組噴孔噴油嘴幾何參數(shù)對(duì)噴霧特性的影響研究*

潘劍鋒姚嘉琪黃　俊劉啟勝（-江蘇大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院　江蘇　鎮(zhèn)江　03 -中國(guó)第一汽車(chē)集團(tuán)公司無(wú)錫油泵油嘴研究所）

組噴孔噴油嘴幾何參數(shù)對(duì)噴霧特性的影響研究*

潘劍鋒1姚嘉琪1黃俊2劉啟勝1
（1-江蘇大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院江蘇鎮(zhèn)江212013 2-中國(guó)第一汽車(chē)集團(tuán)公司無(wú)錫油泵油嘴研究所）

摘要：針對(duì)組噴孔噴油嘴，建立了用于模擬計(jì)算噴霧特性的KH-RT修正模型，并改變噴嘴長(zhǎng)徑比（L/D）和噴孔入口倒角與噴嘴直徑的比值（R/D）進(jìn)行計(jì)算，得到了噴霧索特直徑（SMD）、貫穿距離、蒸發(fā)質(zhì)量和霧滴最大速度等表征噴霧特性的數(shù)據(jù)，并分析了相應(yīng)的影響規(guī)律。結(jié)果表明，隨著R/D值的增加，SMD增大，燃油蒸發(fā)量減少，貫穿距離減小，液滴最大速度減小。R/D=0.14是空穴發(fā)生與否的臨界點(diǎn)。L/D值的增大，對(duì)噴霧特性的影響較小，噴霧特性趨勢(shì)保持一致。

關(guān)鍵詞：內(nèi)燃機(jī)噴霧數(shù)值模擬組噴孔幾何特征

引言

噴嘴的幾何特征決定著噴嘴內(nèi)部空化的發(fā)生，從而很大程度上影響著柴油機(jī)的排放性能和動(dòng)力性能[1，2]。組噴孔噴油器相對(duì)于傳統(tǒng)的噴油器，噴孔直徑較小，兩孔相互平行或形成一定角度噴霧，在保證了噴霧貫穿距離情況下，實(shí)現(xiàn)碰撞噴霧，能夠有效改善燃油霧化及蒸發(fā)性能[3]。這些年，關(guān)于噴嘴內(nèi)部流動(dòng)和噴嘴幾何形狀之間關(guān)系問(wèn)題越來(lái)越成為噴霧研究方面的熱點(diǎn)[4]。Gao和Nishida等[5]對(duì)組噴孔進(jìn)行了包括噴霧特性和碰壁特性等系列實(shí)驗(yàn)研究，但是從數(shù)值模擬角度研究組噴孔噴嘴幾何形狀對(duì)霧化特性的研究還相對(duì)較少。筆者借助AVL-Fire軟件，對(duì)噴霧碰撞模型進(jìn)行修正，對(duì)組噴孔霧化特性進(jìn)行研究，分析R/D和L/D對(duì)噴霧特性的影響。

1　模型的建立及驗(yàn)證

1.1實(shí)驗(yàn)參數(shù)

所采用的組噴孔噴油器的結(jié)構(gòu)主要參考文獻(xiàn)[6]，該組噴孔噴油器主要參數(shù)見(jiàn)表1。組噴孔相互平行，噴孔間距為0.260mm，其噴孔分布如圖1所示。

表1 實(shí)驗(yàn)參數(shù)

圖1　噴孔分布示意圖

1.2模型建立

基于離散液滴模型[7]（DDM），綜合考慮初次霧化和二次霧化兩個(gè)階段。認(rèn)為噴孔出口處的湍流是導(dǎo)致射流表面波動(dòng)的主要原因，這種波動(dòng)在氣動(dòng)力的作用下會(huì)增強(qiáng)，增強(qiáng)到一定程度時(shí)導(dǎo)致子液滴的生成。計(jì)算時(shí)考慮初次破碎和二次破碎，采用KH-RT模型[8]，并考慮破碎霧滴之間的相互作用。采用Schmidt提出的NO-Time-Counter（NTC）碰撞模型，采用獨(dú)立碰撞網(wǎng)格。設(shè)每個(gè)液滴的中心為計(jì)算中心，每個(gè)液滴的影響半徑為d1或d2。當(dāng)兩液滴之間的距離小于拉格朗日碰撞網(wǎng)格半徑時(shí)考慮其碰撞發(fā)生的可能性，其可能性概率為v。

