針閥粗糙度對柴油機噴孔空化現象的影響

杜 青，楊 賢，郭瑾朋，常 青，白富強，

（1. 天津大學內燃機燃燒學國家重點實驗室，天津 300072；2. 天津大學內燃機研究所，天津 300072）

針閥粗糙度對柴油機噴孔空化現象的影響

杜 青1，楊 賢1，郭瑾朋1，常 青1，白富強1，2

（1. 天津大學內燃機燃燒學國家重點實驗室，天津 300072；2. 天津大學內燃機研究所，天津 300072）

針對目前柴油機廣泛應用的無壓力室（VCO）噴嘴，搭建大尺度可視化噴嘴穩(wěn)態(tài)實驗系統，采用高速攝像及粒子圖像測速（PIV）技術，研究針閥粗糙度及粗糙區(qū)域長度對噴孔內空化現象及流動特性的影響．研究結果表明：針閥粗糙度的增大對噴孔內空化現象有明顯的抑制作用；針閥粗糙度對空化現象的影響是通過改變噴孔內部流體的時均速率和湍動能等流動特征實現的；針閥粗糙區(qū)域長度變化對空化現象的影響規(guī)律與粗糙度相似，但影響程度較弱；粗糙度及粗糙區(qū)域長度對空化現象的抑制作用隨針閥升程增大而減弱．

噴嘴；空化；粒子圖像測速；粗糙度；針閥

現代柴油機中，噴嘴的噴射壓力和射流速度不斷提高，噴孔直徑不斷減小，從而使燃油流速升高，極易在噴孔內部發(fā)生空化現象［1］．空化現象會顯著影響噴孔內的流動狀態(tài)，因此噴孔內的空化現象引起了研究者們的廣泛關注．空化現象的實驗研究主要集中于實際尺寸可視化噴嘴內的觀測和使用大尺度可視化噴嘴進行的模擬實驗［2-4］．實際尺寸的可視化噴嘴由于噴孔直徑小、長徑比大，加工受到限制，且難以對其內部的流動狀態(tài)進行綜合研究，所以使用的方法多是以實際噴嘴尺寸為基礎，按照幾何相似原則進行放大，得到大尺度可視化噴嘴模型，并通過控制空化數來保證動力相似，模擬實際噴嘴中孔內流動的情況，以達到研究目的．

研究者們對影響空化現象的各種因素已經做了大量的研究工作．Ruiz等［5］在研究噴孔的管內流動時，發(fā)現空化與湍流存在明顯的耦合作用．Schmidt等［6］總結了前人的研究，指出空化現象從噴孔入口拐角處出現，發(fā)展一段后消失．在使用同一噴嘴時，空化現象消失的位置不變，但消失的位置與噴孔內壁面的粗糙度有關；空化區(qū)域的長度隨上游壓力的變化而變化．Chaves等［1］制作了一個內壁面未充分研磨光滑的噴嘴，同樣發(fā)現粗糙度能引起空化現象的變化．Echouchene等［7］研究了噴孔內壁面粗糙度對于空化情況下流量系數的影響．Nouri等［8］觀察到在低空化數時，空化泡先零散地形成于針閥附近，隨后流入噴孔；當空化數逐漸增大時，空化現象直接形成于噴孔入口處．

從目前的研究進展看，研究者們已經證明了空化現象與噴孔中的湍流相耦合；噴孔內壁面的粗糙度對空化現象的形成有影響；在一定情況下，空化現象首先形成于針閥表面，因此，針閥參數會對空化現象造成影響．針閥與針閥體是精密配合的偶件，不宜從結構上對針閥造成的影響進行研究．從以往研究結果分析，流動表面的粗糙度會對空化現象造成影響，針閥圓柱面的粗糙度也是影響因素之一．噴孔內壁面粗糙度對于空化現象的影響研究目前已比較充分，但對針閥圓柱面粗糙度的影響卻鮮見報道，其對于空化現象的影響情況尚不清楚．本文定義針閥圓柱面的粗糙度為針閥粗糙度，通過搭建大尺度可視化噴嘴穩(wěn)態(tài)實驗系統，利用高速攝像技術獲得噴孔中空化現象的形貌特征，配合使用粒子圖像測速（particle image velocimetry，PIV）系統，研究了噴孔內流場的分布特征，進而獲得針閥不同升程下針閥粗糙度和粗糙度區(qū)域對空化現象的影響規(guī)律，進一步加深了對液體兩相流動影響因素的理解．

