(wěn)定性,且云空化脫落呈準(zhǔn)周期性。云空化脫落、潰滅產(chǎn)生的高頻微射流和沖擊波周期性作用于孔壁,這是導(dǎo)致噴孔空蝕的主要原因。

(3)空化現(xiàn)象是影響射流霧化最為關(guān)鍵的機(jī)制之一?？栈l(fā)展及潰滅過程加劇了燃油射流的不穩(wěn)定性,有益于噴霧錐角增加,優(yōu)化霧化的質(zhì)量。