式中：N2是液滴在區(qū)域2中的數(shù)目，Vcell是液滴1和液滴2共有區(qū)域計(jì)算的網(wǎng)格體積，u1和u2是兩液滴的速度。

為了增加噴霧粒子之間的碰撞作用，減小兩油滴發(fā)生碰撞的距離，考慮碰撞聚合、拉伸分離與破碎比例。

定容彈的初始?jí)毫υO(shè)為0.1MPa，選用n-Heptane（C7H16）作為燃料，密度為664 kg/m3。噴孔長(zhǎng)度和噴孔直徑比值（L/D）控制為恒定數(shù)5.1，噴嘴入口邊緣的倒圓半徑與噴孔直徑的比值（R/D）變量從0到0.14（表1）。邊界值的計(jì)算是外推法，用最小二乘法擬合推導(dǎo)計(jì)算，湍流方程選用K-ε模型。燃料的噴射時(shí)間是3ms，時(shí)間步長(zhǎng)為10-5s。

1.3網(wǎng)格獨(dú)立性分析

利用AVL-Fire軟件劃分定容彈網(wǎng)格，定容彈幾何模型直徑為10 cm，長(zhǎng)度為20 cm，網(wǎng)格劃分見(jiàn)圖2。為分析網(wǎng)格的獨(dú)立性，分別劃分?jǐn)?shù)量為7.2萬(wàn)、9.2萬(wàn)和12.8萬(wàn)的網(wǎng)格進(jìn)行計(jì)算，分析計(jì)算得到的貫穿距離。在不同數(shù)量的網(wǎng)格下，噴射貫穿距離都很接近，因此可以認(rèn)為網(wǎng)格獨(dú)立，如圖3所示。但考慮到計(jì)算成本和計(jì)算精度，選用9.2萬(wàn)數(shù)目的網(wǎng)格進(jìn)行模擬計(jì)算分析。

圖2　定容彈網(wǎng)格劃分

1.4模型的驗(yàn)證

根據(jù)參考文獻(xiàn)中的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，驗(yàn)證本文所建立模型的正確性。圖4是貫穿距離的實(shí)驗(yàn)與模擬結(jié)果對(duì)比圖。圖5是噴霧發(fā)展形態(tài)的對(duì)比圖，其中a）是實(shí)驗(yàn)結(jié)果，b）是模擬結(jié)果。

圖3　網(wǎng)格無(wú)關(guān)性檢驗(yàn)

由圖4和圖5可以看出，對(duì)比分析模擬與實(shí)驗(yàn)得到的貫穿距離基本吻合，對(duì)應(yīng)時(shí)刻的噴霧形態(tài)也基本相似，說(shuō)明該計(jì)算模型與實(shí)驗(yàn)情況基本相符，能夠準(zhǔn)確地反映噴霧基本特性。

圖4　貫穿距離的實(shí)驗(yàn)與模擬結(jié)果對(duì)比

圖5　噴霧形態(tài)的實(shí)驗(yàn)與模擬結(jié)果對(duì)比

2　結(jié)果分析和討論

2.1索特平均直徑（SMD）

圖6a）給出了平行組噴孔L/D=5.1時(shí)，R/D值從0增加到0.16對(duì)噴霧SMD的影響規(guī)律。從圖中可以看出噴霧液滴在離開(kāi)噴嘴出口后二次分裂霧化，液滴尺寸逐漸減小，數(shù)目不斷增加。隨著R/D值的增加，空化現(xiàn)象越弱，空化氣泡減少，SMD增大，霧化質(zhì)量變差。在R/D=0.14后SMD不再改變，并且圖a）中R/D=0.14和R/D=0.16的SMD曲線完全重合，表明此時(shí)空化已經(jīng)結(jié)束。

圖6b）給出了平行組噴孔和等截面單噴孔在不同L/D值下SMD隨R/D的影響規(guī)律?？梢钥闯鲭S著L/D的增加，單噴孔和組噴孔的SMD值均未發(fā)生明顯變化。Park[9]實(shí)驗(yàn)中采用博世長(zhǎng)管法測(cè)量了組噴孔和等截面單噴孔的噴油規(guī)律，其結(jié)果表明在相同的噴射條件下，兩者規(guī)律相似，因此文中仿真結(jié)果獲得了與實(shí)驗(yàn)一致的規(guī)律。圖中也可以看出組噴孔在不同R/D時(shí)的平均油滴直徑均小于相對(duì)應(yīng)單噴孔的平均油滴直徑，從而有利于噴霧蒸發(fā)燃燒。

