高溫高壓下燃油二次霧化特性的數(shù)值研究

李營，陸欣

（南京理工大學(xué)能源與動力工程學(xué)院，南京210094）

高溫高壓下燃油二次霧化特性的數(shù)值研究

李營，陸欣

（南京理工大學(xué)能源與動力工程學(xué)院，南京210094）

為了提高燃油燃燒效率，從而降低污染物的排放，基于CFD（Computational Fluid Dynamics）理論和DPM（Discrete Phase Model）方法，使用FLUENT軟件模擬了燃油的二次霧化過程，分析了燃油的霧化特性，模擬結(jié)果與相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)吻合較好；模擬了不同壓力、不同溫度時(shí)，燃油的二次霧化過程，獲得了燃油的噴霧形態(tài)和不同工況時(shí)的貫穿距及SMD（Sauter Mean Diameter）；分析了壓力、溫度對貫穿距和SMD的影響。

二次霧化CFDDPM貫穿距SMD

1 引言

由于車輛的大量生產(chǎn)和銷售，世界上擁有車輛的人越來越多，因此全球石油的供應(yīng)就出現(xiàn)了缺口，世界石油供不應(yīng)求推動油價(jià)持續(xù)走高。隨著汽車用油需求急劇上升，進(jìn)口原油逐年增加，中國的能源安全面臨著嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。同時(shí)，隨著汽車數(shù)量的越來越多，人們的環(huán)保和節(jié)能意識也越來越強(qiáng)，人們要求柴油機(jī)應(yīng)同時(shí)具有良好的動力性、經(jīng)濟(jì)性和低污染[1]。在柴油機(jī)中，燃油噴射、霧化及其與空氣的混合對燃燒過程和整機(jī)性能有重要影響，也是節(jié)能和凈化的關(guān)鍵。張先棹等人[2]的研究說明了燃油必須經(jīng)過霧化才能燃燒，霧化越好，液滴就越小，燃燒也就更完全，從而產(chǎn)生的污染物就越少。因此，研究燃油的霧化尤其是二次霧化對于柴油機(jī)而言是很有必要的。

針對霧化機(jī)理的研究，前人提出了各種假說[3]并建立了各種模型，如WAVE模型[4]、Rayleigh-Taylor（R-T）模型、TAB模型、ETAB模型[5]等。本文采用WAVE模型來研究燃油的二次霧化過程。在進(jìn)行研究時(shí)，使用FLUENT軟件中的DPM模型（離散型液滴模型）對燃油的噴霧過程進(jìn)行數(shù)值仿真，并將仿真結(jié)果與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)做了對比，進(jìn)而研究燃油噴射壓力不同以及容器內(nèi)溫度不同時(shí)的燃油霧化特性。

2 數(shù)學(xué)模型

柴油機(jī)燃燒室內(nèi)的流動是氣液二相流動問題。研究二相流動問題時(shí)，通常使用2種方法[6]，即：歐拉-歐拉方法和歐拉-拉格朗日法。前者又稱雙/多流體模型，一般均能使用；后者又稱顆粒軌道模型，即對連續(xù)相流體采用歐拉法求解，對離散相流體采用拉格朗日法求解。本文采用顆粒軌道模型（DPM）來模擬容器內(nèi)的燃油二次霧化過程。

容器內(nèi)的二相流動問題視為二維流動。計(jì)算時(shí)作了如下假設(shè)：（1）假設(shè)流動過程中，空氣及燃油的物性參數(shù)均不變；（2）假設(shè)流動過程中無化學(xué)反應(yīng)。流動過程中所使用的控制方程具體如下[7]。

（1）連續(xù)性方程（質(zhì)量守恒方程）

（2）能量守恒方程

式中，

I——比內(nèi)能（不包括化學(xué)反應(yīng)能）；

ε——湍流動能的耗散速率。

（3）標(biāo)準(zhǔn)k-ε雙方程模型

（4）索特平均直徑

3 計(jì)算結(jié)果及分析

在計(jì)算時(shí)，燃油霧化過程計(jì)算區(qū)域見圖1。圖中，計(jì)算區(qū)域尺寸為200×90(mm)，噴孔直徑d=0.4 mm。計(jì)算區(qū)域劃分為500×225個網(wǎng)格單元。在計(jì)算時(shí)，用FLUENT求解流動過程中的連續(xù)性方程、能量方程以及湍流方程等，同時(shí)結(jié)合索特平均直徑公式獲得不同工況下的油滴粒徑隨時(shí)間變化的關(guān)系曲線。湍流方程中涉及到的系數(shù)見表1。

3.1 實(shí)驗(yàn)條件下的模擬結(jié)果

圖1 燃油霧化過程計(jì)算區(qū)域

表1 標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型系數(shù)[8]

