高壓共軌燃油噴射霧化特性的數(shù)值預(yù)報(bào)

(中南大學(xué) 能源科學(xué)與工程學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙，410083)

在柴油機(jī)缸內(nèi)燃燒過(guò)程中，燃油噴霧貫穿距和錐角將影響到燃燒室的設(shè)計(jì)和形狀，涉及柴油機(jī)效率與壽命。缸內(nèi)燃燒程度直接關(guān)系柴油機(jī)的動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性和排放性能[1?2]，而燃燒過(guò)程的諸多影響因素中，燃油的噴射霧化質(zhì)量是獲得高燃?空混合速率和混合質(zhì)量的核心和關(guān)鍵[3?5]。所以，研究噴霧特性的影響因素和變化規(guī)律，對(duì)于優(yōu)化燃燒系統(tǒng)從而提高電控柴油機(jī)的性能至關(guān)重要[4?6]。目前，關(guān)于燃油霧化特性的研究主要是在中低壓(20 MPa以下)噴射前提下開(kāi)展的，但高壓共軌柴油機(jī)的噴射壓力達(dá)到200 MPa左右，對(duì)其噴霧特性的研究還相當(dāng)缺乏。因此，本文作者采用CFD數(shù)值模擬技術(shù)建立燃油高壓噴射霧化模型，并借助先進(jìn)的高速攝影噴霧可視化試驗(yàn)[7?9]分析手段對(duì)高壓噴霧特性進(jìn)行研究，檢驗(yàn)數(shù)學(xué)模型的合理性，進(jìn)而對(duì)高壓共軌燃油霧化特性進(jìn)行數(shù)值預(yù)報(bào)。

1 物理參數(shù)與幾何模型

為了使燃油噴霧場(chǎng)更直觀和便于檢測(cè)，采用單孔噴油器和定容室進(jìn)行霧化特性研究。噴油系統(tǒng)物理參數(shù)如下：噴油器為單孔，孔徑為0.25 mm；定容模擬氣缸內(nèi)徑為75 mm，長(zhǎng)為150 mm；試驗(yàn)溫度為40 ℃；燃油為 0號(hào)輕柴油；黏度為 2.5 mm2/s；密度為 845 kg/m3；表面張力系數(shù)為0.031 N/m。

由于圓柱形氣缸為幾何對(duì)稱(chēng)結(jié)構(gòu)，因此，采用二維及四邊形網(wǎng)格進(jìn)行建模。在噴霧過(guò)程中，噴射時(shí)間很短及噴油器的孔徑較小，因而，需要對(duì)網(wǎng)格細(xì)化分。本文對(duì)定容室中的關(guān)鍵部位進(jìn)行了局部加密處理，總網(wǎng)格數(shù)為22 500個(gè)。連續(xù)相為定壁溫邊界條件，壁溫為313 K，離散項(xiàng)邊界條件為reflect條件[10]。

2 數(shù)學(xué)模型

高壓共軌燃油噴射霧化特性主要涉及到氣液之間的相互耦合作用，因此，選用耦合求解器和 PISO算法[11?12]，同時(shí)采用標(biāo)準(zhǔn)k?ε湍流模型[13?14]進(jìn)行模擬。噴霧模型采用 DPM模型中的平口霧化模型，顆粒尺寸分布采用liner分布[15]，并且視為不可壓縮流體。對(duì)于高壓燃油噴射霧化，當(dāng)韋伯?dāng)?shù)We＞100時(shí)，WAVE破碎模型的適應(yīng)性更好[14]。

在WAVE模型中，破碎時(shí)間及破碎后液滴的尺寸與快速增長(zhǎng)的 Kelvin-Helmholtz不穩(wěn)定表面波有關(guān)[12]。通過(guò)數(shù)值方法的擬合，Reitz[13]計(jì)算出了最不穩(wěn)定波最大增長(zhǎng)率?和相應(yīng)的波長(zhǎng)λ：