2.2貫穿距離

根據(jù)Hiroyasu和Arai[7]所述，整個(gè)噴射可以分為2個(gè)階段。第一個(gè)階段是從噴射開(kāi)始（t=0）到破碎時(shí)刻。在這個(gè)階段，貫穿距離隨著時(shí)間線性增長(zhǎng)。到tbreak=0.76ms后，由于新的氣泡產(chǎn)生，貫穿距離增加，能量和氣泡速度降低。

式中：ΔP是噴射壓力與定容彈內(nèi)壓力之差，ρs是定容彈內(nèi)氣體密度，ρl是噴射燃料密度，D是噴孔直徑。

圖6a） 不同R/D值下SMD隨時(shí)間的變化規(guī)律（L/R=5.1）

圖6b） R/D值對(duì)SMD的影響

圖7a）給出了R/D對(duì)組噴孔噴霧貫穿距離的影響規(guī)律。在R/D=0時(shí)，噴霧貫穿距離最大，此時(shí)的空化現(xiàn)象最為明顯。通過(guò)增加R/D比值，空化的影響減弱，射流交互作用減小，隨之貫穿距離也減少。當(dāng)R/ D=0.14時(shí)，空化現(xiàn)象消失，貫穿距離達(dá)到最小，且不再發(fā)生變化。

圖7b）給出了組噴孔和等截面單噴孔在不同L/ D值下噴霧貫穿距離隨R/D的影響規(guī)律。從圖中可以看出組噴孔能夠較好地保持軸向貫穿距，貫穿距離略大于單噴孔。L/D的變化對(duì)單噴孔和組噴孔的影響較為一致，長(zhǎng)徑比的改變使得空穴發(fā)生的位置發(fā)生改變，影響噴射速度，從而影響貫穿距離的大小，但影響不大，趨勢(shì)基本維持一致。

2.3液滴最大速度

圖8a）顯示了噴孔出口瞬態(tài)最大燃油速度的變化規(guī)律：第一階段，隨著針閥上升，直到針閥達(dá)到最大升程處，噴孔中發(fā)生了空化，噴嘴里包含有氣相，因此噴孔出口處燃油有效流通面積減少，導(dǎo)致對(duì)應(yīng)的噴孔出口速度增加。第二階段時(shí)，針閥保持最大升程不變，因此噴孔出口速度先減小后趨于穩(wěn)定。而且可以看出空化存在時(shí)的噴口速度大于空化不存在時(shí)的噴口出口速度。

圖7a） 不同R/D值下貫穿距離隨時(shí)間的變化規(guī)律（L/R=5.1）

圖7b） R/D值對(duì)貫穿距離的影響

圖8b）給出了組噴孔和等截面單噴孔在不同L/ D值下噴霧液滴最大速度隨R/D的影響規(guī)律。從圖中可以看出組噴孔的液滴最大速度大于單噴孔液滴的最大速度，隨著L/R的增大，組噴孔和單噴孔的霧滴最大速度增長(zhǎng)趨勢(shì)接近。

2.4噴霧蒸發(fā)質(zhì)量

圖9a）給出了R/D對(duì)組噴孔噴霧蒸發(fā)質(zhì)量的影響規(guī)律。從圖中可以看出在噴射開(kāi)始時(shí)，由于SMD較大，蒸發(fā)量很小，約等于零。隨著空化氣泡持續(xù)破碎，SMD減小，蒸發(fā)量增加，使得燃油和空氣能夠更好地混合。燃料蒸汽氣泡的存在導(dǎo)致更多的空氣進(jìn)入噴霧。空化效應(yīng)間接地改變了燃油蒸發(fā)量。但是隨著R/D的增大，SMD增大，霧滴與周?chē)h(huán)境接觸的表面積增加，溫度降低，燃油蒸發(fā)量減少。當(dāng)R/D= 0.14和R/D=0.16時(shí)候，由于空化已經(jīng)結(jié)束，因此噴霧蒸發(fā)質(zhì)量曲線完全重合。