燃油霧化攝影實(shí)驗(yàn)在如圖2所示的模擬實(shí)驗(yàn)裝置上完成。噴油器向容器內(nèi)噴射燃油，同時(shí)在容器右側(cè)進(jìn)行高速攝影?？諝庠谌萜鲀?nèi)的狀態(tài)為常溫?zé)o渦流。容器的頂部中央裝設(shè)單孔噴油器，由柱塞泵供油。當(dāng)進(jìn)行噴射時(shí)，用高速攝影機(jī)拍攝噴霧的過程。

計(jì)算過程中的參數(shù)：容器內(nèi)的背壓為4 MPa，燃油初始噴油壓力為40 MPa，容器內(nèi)的空氣為常溫?zé)o渦流。在模擬過程中，只考慮燃油進(jìn)入容器后的霧化。圖3為模擬貫穿距l(xiāng)與實(shí)驗(yàn)結(jié)果[9]的對比。

由圖3可以看出，模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果吻合得較好，說明所建立的模型是正確的。在此基礎(chǔ)上，根據(jù)燃油實(shí)際噴射霧化過程，模擬了燃油在高溫高壓下的霧化過程。

圖2 實(shí)驗(yàn)裝置圖

3.2 高溫高壓時(shí)燃油霧化模擬結(jié)果及分析

圖3 貫穿距l(xiāng)模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果對比

當(dāng)壓力容器內(nèi)的溫度保持在400 K時(shí)，燃油噴射壓力分別為40 MPa、60 MPa和80 M Pa，并保持其他條件不變，對燃油噴入容器內(nèi)后的霧化進(jìn)行模擬。當(dāng)壓力容器內(nèi)的溫度為400 K，燃油噴射壓力為40 MPa時(shí)，燃油的部分霧化形態(tài)圖如圖4所示。在3種不同噴射壓力工況下，燃油的貫穿距l(xiāng)及油滴的索特平均直徑SMD對比結(jié)果如圖5、圖6所示。

圖4 燃油部分霧化形態(tài)圖

圖5 不同壓力下貫穿距隨時(shí)間的變化圖

圖6不同壓力下SMD隨時(shí)間的變化圖

圖5 顯示了各種壓力下貫穿距隨時(shí)間的變化情況。燃油的噴射壓力以20 MPa的間隔，從40 MPa變化到80 MPa。在背壓不變時(shí)，隨著噴射壓力的逐漸增大，噴嘴前后的壓力差也逐漸增大，從而使燃油噴出時(shí)的速度較大，則噴注在前進(jìn)時(shí)的速度也較大，其前進(jìn)距離也越大。由圖5可看出，噴射壓力增加33%時(shí)，貫穿距增加11%，噴射壓力增加50%時(shí)貫穿距增加9%。隨著噴射壓力的逐漸增大，油滴的平均直徑會逐漸減小，則單顆油粒的動量也會逐漸減小。因此，隨著噴射壓力的提高，貫穿距的增加幅度有減小的趨勢。圖5顯示了在各種壓力下SMD隨時(shí)間的變化情況。燃油噴射壓力增大時(shí)，燃油噴出時(shí)的速度也較大，燃油液滴間相互碰撞的劇烈程度增加，從而使得SMD減小。噴射壓力增加33%時(shí)，SMD減小11%；噴射壓力增加50%時(shí)，SMD減小6%。

當(dāng)燃油的噴射壓力為40 MPa，容器內(nèi)的溫度分別為400 K、500 K和600 K時(shí)，保持其他條件不變，對燃油噴入容器后的油霧進(jìn)行模擬。圖7、圖8顯示為這3種不同溫度工況下的燃油貫穿距l(xiāng)及SMD對比結(jié)果。

圖7 不同溫度下貫穿距隨時(shí)間的變化圖

圖8不同溫度下SMD隨時(shí)間的變化圖

圖7 顯示了容器內(nèi)溫度變化時(shí)貫穿距隨時(shí)間的變化情況?？芍?，隨著容器內(nèi)溫度的增加，貫穿距也增加。由理想氣體狀態(tài)方程可知，當(dāng)容器內(nèi)溫度增加時(shí)，容器內(nèi)氣體密度就會減小，從而使得容器內(nèi)氣體壓力減小，則燃油在噴嘴前后的壓力差增大，使得貫穿距增大。圖8顯示了SMD在3種溫度下隨時(shí)間的變化情況。從圖7中可以看出，當(dāng)容器內(nèi)溫度從400 K變化到600 K時(shí)，SMD變化很小，但整體趨勢是逐漸減小。這是因?yàn)槿萜鲀?nèi)溫度從400 K增加到600 K時(shí)，仍低于燃油沸點(diǎn)溫度（580 K～700 K），液滴表面上主要是液滴破碎，蒸發(fā)量很小。故3種情況下液滴尺寸雖然整體都減小了，但減小程度不大。由圖8可以看出，當(dāng)溫度增加20%時(shí)，SMD減小7%；當(dāng)溫度增加25%時(shí)，SMD減小5%。

