基于FLUENT的柴油機(jī)噴油嘴的沖刷腐蝕仿真計算

王 建，劉正林，鄭衛(wèi)剛

(1.武漢理工大學(xué) 能源與動力工程學(xué)院，湖北 武漢 430063；2.武漢理工大學(xué) 工程訓(xùn)練中心，湖北 武漢 430063)

基于FLUENT的柴油機(jī)噴油嘴的沖刷腐蝕仿真計算

王 建1，劉正林1，鄭衛(wèi)剛2

(1.武漢理工大學(xué) 能源與動力工程學(xué)院，湖北 武漢 430063；2.武漢理工大學(xué) 工程訓(xùn)練中心，湖北 武漢 430063)

高壓、高噴射速率條件下流體對噴油嘴的沖刷腐蝕問題更加凸顯，給柴油機(jī)工作的可靠性提出了挑戰(zhàn)。應(yīng)用計算流體力學(xué)方法建立氣液兩相流綜合數(shù)學(xué)模型，借助FLUENT軟件對噴油嘴內(nèi)流體進(jìn)行數(shù)值模擬分析，結(jié)果表明選擇較大長徑比的可緩解沖刷腐蝕。結(jié)果可為柴油機(jī)噴油嘴結(jié)構(gòu)優(yōu)化和性能改善提供重要參考。

噴油嘴；氣液兩相流；沖刷腐蝕；數(shù)值模擬

隨著排放法規(guī)的日益嚴(yán)格和對燃油經(jīng)濟(jì)性要求的提高，噴油器已經(jīng)成為現(xiàn)代柴油發(fā)動機(jī)最關(guān)鍵的組成部分。為提高柴油機(jī)對噴油嘴的噴油性能，柴油機(jī)燃油噴射系統(tǒng)也逐步向高噴射壓力、高流動速率方向發(fā)展，使得噴油嘴的沖刷腐蝕狀況加劇，柴油機(jī)的工作可靠性亦得不到相應(yīng)保障。噴油嘴頭部結(jié)構(gòu)的幾何尺寸是極其細(xì)微的，噴油嘴內(nèi)燃油在噴孔中有很高的噴油壓力和燃油速度，在如此細(xì)小的區(qū)域中直接觀察和監(jiān)測噴孔內(nèi)流體流動的難度是顯而易見的，借助計算機(jī)采用數(shù)值模擬的方法對噴孔內(nèi)的燃油流動進(jìn)行模擬分析較為方便。Sibendu Som[1]等利用FLUENT來執(zhí)行噴油嘴內(nèi)流體流動的數(shù)值模擬，對噴油嘴尺寸變化和燃料變化引起的湍流和空穴進(jìn)行了量化，表征了噴油嘴幾何形狀和燃料特性對噴射流體的發(fā)展的影響。張玉光[2]利用FLUENT對改進(jìn)前后噴油嘴內(nèi)的流體進(jìn)行仿真計算，結(jié)果顯示針閥升程減小0.1 mm，針閥體座面沖擊應(yīng)力大幅減小，雙面錐閥的應(yīng)用可提高噴油器的穩(wěn)定性。陳佳[3]等運(yùn)用CFD方法對三通管沖刷腐蝕進(jìn)行計算，得知流體黏度越大，沖刷腐蝕越嚴(yán)重；出口段直徑越大，沖刷腐蝕越輕。

以往對噴油嘴霧化的因素的研究相對較多，但對噴油嘴沖刷腐蝕的影響因素如燃油種類，噴油嘴幾何參數(shù)等的研究比較少?，F(xiàn)就這2個因素對燃油流動狀態(tài)應(yīng)用FLUENT進(jìn)行模擬計算，分析其對噴油嘴沖刷腐蝕的影響，進(jìn)而為噴油嘴的優(yōu)化設(shè)計和維護(hù)提供一定指導(dǎo)。