圖8a） 不同R/D值下液滴最大速度隨時(shí)間的變化規(guī)律（L/R=5.1）

圖8b） R/D值對(duì)噴霧液滴最大速度的影響

圖9b）給出了組噴孔和等截面單噴孔在tbreak時(shí)刻的噴霧蒸發(fā)質(zhì)量隨R/D的影響規(guī)律。從圖中可以看出，此時(shí)組噴孔的噴霧蒸發(fā)質(zhì)量略大于單噴孔的噴霧蒸發(fā)質(zhì)量，尤其是當(dāng)未發(fā)生空化時(shí)，組噴孔的噴霧蒸發(fā)效果更加突出。因?yàn)榻M噴孔的徑向貫穿度要略大于單噴孔噴霧，使得噴霧能夠更多地接觸空氣，促進(jìn)噴霧液滴的蒸發(fā)過(guò)程。但是，蒸發(fā)質(zhì)量未受到L/ D值變化的影響，基本保持不變。

圖9 a） 不同R/D 值下蒸發(fā)質(zhì)量隨時(shí)間的變化規(guī)律　?。↙/R=5.1）

圖9b） R/D值對(duì)噴霧蒸發(fā)質(zhì)量的影響

3　結(jié)論

1）綜合考慮初次霧化和二次霧化兩個(gè)階段，建立了用于模擬計(jì)算噴霧特性的KH-RT修正模型，并根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證模型正確性。

2）隨著R/D值的增加，SMD增大，燃油蒸發(fā)量減少，貫穿距離減小，液滴最大速度減小。R/D=0.14是空穴發(fā)生與否的臨界點(diǎn)。

3）L/D對(duì)組噴孔的噴霧特性影響較小，噴霧特性趨勢(shì)保持不變。

4）組噴孔的噴霧特性與單噴孔的噴霧特性規(guī)律相似，但當(dāng)噴嘴未發(fā)生空化時(shí)，組噴孔噴嘴的噴霧特性明顯優(yōu)于單噴孔的噴霧特性。

參考文獻(xiàn)

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9Park SW，Reitz R D.A gas jetsuperpositionmodel for CFD modeling of group-hole nozzle sprays[J].International Journalof Heatand Fluid Flow，2009，30（6）：1193~1201

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研創(chuàng)新計(jì)劃項(xiàng)目（CXZZ13-0671）。

中圖分類(lèi)號(hào)：TK421+.42

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：2095-8234（2015）02-0007-04

收稿日期：（2015-02-05）

基金項(xiàng)目：江蘇省六大人才高峰第八批資助項(xiàng)目（裝備制造201127）、江蘇省高校優(yōu)勢(shì)學(xué)科建設(shè)工程資助項(xiàng)目、江蘇省普通高校研究生科

作者簡(jiǎn)介：潘劍峰（1978-），男，教授、博士生導(dǎo)師，主要研究方向?yàn)閯?dòng)力機(jī)械燃燒過(guò)程和燃燒系統(tǒng)研究。

Influencesof Group-Hole Nozzle Geometry on Spray Characteristics

Pan Jian feng1,Yao Jiaqi1,Huang Jun2,Liu Qisheng1
1-SchoolofEnergy and Power Engineering,Jiangsu University(Zhenjiang,Jiangsu,212013,China)
2-Wuxi Fuel Injection EquipmentResearch Instituteof FAW

Abstract：The CFD calculationsused the AVL-Fire codewith an updated KH-RTbreakupmodel.Using the validated calculationmodels，effects of R/D（Curvature Radius of the Inlet Orifice/Orifice Diameter）and L/D（Orifice Length/Orifice Diameter）on spray characteristics like SMD（Sautermean diameter），penetration length,evaporationmass and spray velocity，were studied numerically.To study its effects on the spray characteristics，differentvaluesof R/D and L/D were selected,spray characteristics areobtained. The increased R/D can increase SMD，reduce the spray penetration,cutevaporationmassand slow droplets velocity.When the value of R/D is 0.14，the spray characteristics reach a constant state due to cavitation elimination.The changeof L/D has little effecton the spray characteristics.

Keywords：ICengine，Spray，Numericalsimulation，Group-holenozzle，Nozzlegeometry