4 結(jié)論

本文針對燃油的二次霧化建立了物理模型，利用數(shù)值計(jì)算方法研究了不同溫度、壓力下的燃油的二次霧化過程。通過分析和討論，得到了以下結(jié)論：

（1）隨著燃油噴射壓力的提高，噴嘴前后壓差增大，燃油噴出時(shí)的速度增大，從而燃油的貫穿距增大，SMD減小。噴射壓力增加33%時(shí)，貫穿距增加11%；噴射壓力增加50%時(shí)，貫穿距增加9%。這說明適當(dāng)?shù)卦龃髧娪蛪毫?，將使霧化效果變好；但是壓力增加到一定程度時(shí)，貫穿距的增加幅度減小。因此，單純的增加噴油壓力，并不能很大程度地改變霧化效果。

（2）燃油噴射壓力增大時(shí)，燃油噴出時(shí)的速度也較大，燃油液滴間相互碰撞的劇烈程度增加，從而使得SMD減小。噴射壓力增加33%時(shí)，SMD減小11%；噴射壓力增加50%時(shí)，SMD減小6%。因此，想要使霧化效果顯著變好，單一的提高噴射壓力是達(dá)不到目的的，還需要改變其他條件。

（3）容器內(nèi)溫度增加時(shí)，油滴貫穿距增大，SMD減小。溫度增加20%時(shí)，貫穿距增加12%，SMD減小7%；當(dāng)溫度增加25%時(shí)，貫穿距增加5%，SMD減小5%。因此，僅改變?nèi)萜鲀?nèi)氣體溫度，只能在一定程度上改善霧化效果。

（4）適當(dāng)?shù)靥岣呷加蛧娚鋲毫Γ黾尤萜鲀?nèi)的氣體溫度，均可改善霧化效果。壓力和溫度在增加到一定程度時(shí)，對于霧化的影響程度將會逐漸減小，直至不變。當(dāng)容器內(nèi)氣體溫度增加到燃油沸點(diǎn)以上時(shí)，液滴蒸發(fā)將加劇，可能會使得SMD在一定程度上增加。這將在以后的研究中討論。

1譚丹平，邵毅明．燃油噴射霧化研究方法的現(xiàn)狀及發(fā)展[J]．汽車研究與開發(fā)，2002（4）：21-24．

2張先棹，尹丹模．燃料的霧化[J]．冶金能源，1998，17（3）：42-47．

3田春霞，仇性啟，崔運(yùn)靜．噴嘴霧化技術(shù)進(jìn)展[J]．工業(yè)加熱，2005，34（4）：40-42．

4 Reitz R D．Modeling Atomization Process in High-Pressure Vaporizing Spray[J].Atomization and Spray，1987(3):309-337．

5 Tanner F X.Liquid Jet Atomization and Droplet Breakup Modeling of Non-Evaporating Diesel Fuel Sprays[C]．SAE 970050．

6曾東建，黃海波，賈友昌．柴油機(jī)噴嘴內(nèi)流場的數(shù)值模擬分析[J]．西華大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2008，27（4）：20-23．

7 Menon S，Calhoon W．Subgrid Mixing and Molecular Transport Modeling for Large-eddy Simulations of Turbulent Reacting Flows[J]．Proceedings of the Combustion Institute，1996，26：59-66．

8周松，王銀燕，明平劍等．內(nèi)燃機(jī)工作過程仿真技術(shù)[M]．北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2012：140-142．

9殷子嘉，王珹，余根發(fā).柴油機(jī)噴霧特性的模擬實(shí)驗(yàn)研究[J]．內(nèi)燃機(jī)工程，1987（4）：1-7．

Numerical Study of the Secondary Atomization Characteristics of Fuel Under High-temperature and High-pressure

Li Ying,Lu Xin
（School of Energy and Power Engineering,Nanjing University of Science and Technology,Nanjing 210094,China）

In order to improve the efficiency of fuel combustion,thereby reducing the emission of pollutants,this article which is based on CFD(Computational Fluid Dynamics)theory and DPM(Discrete Phase Model)method uses the FLUENT software to simulate the secondary atomization of fuel,and analyzes the characteristics of fuel atomization.The simulation result fits better with the experimental data. Meanwhile,the secondary atomization process of fuel under different pressure and temperature is simulated, the spray patterns and the penetration distance and SMD(Sauter Mean Diameter)under different working conditions is obtained.The influence of the pressure and temperature on the penetration distance and SMD is analyzed.

secondary atomization,CFD,DPM,penetration distance,SMD

10.3969/j.issn.1671-0614.2013.03.001

來稿日期：2013-05-14基金項(xiàng)目：高溫高壓含能液體隨行噴射控制及多相燃燒機(jī)理研究（2011YBXM107）

李營（1989-），女，碩士，主要研究方向?yàn)椴裼蜋C(jī)燃油噴射霧化。