1 噴油嘴幾何模型的建立

以某噴油嘴為例，見圖1(a)，其噴孔長度L=1 mm，直徑D=0.28 mm。計算區(qū)域選擇噴孔內(nèi)部，利用FLUENT軟件前處理器GAMBIT建立噴油嘴二維管模型，網(wǎng)格單元和網(wǎng)格類型分別為Quad和Map，模型單元數(shù)為20 800，節(jié)點(diǎn)數(shù)為21 482。二維管具體結(jié)構(gòu)邊界類型選定和網(wǎng)格模型，見圖1(b)和圖1(c)。

(a)噴油嘴結(jié)構(gòu)圖

(b) 二維管模型及邊界條件

(c)網(wǎng)格模型圖1 噴油嘴模型

2 影響因素分析

沖刷腐蝕作用的實(shí)質(zhì)是金屬腐蝕產(chǎn)物在腐蝕流體的剪切力作用下被移走，導(dǎo)致新鮮金屬表面直接

接觸腐蝕流體，加速金屬腐蝕，因此壁面剪切力是評價沖刷腐蝕的量度之一。噴油嘴內(nèi)的實(shí)際流動為多相流，由于燃油流動造成壓力不均而伴隨有空穴產(chǎn)生，對噴油嘴的沖刷腐蝕作用比其他方式更為明顯，危害更大，所以選取氣液兩相流來分析其對噴油嘴的沖刷腐蝕作用。

2.1燃油的影響

除了作為柴油機(jī)傳統(tǒng)燃料的柴油、重油(在進(jìn)入柴油機(jī)前應(yīng)該加熱至一定的溫度使其黏度達(dá)到合適的范圍內(nèi)才能供柴油機(jī)使用)之外，生物柴油也在多元化的清潔和可再生能源的組成中起著重要的作用，甚至有些柴油機(jī)不用作改造都可以使用其做燃料，可明顯改善NOx和碳煙排放水平[4]?，F(xiàn)將不同性質(zhì)的柴油、生物柴油和重油進(jìn)行對比模擬來分析其對噴油嘴沖刷腐蝕的影響，三者主要物理性質(zhì)如表1。

表1 柴油、生物柴油、重油三者重要物理性質(zhì)比較

初始條件恒定，即噴油嘴燃油噴射壓力為12 MPa，背壓為3 MPa。

在上述條件下，普通柴油作為燃料時噴嘴空穴流動的流場計算結(jié)果如圖2所示。

從整個流動區(qū)域看，氣相體積分?jǐn)?shù)變化較大(見圖2(a))，因?yàn)樵诖藚^(qū)域流動速度突然升高(見圖2(b))，在噴孔入口的拐角處壓力急劇下降(見圖2(c))，而噴孔入口處流體的剪切力快速上升。在空穴產(chǎn)生的區(qū)域，剪切力隨著氣體的體積分?jǐn)?shù)增大而減少，從圖2(d)中可以看出，在噴孔入口處(約0.3 mm位置)剪切力增至約50 kPa,距入口約0.2 mm(圖中0.5 mm)處剪切力降至極小，隨后繼續(xù)增大，在0.9 mm以后穩(wěn)定在45 kPa左右。

圖2 噴嘴空穴流動的流場計算結(jié)果(柴油)

生物柴油和重油分別作為燃料時，噴嘴內(nèi)流體流場模擬結(jié)果如圖3所示。

在相同條件下，生物柴油和重油的空穴產(chǎn)生不如柴油明顯，三者空穴分布位置大致相同，壓力都在噴孔入口處發(fā)生驟變，但空穴體積分?jǐn)?shù)有所區(qū)別。3種燃油自身特性不同，流場分布區(qū)別較大，對壁面剪切力的分布產(chǎn)生了很大影響。

柴油、生物柴油和重油密度依次升高。在相同的邊界條件下，柴油的最高流動速度更高，這與它的黏度最低有關(guān)，模擬結(jié)果表明柴油對壁面的剪切力最小。從圖4(b)可見重油的流動壓力波動較大，產(chǎn)生的壁面剪切力遠(yuǎn)大于其他燃油。由此可見，柴油作為燃料時可減小噴嘴的沖刷腐蝕。3種燃油模擬結(jié)果對比見圖5。