1　實驗系統

圖1所示為大尺度可視化噴嘴穩(wěn)態(tài)實驗系統裝置，噴射系統的具體結構如圖2所示．噴嘴內部關鍵尺寸由VCO型噴嘴尺寸按幾何相似原理放大20倍得到，噴孔長度為27，mm，直徑為3，mm，該長徑比的噴嘴中空化現象的發(fā)展歷程較為適合觀察［9］．針閥與針閥體是配合偶件，裝配間隙為0.05，mm．定義圖2中針閥圓柱面上的S區(qū)域為粗糙區(qū)域．根據GB/T 5772—2010《柴油機噴油嘴偶件技術條件》，針閥圓柱面的粗糙度Ra=0.05，μm．因加工限制，且粗糙度相差極小，以放大32倍后的Ra=1.6，μm為基礎，進一步增大粗糙度值并改變粗糙度值和粗糙區(qū)域長度，研究其對空化現象的影響．實驗中使用的針閥參數如表1所示，其他流動表面的粗糙度如表2所示．將實際最大針閥升程0.3，mm放大20倍，得到實驗最大針閥升程6，mm．針閥升程通過調整頂端的連接螺紋控制，針閥落座時升程為0，mm．噴嘴無起噴壓力.本實驗通過比較升程為2，mm和6，mm時的情況，研究空化現象隨針閥升程的變化情況．

采用柴油作為實驗流體，通過調節(jié)節(jié)流閥和回流閥改變噴射壓力．噴射壓力調節(jié)范圍為0.10～0.25，MPa，背壓采用環(huán)境壓力，以無量綱空化數Nc保證動力相似．空化數Nc定義為

式中：p1為噴射壓力；p2為背壓；pv為液體相的飽和蒸汽壓，取3.540，kPa．柴油溫度為室溫，由于實驗過程中油泵運行時間較短而油箱容積很大，柴油溫度變化不大，因此忽略溫度的影響．

圖1 大尺度可視化噴嘴穩(wěn)態(tài)實驗系統示意Fig.1Schematic diagram of large-scale transparent nozzle steady-state test rig

圖2 可視化噴嘴結構示意Fig.2 Structure diagram of the transparent nozzle

表1 針閥的主要參數Tab.1 Main parameters of needles

表2 針閥其他表面的粗糙度RaTab.2 Roughness Raof other surfaces of needles

高速攝像系統拍攝頻率設定為5，000 幀/s，背景光源由兩盞QH-1300W2雙聯鹵素燈提供．PIV系統使用雙脈沖氦氖激光發(fā)射器，使片光源由下往上豎直穿過噴嘴中心線．激光波長為532，nm，最大能量為200，mJ．片光光腰為1，mm，假設流場橫向分布均勻，該片光面上的信息具有統計意義．使用12倍CCD變焦鏡頭，采用雙幀雙曝光模式，能量輸出比調節(jié)范圍為12%，～25%，幀間隔調節(jié)范圍為40～50，μs，計算噴孔入口處二維流場的速度場信息和湍動能場信息．示蹤粒子使用聚苯乙烯制成的小球，直徑為15，μm，密度為1.05，g/cm3，其密度與柴油的差別小至可以忽略［10］，從而具有良好的流場跟隨性．

圖3所示為實驗中所獲得的噴嘴空化圖像（L為針閥升程，pin為噴射壓力）．實驗中保持噴射壓力及背壓不變，在各工況下拍取100幅圖片并進行平均處理．用Photoshop軟件對平均后的圖片進行處理，得到灰度信息．因針閥附近的空化現象并非一直存在，故僅研究噴孔內的空化現象．將噴孔內灰度值大于90的地方定義為空化區(qū)域，將噴孔入口到空化區(qū)域末端的距離與噴嘴總長度的比值定義為空化區(qū)域比例［9］.圖中噴孔右端區(qū)域（黑色）是空化區(qū)域，左端（灰色）區(qū)域是柴油．與Nouri等［8］觀察到的現象一致，在噴射壓力為0.125，MPa時（Nc≈0.3），空化泡先出現在針閥附近，隨后流入噴孔；當噴射壓力為0.175 MPa時（Nc≈0.8），空化現象出現在噴孔入口處．