其中：Oh為昂賽格數(shù)；Ta為泰勒數(shù)。表達(dá)式如下：

式中：a為射流油束中大液滴的半徑；We1和We2分別為液體與氣體的韋伯?dāng)?shù)。

其次，破碎后小液滴的半徑r可通過(guò)下式計(jì)算：

其中：模型常數(shù)B0=0.61；而大液滴在破碎后的半徑變化率為：

式中：τ為破碎時(shí)間，由下式計(jì)算可得。

式中：B1為破碎時(shí)間常數(shù)，取值范圍為1～60[14]。破碎時(shí)間常數(shù)與初始射流的湍流程度相關(guān)聯(lián)，并且對(duì)不同的噴嘴其取值不同，由于湍流度為4.5%，噴嘴直徑為0.25 mm，對(duì)照破碎時(shí)間常數(shù)的合適取值[16]，通過(guò)仿真結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果的比較，本文取1.73。

3 可視化實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

為檢驗(yàn)數(shù)值模擬結(jié)果的可靠性，作者構(gòu)建了相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。主要由GS?1000型高壓共軌燃油噴射試驗(yàn)臺(tái)、控制系統(tǒng)(ECU)、高速攝影圖像拍攝系統(tǒng)及定容壓力室 4部分構(gòu)成，試驗(yàn)裝置參見(jiàn)文獻(xiàn)[10]。實(shí)驗(yàn)過(guò)程是：向定容壓力室內(nèi)充注高壓空氣至試驗(yàn)設(shè)定的背壓要求，通過(guò)ECU控制高壓共軌系統(tǒng)的噴射壓力及噴油脈寬，噴油觸發(fā)的同時(shí)開(kāi)啟高速攝影對(duì)噴霧場(chǎng)進(jìn)行拍攝[7?8]。

利用C#語(yǔ)言基于灰度變換、濾波等原理[17]開(kāi)發(fā)了圖像分析軟件。先將 RGB圖像轉(zhuǎn)換成灰度圖像，選取合適的油束與背景相區(qū)分的閾值對(duì)灰度圖像進(jìn)行二值化，然后反色處理，并利用邊緣檢測(cè)、濾波以及哈弗變換對(duì)圖像進(jìn)行檢測(cè)。其長(zhǎng)度和角度的測(cè)量精度可分別達(dá)0.01 mm和0.1°，能滿足試驗(yàn)要求。

4 仿真結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果的對(duì)比

4.1 噴霧場(chǎng)數(shù)值模擬結(jié)果

以噴射壓力100 MPa，定容室背壓2 MPa為例對(duì)噴霧特性進(jìn)行模擬計(jì)算，通過(guò)設(shè)定 DPM 模型的相關(guān)參數(shù)，得到了1.5 ms噴射時(shí)間內(nèi)的噴霧粒子空間分布結(jié)果，如圖1所示。

4.2 噴霧實(shí)驗(yàn)結(jié)果

選取噴射壓力為100 MPa、定容室背壓為2 MPa工況下的噴霧場(chǎng)圖像作為對(duì)比對(duì)象，如圖2所示。

圖1 噴射壓力為100 MPa、背壓為2 MPa時(shí)的粒子空間分布圖Fig.1 Spatial distribution of particles at 100 MPa of injection pressure and 2 MPa of gas pressure in cylinder

圖2 噴射壓力為100 MPa、背壓為2 MPa工況下的噴霧場(chǎng)Fig.2 Spray velocity field at 100 MPa of injection pressure and 2 MPa of gas pressure in cylinder

4.3 結(jié)果對(duì)比及分析

運(yùn)用自行開(kāi)發(fā)的圖像分析軟件，對(duì)圖1和圖2所示的圖像進(jìn)行檢測(cè)并校核后，得到圖3所示的噴霧貫穿距和噴霧錐角的對(duì)比圖及相對(duì)誤差。