2.2噴油嘴幾何尺寸的影響

噴油嘴噴孔長徑比L/D對空穴產(chǎn)生有很大影響，比較圖2和圖6所示的3種不同幾何尺寸的噴孔的氣相體積分?jǐn)?shù)可知，增大長徑比能促進(jìn)空穴產(chǎn)生?？昭ǖ漠a(chǎn)生及其對噴孔壁面的腐蝕有著緊密聯(lián)系，下面就長徑比為0.8/0.3和1.2/0.25的噴油嘴模型(見圖6)分別進(jìn)行仿真計算再與1.0/0.28的初始噴嘴進(jìn)行對比。初始條件不變，燃油為柴油。

由圖7和圖8可見，長徑比的增大對空穴產(chǎn)生有一定促進(jìn)作用，對壓力和速度的影響較小，總的來說，壁面最大剪切力呈現(xiàn)出先增大再減小的規(guī)律。長徑比較小時，噴孔壁面產(chǎn)生的最大剪切力相對較小，但不能保證霧化。當(dāng)長徑比較大時，壁面剪切力跟前者處于相似水平，但霧化條件更好。

圖3 噴嘴空穴流動的流場計算結(jié)果(生物柴油)

圖4 噴嘴空穴流動的流場計算結(jié)果(重油)

圖5 3種燃油模擬結(jié)果對比

圖6 不同長徑比的噴油嘴模型

3 結(jié)束語

1)在噴孔入口區(qū)域，壓力驟降，剪切力急劇上升；從整體來看，噴孔入口拐角處和空穴區(qū)域?yàn)闆_刷腐蝕危害嚴(yán)重位置；壁面最大剪切力位置位于噴孔出口附近。

2)空穴生成區(qū)域大小按照柴油、生物柴油、重油的次序降低，柴油的霧化效果最好且對沖刷腐蝕的影響也最?。婚L徑比的增大使噴嘴壁面剪切力減小。當(dāng)邊界條件不變時，選擇較大的長徑比，更有利于緩解沖刷腐蝕。

[1]Sibendu Som, Douglas E. Longman. Influence of Nozzle Orifice Geometry and Fuel Properoties on Flow and Cavitation Characteristics of a Diesel Injector [J]. Fuel Injection in Automotive Enbineering,2012(4)：112-126.

[2]張玉光,劉彪,李明海. 基于FLUENT的柴油機(jī)噴油嘴結(jié)構(gòu)改進(jìn)與數(shù)值分析[J].內(nèi)燃機(jī)，2011(5):9-11.

[3]陳佳，劉勇峰.三通管沖刷腐蝕數(shù)值計算[J].當(dāng)代化工,2013(1):76-78.

[4] 安俏俏,朱建軍,王晉，等.柴油機(jī)燃用混合替代燃料的燃燒與排放特性[J].燃燒科學(xué)與技術(shù),2014,20(3):270-275.

圖7 噴嘴空穴流動的流場計算結(jié)果圖

圖8 不同長徑比下模擬的結(jié)果對比圖

The nozzle inside-wall erosion-corrosion is becoming increasingly evident，which poses a challenge,as a result,in the reliability of the diesel engine.In this paper,computatonal Fluid Dynamics method is used to establish a comprehensive mathematical model of gas-liquid two-phase flow and simulation analysis of the fluid flow in the nozzle is performed via FLUENT.The results show that the corrosion may be relieved in a large length diameter ratio of nozzle hole,which will become reference for the diesel engine.

injector;gas-liquid two-phase flow;erosion-corrosion;numerical simulation

王建(1992-)，男，河南洛陽人，在讀碩士研究生，研究方向?yàn)榇皠恿ρb置系統(tǒng)性能分析、載運(yùn)工具應(yīng)用工程。

U672

10.13352/j.issn.1001-8328.2015.03.009

2015-02-02