柴油機(jī)噴油器內(nèi)部空化效應(yīng)的模擬研究

魏起森，楊鐵皂，杜 青

(1.河南科技大學(xué)車輛與動力工程學(xué)院，河南洛陽471003;2.天津大學(xué)內(nèi)燃機(jī)燃燒學(xué)國家重點(diǎn)實驗室，天津300072)

0 前言

近些年來，柴油機(jī)噴油器中的燃油噴射壓力越來越高，油嘴內(nèi)部流場的空化現(xiàn)象越發(fā)明顯，鑒于空化過程對噴油器出口處的柴油霧化有重要影響，柴油霧化質(zhì)量的好壞直接影響混合氣的燃燒與排放特性［1－2］。在環(huán)保意識日益增強(qiáng)的今天，研究噴油器內(nèi)部空化的產(chǎn)生、發(fā)展以及潰滅具有非常重要的現(xiàn)實意義。

一般而言，研究柴油機(jī)噴油器內(nèi)部燃油空化有2種方式:試驗研究和數(shù)值模擬分析研究。由于噴油器尺寸小，燃油流場的結(jié)構(gòu)復(fù)雜，不便于直接觀察空化產(chǎn)生的各個階段和相關(guān)參數(shù)測量，同時，計算流體動力學(xué)軟件(CFD)的快速發(fā)展，為研究柴油機(jī)噴油器內(nèi)部的空化現(xiàn)象提供了便利，所以數(shù)值模擬分析在研究柴油機(jī)噴油器空化方面處于優(yōu)先地位。目前，噴油器空化的數(shù)值模擬研究主要用如下3種方法［3］:(1)均相流法，把氣液兩相混合流看做均勻單一的流體，它不能反映氣液兩相間的相互作用;(2)VOF自由表面法，能很好的模擬氣液相之間的關(guān)系，但需要大量的網(wǎng)格計算，費(fèi)時;(3)歐拉多流體法，分別建立氣液相方程，并通過源相來考慮兩相間的質(zhì)量、動量耦合作用。與前兩種方法相比，歐拉多流體法既能比較準(zhǔn)確的反映實際流場的更多細(xì)節(jié)，同時它的網(wǎng)格數(shù)目又不是太多，計算量比VOF自由表面法小。目前的研究主要針對針閥不運(yùn)動時的情況，對針閥運(yùn)動時噴油器內(nèi)部空化效應(yīng)的研究較少，本文采用歐拉多流體法來模擬分析針閥動態(tài)條件下進(jìn)口壓力瞬變所對應(yīng)的空化過程和流動特性。

1 數(shù)學(xué)模型

1.1 質(zhì)量、動量守恒方程

噴油器噴孔內(nèi)存在空化現(xiàn)象，孔內(nèi)流場由柴油和蒸汽組成，采用歐拉多流體法，認(rèn)為兩相均為連續(xù)相，對每一相分別建立控制方程并求解。

連續(xù)性方程:

式中，αk為某相的體積分?jǐn)?shù);ρk為某相密度;vk為某相速度;Γkl為相間質(zhì)量傳輸項;k=1表示氣相，k=2表示液相。

動量方程:

式中，τk為黏性剪切應(yīng)力;Ttk為雷諾應(yīng)力;g為重力系數(shù);Mlk為相間動量傳輸。以上兩式的氣液兩相的體積分?jǐn)?shù)滿足等式:

噴油器噴孔中的空化流一般假設(shè)是等溫的，不考慮能量方程，這主要是因為［4］:(Ⅰ)蒸汽相密度與液相密度差距巨大，由它們的比熱容可知:液相與氣相相互轉(zhuǎn)化過程消耗的熱量極小，忽略不計;(Ⅱ)噴油器噴孔內(nèi)氣液兩相流速很高(一般來說可達(dá)每秒幾百米)，噴孔又極短，它們在孔內(nèi)駐留的時間也很少，與噴油器壁面的熱交換可以忽略不計。

1.2 質(zhì)量、動量守恒方程中的相間傳輸

1.2.1 質(zhì)量傳輸

實際噴孔內(nèi)的氣液相間交界面處存在質(zhì)量與動量的交換，主要表現(xiàn)形式是氣泡的形成與湮滅，質(zhì)量交換表達(dá)如下［5］:

式中，下標(biāo)1、2分別表示氣相和液相;N為氣泡數(shù)密度;CR為經(jīng)驗系數(shù)，一般情況下CR=1;R為氣泡半徑為單位時間內(nèi)氣泡半徑的變化率。其中，氣泡數(shù)密度

N0為初始?xì)馀輸?shù)密度，一般取N0=1012;氣泡半徑

氣泡半徑變化率可由Rayleigh-Plesset方程［5］求出，式中，sign為符號函數(shù);K為液相湍動能;ρ為液相密度;△P為壓力差(與空化氣泡成長或22潰滅相關(guān)的有效張力);Psat為飽和蒸汽壓;CE為歐拉系數(shù)，其值取決于當(dāng)?shù)氐耐牧魉健?/p>

1.2.2 動量傳輸

噴孔內(nèi)氣泡在流動過程中受到阻力和湍流擴(kuò)散力，它們促使氣液相間進(jìn)行動量交換［5］，表達(dá)式如下:

式中，CTD為湍流擴(kuò)散系數(shù);CD為氣泡在液體中的運(yùn)動阻力系數(shù)，

1.3 湍流方程

噴油器噴孔內(nèi)柴油以湍流為主，流動狀態(tài)時時不同，因此，湍流模型要盡可能建的準(zhǔn)確、符合實際，這樣模擬噴孔內(nèi)柴油流動才更可信。由穩(wěn)定性和計算精度要求湍流模型采用k-ε雙方程法，分別作用氣相和液相。

湍動能k的輸運(yùn)方程［5］:

式中，Cμ為方程封閉系數(shù);σk為湍動能的prandtl數(shù);Pk為湍流生成項。

湍流耗散率ε的輸運(yùn)方程［5］:

式中，Cε、Cε1、Cε2為方程封閉系數(shù)。

2 計算模型與數(shù)值求解

幾何模型采用對稱的6噴孔SAC型噴油器，噴孔沿噴油器呈軸對稱分布，噴孔入口圓角半徑r=0，噴孔直徑D=0.2 mm，噴孔長度L=0.8 mm，噴孔長徑比L/D=4，噴孔傾角α=72°。針閥升程h=0.01 mm時設(shè)為求解的初始時刻，噴油器針閥從開啟到關(guān)閉歷時2 ms，針閥最大升程為0.25 mm。其中，上游噴油壓力設(shè)定為150 MPa，噴油器出口背壓設(shè)置為5 MPa。

為了較少計算時間，在不影響計算準(zhǔn)確度的前提下，網(wǎng)格采用部分模型，在空化現(xiàn)象重點(diǎn)區(qū)域?qū)W(wǎng)格進(jìn)行了細(xì)化加密，網(wǎng)格單元總數(shù)為114 000個。

數(shù)值求解由計算流體力學(xué)(CFD)軟件AVL-Fire完成，模型進(jìn)、出口邊界采用壓力邊界條件，兩側(cè)面和噴孔的中心截面采用對稱邊界條件，貼近壁面處采用標(biāo)準(zhǔn)的壁面函數(shù)處理［6］，有限體積法離散控制方程，二階中心差分和一階迎風(fēng)差分相混合的方式離散動量方程，混合因子0.5;二階中心差分格式離散連續(xù)性方程，對于其他方程使用一階迎風(fēng)差分格式離散［7］。方程組的求解采用求解壓力耦合方程組的半隱式算法(SIMPLE)［8－9］。

3 計算結(jié)果與分析

本文基于實際情況對噴油器針閥高速運(yùn)動時噴孔內(nèi)高速流動的柴油空化情況進(jìn)行了模擬。從模擬結(jié)果中可以較直觀的得到針閥上升的各個時刻噴孔內(nèi)的空化現(xiàn)象，氣泡分布以及氣液兩相流的速度分布等，與試驗相比更能突出孔內(nèi)兩相流混合流場的細(xì)節(jié)特征，便于研究者深入的研究。