由圖3可知：計(jì)算得到的噴霧貫穿距、噴霧錐角隨時(shí)間的變化曲線與實(shí)驗(yàn)值在變化趨勢(shì)和變化幅度上是基本一致的，模擬值比實(shí)驗(yàn)值略大，噴霧貫穿距平均相對(duì)誤差為 6.79%；噴霧錐角平均相對(duì)誤差為9.25%?？紤]到觀測(cè)的霧矩界面不是太清晰，而且采用圖像識(shí)別時(shí)會(huì)丟失霧矩邊緣的稀疏小液滴區(qū)，因而，實(shí)際霧矩長(zhǎng)度和錘角應(yīng)當(dāng)比測(cè)定結(jié)果大?？傮w來(lái)看，模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果較吻合，說(shuō)明本文所采用的模型是合理、可靠的。

4.4 噴霧貫穿距和噴霧錐角的數(shù)值預(yù)報(bào)

采用經(jīng)過(guò)檢驗(yàn)的數(shù)學(xué)模型，可進(jìn)一步就不同噴射壓力、背壓等參數(shù)對(duì)燃油噴射霧化特性的影響規(guī)律進(jìn)行數(shù)值研究，以預(yù)報(bào)在實(shí)驗(yàn)難以達(dá)到的參數(shù)條件下的噴霧特性，結(jié)果如圖4和圖5所示。

圖3 噴霧貫穿距、噴霧錐角試驗(yàn)值與仿真值對(duì)比Fig.3 Spray penetration and spray cone angle of experiment value compared with simulation

(1) 由圖 4可知：噴射壓力越大，噴霧貫穿距越大，噴霧錐角越?。淮送?，隨著噴霧時(shí)間的變化，在背壓氣體的作用下，在相同時(shí)間內(nèi)貫穿距離的增加量逐漸減少。其原因是噴射壓力越大，柴油從噴油器噴出的初速度較大，具有較大的動(dòng)能，因而在相同的時(shí)間內(nèi)貫穿距離就越遠(yuǎn)；但同時(shí)由于空氣阻力的存在，霧矩中液滴的速度越來(lái)越低，因而，對(duì)于同一種噴射壓力，在相同的時(shí)間內(nèi)貫穿的距離就越來(lái)越短，即貫穿距離曲線的斜率會(huì)逐漸降低。此外，由于在高噴射壓力下，噴霧場(chǎng)外圍顆粒并沒(méi)有獲得和低噴射壓力時(shí)相同的時(shí)間來(lái)發(fā)生霧化，液滴速度逐漸減小，氣液耦合作用降低，所以，高噴射壓力時(shí)霧化錐角較小。

(2) 由圖5可知：背壓越大時(shí)，噴霧貫穿距越小，噴霧錐角越大。背壓越大表示定容室內(nèi)氣體密度越大，單位空間內(nèi)的氣體分子增加，氣體和液滴之間的碰撞概率越大，因而會(huì)造成柴油粒子速度降低得越快，貫穿距變小。在100 MPa的噴射壓力下，4 MPa的背壓對(duì)貫穿距特性而言是一個(gè)明顯的“分界點(diǎn)”，當(dāng)噴射壓力提高時(shí)，這個(gè)“分界點(diǎn)”的數(shù)值也隨之增大。另一方面，當(dāng)背壓增大時(shí)，空氣密度的增加使得噴霧所受阻力增大，噴霧卷吸霧滴場(chǎng)的空氣量增多，進(jìn)一步加大了流束邊界層的擴(kuò)展，尤其是噴霧遠(yuǎn)場(chǎng)呈現(xiàn)更加顯著的發(fā)散狀，所以，錐角隨著背壓的增大而增大，但不是呈線性關(guān)系。相對(duì)于較低的背壓1 MPa和2 MPa，噴霧錐角明顯變小，其原因在于單位空間內(nèi)氣體分子數(shù)相對(duì)較少，柴油粒子和氣體分子之間碰撞程度減弱，呈現(xiàn)出液滴速度降低較少，錐角變化較大的現(xiàn)象。

(3) 由圖4和5可看出：對(duì)于某一固定的噴射壓力和背壓條件，隨著噴射時(shí)間的增加，單位時(shí)間內(nèi)貫穿距離和噴霧錐角的增加幅度都呈逐漸減小的趨勢(shì)。