圖3 噴孔的空化現象（2號針閥，L= 6，mm）Fig.3 Cavitation in nozzle orifice（No. 2 needle，L= 6，mm）

在實驗中，液流沿針閥圓柱面進入噴孔，因此在片光面上，流體流速自入口起從小變大，直至液流完全匯聚于片光面時達到最大速度．4號針閥噴孔流場截面如圖4所示，取2個截面研究截面上的時均速度和湍動能分布，其中A截面距入口4，mm，B截面距入口6，mm．在軸向距離為6，mm之后，流速發(fā)展至最大．圖中坐標軸x在截面B上，原點為噴孔中點．

圖5給出的是3號針閥，其針閥升程為2，mm、噴射壓力為0.15，MPa時的PIV原始圖像和處理后的圖像．從圖中可以看出，在A截面之后，時均速率場和湍動能場有了明顯的數據，并在B截面之后充分發(fā)展；時均速率場與湍動能場之間存在著某種關系．

圖4噴孔流場所取截面（4號針閥，L=6 mm，pin=0.15 MPa）Fig.4Sections of the flow field in nozzle orifice（No.4 needle，L=6，mm，pin=0.15，MPa）

圖5PIV原始圖像及處理圖像（3號針閥，L=2，mm，pin=0.15，MPa）Fig.5Original and processed images of PIV（No.3 needle，L=2，mm，pin=0.15，MPa）

2　結果與分析

2.1針閥粗糙度值對空化現象及流場特征的影響

粗糙度值對噴孔空化現象及流場特征影響規(guī)律的研究是通過采用具有相同粗糙區(qū)長度、不同粗糙度值的1號、2號和4號針閥實現的．圖6～圖8給出了不同針閥升程條件下分別采用1號、2號和4號針閥噴孔內空化特征及流場特征的實驗結果．

圖6給出了不同針閥在不同升程下噴孔空化區(qū)域比例隨噴射壓力的變化規(guī)律．從圖中可以看出，空化現象隨著噴嘴噴射壓力的提高趨于劇烈．同時，1號針閥較之2號針閥、2號針閥較之4號針閥，噴孔內部的空化現象在各種條件下均更為顯著．在小針閥升程條件下，3個噴孔內的空化區(qū)域比例差別明顯，而在大針閥升程條件下差別則相對較?。@表明針閥粗糙度值增大對噴孔內空化現象有明顯的抑制作用，猜測其原因為增大的針閥粗糙度降低了液流的時均速度，從而抑制空化現象，而這種抑制作用隨著針閥升程的提高而逐漸被衰減．

圖6 針閥粗糙度對噴孔空化現象的影響Fig.6 Effect of needle roughness on cavitation in nozzle orifice

圖7給出了3個針閥噴孔內不同截面、不同升程條件下的噴孔時均速率分布特征．從圖中可以看出，無論是對于A截面還是B截面，針閥1所對應的噴孔內各點的時均速率均大于針閥2所對應的時均速度、針閥2對應的時均速度則大于針閥4對應的時均速度，且隨著針閥升程的增加差距趨于減?。@然，時均速率的變化會帶來噴孔內部液體壓力的改變，從而對噴孔內部的空化現象帶來顯著的影響．這一結論與圖6所得到的粗糙度值對空化現象的影響顯然是吻合的，并可對圖6的結論給出明確的解釋．

圖7針閥粗糙度對噴孔時均速率的影響（pin=0.15 MPa）Fig.7Effect of needle roughness on average speed innozzle orifice（pin=0.15，MPa）

圖8給出了相同條件下針閥粗糙度對噴孔內流體湍動能的影響．可以看出，流場不同位置1號針閥流體的湍動能均小于2號針閥、2號針閥則小于4號針閥，并且湍動能的差別隨著針閥升程的逐漸增加而趨于減小．這表明針閥粗糙度的增加所帶來的湍動能的變化是導致流場速度變化的主要原因，從而對噴嘴內的空化現象帶來顯著的影響．

湍流在某點上的瞬時速度u隨時間的變化值為

圖8 針閥粗糙度對噴孔湍動能的影響（pin=0.15 MPa）Fig.8 Effect of needle roughness on turbulent kineticenergy in nozzle orifice（pin=0.15 MPa）

2.2針閥粗糙區(qū)域長度對空化現象的影響

粗糙區(qū)域長度對噴孔空化現象及流場特征影響規(guī)律的研究是通過使用具有相同粗糙度但具有不同粗糙區(qū)域長度的3號和4號針閥實現的．圖9～圖11給出了不同針閥升程條件下，分別采用3號和4號針閥噴孔內空化特征及流場特征的實驗結果．