針閥開啟后噴油器內(nèi)燃油流動在極短的時間內(nèi)經(jīng)歷了單相流、開始空化、部分空化、超空化等流動狀態(tài)，如圖1所示。在上游壓力一定的前提下，在針閥剛剛升起的一段時間內(nèi)，針閥與座圈之間的空間有限，節(jié)流效果顯著，柴油的動量損失很大，因此噴油器入口處柴油流速不是很高(約150 m/s)，此時噴油器內(nèi)部是單一的柴油液體，沒有空泡產(chǎn)生，如圖1a所示。隨著針閥繼續(xù)提升，針閥與座圈之間的空間變大，節(jié)流現(xiàn)象逐漸變?nèi)?，柴油的動量損失減少，流速增大。隨著流速增加，當(dāng)?shù)匾毫鲏毫Ρ囟p小，當(dāng)液流壓力低于飽和蒸汽壓力時，發(fā)生空化，如圖1b所示。氣泡首先發(fā)生在噴油器入口的“縮脈”處［10］，當(dāng)?shù)亓魉偌眲≡黾?，壓力急劇降低，空化氣泡在此形成。針閥在上升到最大升程的過程中，噴油器內(nèi)的柴油流速越來越高，空化隨著流速的提升沿著噴孔軸向發(fā)展形成部分空化，如圖1c所示。此時噴孔出口仍是液體柴油，沒有氣泡。在針閥到達(dá)最大升程前，柴油流速繼續(xù)升高，空化現(xiàn)象沿著噴孔軸向繼續(xù)發(fā)展，直到貫穿整個噴油器，形成超空化現(xiàn)象，如圖1d所示，此時噴孔出口已有氣泡，形成氣液兩相流。與單相流相比，超空化流更有利于液體出流截面附近的破碎、對柴油的霧化有很大影響。但是瞬態(tài)條件下，針閥往復(fù)運(yùn)動，引起進(jìn)口壓力急劇波動，對部分空化、超空化有很大影響，具體到出流截面，不同時刻氣液兩相比例各個不同。

圖2顯示噴孔內(nèi)極短時間內(nèi)經(jīng)歷4個階段的速度分布云圖，從圖2中可以看出:速度巨變主要發(fā)生在噴孔入口處。由于銳邊入口(r/D=0)液體由壓力室流向噴孔，方向改變很大，流速變化劇烈，在拐角處形成很小的渦流區(qū)。渦流區(qū)內(nèi)壓力很低，空化現(xiàn)象首先在此發(fā)生。在針閥初升起階段，噴孔內(nèi)液體整體流速不高，速度梯度不大，隨著針閥的提升，液體流速逐漸加快，但是，噴孔內(nèi)的速度變化更不均勻，速度梯度更大，特別是空化現(xiàn)象發(fā)生后，速度變化的不均勻性進(jìn)一步加劇，噴孔的有效流動截面積變小，主要是因為噴孔入口處液體的流通面積不同及針閥高速運(yùn)動的影響。另外，由噴孔出口處截面云圖可知:截面中上部空化區(qū)域出流速度較低，中心及下部純液體區(qū)流速較高。

圖1 噴孔內(nèi)及噴孔出口處液相體積分?jǐn)?shù)分布

圖2 噴孔內(nèi)及噴孔出口處液體速度分布

4 結(jié)論

(1)CFD軟件可以方便地模擬試驗中難以觀察到的瞬態(tài)情況下噴油器內(nèi)部的燃油流場分布，對研究噴孔內(nèi)的燃油空化規(guī)律有一定意義，結(jié)果還可以作為研究燃油缸內(nèi)霧化的邊界條件。

(2)針閥升程對噴孔進(jìn)口燃油速度有重大影響。由于節(jié)流效應(yīng)，針閥升程不大時，進(jìn)入噴孔的燃油動量損失比較嚴(yán)重，速度較低，沒有空化現(xiàn)象發(fā)生。針閥提升后，節(jié)流效應(yīng)減小，噴孔中燃油流速升高，出現(xiàn)空化現(xiàn)象。另外，噴孔入口拐角處有一低壓渦流區(qū)，空化往往在此發(fā)生。

(3)瞬態(tài)條件下針閥高速運(yùn)動對噴孔中的空化現(xiàn)象有重大影響。噴孔進(jìn)口附近由于針閥往復(fù)運(yùn)動引起的節(jié)流現(xiàn)象與進(jìn)口壓力的波動，導(dǎo)致噴孔中空化效應(yīng)也隨之變化，出現(xiàn)部分空化發(fā)展成超空化現(xiàn)象。

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