圖4 不同噴射壓力條件下的噴霧貫穿距、噴霧錐角隨噴射時(shí)間的變化(背壓為4 MPa)Fig.4 Spray penetration and spray cone angle at different injection pressures

圖5 不同背壓條件下的噴霧貫穿距、噴霧錐角隨噴射時(shí)間的變化(噴射壓力為100 MPa)Fig.5 Spray penetration and spray cone angle at different gas pressures in cylinder

4.5 實(shí)驗(yàn)工況與數(shù)值模擬下噴霧貫穿距和噴霧錐角的相對(duì)誤差

鑒于實(shí)驗(yàn)條件和安全因素的考慮，本文沒(méi)有進(jìn)行6 MPa和8 MPa背壓下的噴霧實(shí)驗(yàn)。將典型工況不同背壓下的貫穿距和錐角相對(duì)誤差進(jìn)行分析，結(jié)果如表1所示。

由表1可知：在不同的背壓下，貫穿距和錐角的相對(duì)誤差均隨著噴射時(shí)間的延長(zhǎng)而增大，隨著背壓的增加，兩者的相對(duì)誤差均表現(xiàn)出減小的趨勢(shì)。原因是當(dāng)背壓增大時(shí)，氣動(dòng)作用和剪切力促使邊界層的擾動(dòng)增強(qiáng)，霧矩截面受到的阻力增大，進(jìn)一步加大了油滴粒子與空氣的相互作用，從而使得噴霧邊緣界面更加清晰，邊界面處稀疏的小液滴區(qū)域丟失現(xiàn)象下降，從而提高了測(cè)量的精度。其次，兩者的相對(duì)誤差均定義為模擬值與實(shí)驗(yàn)值的差值除以實(shí)驗(yàn)值，實(shí)驗(yàn)值的偏小造成了整體平均相對(duì)誤差偏大。

表1 100 MPa時(shí)同一噴射壓力下噴霧貫穿距和錐角的相對(duì)誤差Table 1 Numerical error for spray penetration and spray cone angle at 100 MPa of injection pressure

5 結(jié)論

(1) 利用FLUENT軟件，采用WAVE破碎及標(biāo)準(zhǔn)k?ε湍流模型可以有效地對(duì)單次噴射過(guò)程進(jìn)行數(shù)值模擬。

(2) 在背壓一定時(shí)，隨著噴射壓力的增加，噴霧宏觀特性表現(xiàn)為噴霧貫穿距逐漸增大，噴霧錐角逐漸減小，并且在相同時(shí)間內(nèi)兩者的增加幅度逐漸減小。

(3) 隨著背壓的增加，在同一噴射壓力下，實(shí)驗(yàn)工況與數(shù)值模擬下噴霧貫穿距和錐角的相對(duì)誤差均呈現(xiàn)逐漸減小的趨勢(shì)。

(4) 當(dāng)噴射壓力或者背壓一定時(shí)，隨著噴射時(shí)間的增加，噴霧貫穿距和噴霧錐角在單位時(shí)間內(nèi)增加的幅度均呈現(xiàn)逐漸減小的趨勢(shì)。

[1] 蔣德明. 內(nèi)燃機(jī)燃燒與排放學(xué)[M]. 西安: 西安交通大學(xué)出版社, 2001: 575?581.JANG De-ming. Combustion and emissions for engines[M].Xi’an: Xi’an Jiaotong University Press, 2001: 575?581.

[2] 史紹熙, 蘇萬(wàn)華. 內(nèi)燃機(jī)燃燒研究中的幾個(gè)前沿問(wèn)題[J]. 內(nèi)燃機(jī)學(xué)報(bào), 1990, 8(2): 95?105.SHI Shao-xi, SU Wang-hua. Some frontier issue in engine combustion [J]. Journal of Internal Combustion Engine, 1990,8(2): 95?105.

[3] 初論孔. 柴油機(jī)供油與霧化[M]. 大連: 大連理工大學(xué)出版社,1988: 358?365.CHU Lun-kong. Oil supply and atomization for engine[M].Dalian: Dalian University of Technology and Science Press,1988: 358?365.