與圖6類似，從圖9可以看出，使用3號針閥時的噴孔內部的空化現象較之4號針閥更為顯著．在小針閥升程條件下，兩噴孔內的空化區(qū)域比例差別明顯，而在大針閥升程條件下差別則相對較?。@表明針閥粗糙區(qū)長度增長對噴孔內空化現象也有一定的抑制作用，而這種抑制作用隨著針閥升程的提高而逐漸被衰減．

圖9針閥粗糙區(qū)長度對噴孔空化區(qū)域的影響（pin=0.15 MPa）Fig.9Effect of needle rough area on cavitation in nozzle orifice（pin=0.15 MPa）

圖10給出了兩針閥不同升程下的噴孔時均速率分布特征．從圖中可以看出，與圖7類似，針閥3所對應的噴孔內各點的液體時均速率均大于針閥4所對應的時均速率，且隨著針閥升程的增加，時均速率的差距趨于減?。渲械脑蝻@然亦與圖7相同．

圖10針閥粗糙區(qū)長度對噴孔時均速率的影響（pin= 0.15，MPa）Fig.10Effect of needle rough area on average speed in nozzle orifice（pin=0.15 MPa）

圖11給出了相同條件下針閥粗糙區(qū)長度對噴孔湍動能特性的影響．從圖中可以看出，3號針閥下流體的湍動能低于4號針閥的湍動能，并且湍動能的差別隨著針閥升程的逐漸增加而趨于減小．針閥粗糙區(qū)長度對噴孔湍動能特性的影響與針閥粗糙度相似．

圖11 針閥粗糙區(qū)長度對噴孔湍動能的影響（pin=0.15 MPa）Fig.11 Effect of needle rough area on turbulent kinetic energy in nozzle orifice（pin=0.15，MPa）

對比圖6～圖8與圖9～圖11的結果可以看出，針閥粗糙度、粗糙區(qū)域長度對噴嘴內部空化現象和流動特征的影響規(guī)律類似，但顯然粗糙度的影響更為顯著，這是因為大粗糙度引起的擾動更大，對時均速率的減緩作用更強烈．

3　結 論

（1） 針閥粗糙度增大對噴孔內空化現象有明顯的抑制作用．

（2） 針閥粗糙度對空化現象的影響是通過改變噴孔內部流體流動的時均速率和湍動能等流動特征實現的．

（3） 針閥粗糙區(qū)域長度變化對空化現象的影響規(guī)律與粗糙度類似，但影響程度較弱．

（4） 針閥粗糙度及粗糙區(qū)域長度對空化現象的抑制作用隨針閥升程增大而減弱．

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（責任編輯：金順愛）

Effects of Needle Roughness on Cavitation in Diesel Nozzle Orifice

Du Qing1，Yang Xian1，Guo Jinpeng1，Chang Qing1，Bai Fuqiang1，2
（1．State Key Laboratory of Engines，Tianjin University，Tianjin 300072，China；2．Internal Combustion Engine Research Institute，Tianjin University，Tianjin 300072，China）

Valve covered orifice（VCO）nozzle is widely used in diesel engines nowadays，and based on this nozzle，a large-scale transparent nozzle steady-state test rig was constructed．With high speed photography and particle image velocimetry（PIV）measurements，several important parameters including needle roughness and needle rough area were used to analyse the cavitation and flow characteristics in nozzle orifice．It can be seen from the experimental results that the increase of the needle roughness supresses the cavitaion in nozzle orifice obviously．The effect of needle roughness on cavitation is realized via changing the flow characteristics including average speed and turbulent kinetic energy in nozzle orifice．The effect of needle rough area on cavitation is similar to that of needle roughness，except that it’s smaller．It should be pointed out that both the effects of needle roughness and needle rough area will be reduced by the increase of the needle lift.

nozzle；cavitation；particle image velocimetry（PIV）；roughness；needle

TK421.4

A

0493-2137（2016）07-0749-06

10.11784/tdxbz201502007

2015-02-02；

2015-04-13.

國家自然科學基金資助項目（51176136）.

杜 青（1968— ），男，博士，研究員.

杜 青，duqing@tju．edu．cn.

網絡出版時間：2015-04-21. 網絡出版地址：http://www.cnki.net/kcms/detail/12.1127.N.20150421.0958.001.html.