[4] Hiroyasu H. and Arai. M. Fuel spray penetration and spray angle in diesel engines[J]. Transactions of JSAE, 1980, 21: 5?11.

[5] Hiroyasu H, Arai M. Structure of fuel sprays in diesel engines[J].SAE Technical Paper 900475, 1990.

[6] 高劍, 蔣德明. 柴油機(jī)噴霧特性的測(cè)試方法[J]. 柴油機(jī),2002(6): 4?12.GAO Jian, JANG De-ming. Test methods of spray characteristics for diesel[J]. Diesel Engines, 2002(6): 4?12.

[7] 王德忠, 黃震, 童澄教, 等. 應(yīng)用高速攝像技術(shù)研究柴油機(jī)的噴霧過(guò)程[J]. 上海交通大學(xué)學(xué)報(bào), 2000, 34(4): 453?457.WANG De-zhong, HUANG Zheng, TONG Cheng-jiao, et al.High-speed camera study spray process on diesel[J]. Journal of Shanghai Jiaotong University, 2000, 34(4): 453?457.

[8] 錢(qián)耀義, 李云清, 于秀敏, 等. 小型直噴射式柴油機(jī)噴霧特性的試驗(yàn)研究[J]. 內(nèi)燃機(jī)學(xué)報(bào), 2001, 19(2): 97?101.QIAN Yao-yi, LI Yun-qing, YU Xiu-min, et al. Study of spray characteristics on a small CIDI[J]. Journal of Internal Combustion Engine, 2001, 19(2): 97?101.

[9] 郭紅松, 蘇萬(wàn)華, 孫田. 利用 PLIEF技術(shù)研究超高壓燃油噴霧霧化和混合過(guò)程[J]. 燃燒科學(xué)與技術(shù), 2007, 13(6): 525?531.GUO Hong-song, SU Wang-hua, SUN Tian. PLIEF Technology study ultra-high pressure fuel spray atomization and mixing process[J]. Combustion Science and Technology, 2007, 13(6):525?531.

[10] 刑志海, 高壓共軌燃油噴射霧化特性數(shù)值模擬研究[D]. 長(zhǎng)沙:中南大學(xué)能源科學(xué)與工程學(xué)院, 2010: 40?41.XING Zhi-hai. Numerical simulation research on spray characteristics of fuel injection of high pressure common rail[D].Changsha: Central South University. School of Energy Science and Engineering, 2010: 40?41.

[11] 程文明, 傅文衛(wèi). 柴油機(jī)噴霧和燃燒過(guò)程的多維數(shù)值模擬計(jì)算研究[J]. 車(chē)用發(fā)動(dòng)機(jī), 2008, 176(2): 53?55.CHENG Wen-ming, FU Wei-wen. Multi-dimensional numerical simulation of Diesel spray and combustion process[J]. Vehicle Engines, 2008, 176(2): 53?55.

[12] Habchi C, Verhoeven D, Huynh H C, et al.Modeling atomization and breakup in high-pressure diesel sprays[J]. SAE Technical Paper 970881, 1997.

[13] Reitz R D. Modeling of atomization processes in high-pressure vaporizing sprays[J].Atomization and Spray Technology, 1987,3: 309?337.

[14] Liu A B, Mather D, Reitz R D. Modeling the effects of drop drag and breakup on fuel sprays[J]. SAE Technical Paper 930072,1993.

[15] Bianchi G M, Pelloni P. Modeling atomization of high-pressure diesel sprays[J]. ASME Journal of Engineering for Gas Turbine and Power, 2001, 123: 419?427.

[16] 王曉艷. 柴油機(jī)噴霧混合過(guò)程的模擬研究[D]. 南寧: 廣西大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院, 2005: 37?38.WANG Xiao-yan. Simulation of spray mixing process in diesel engine[D]. Nanning: Guangxi University. School of Mechanical Engineering, 2005: 37?38.

[17] 阮秋琦. 數(shù)字圖像處理學(xué)[M]. 北京: 電子工業(yè)出版社, 2007:402?431.RUAN Qiu-qi. Digital image processing[M]. Beijing: Electronic Industry Press, 2007: 402?431.