基于超高燃油噴射壓力的噴霧特性試驗(yàn)研究與模型修正

劉　琦，歐陽(yáng)光耀，楊　昆，孫宇鵬

（1. 海軍工程大學(xué) 動(dòng)力工程學(xué)院，湖北　武漢 430033；2. 海軍大連地區(qū)裝備修理監(jiān)修室，遼寧　大連 116041）

基于超高燃油噴射壓力的噴霧特性試驗(yàn)研究與模型修正

劉琦1，歐陽(yáng)光耀1，楊昆1，孫宇鵬2

（1. 海軍工程大學(xué) 動(dòng)力工程學(xué)院，湖北武漢 430033；2. 海軍大連地區(qū)裝備修理監(jiān)修室，遼寧大連 116041）

為了研究超高壓噴射條件下二次破碎噴霧模型對(duì)燃油霧化特性的影響，在 AVL FIRE 軟件平臺(tái)上對(duì)燃油噴霧過程進(jìn)行數(shù)值模擬，搭建可視化噴霧閃光攝影試驗(yàn)臺(tái)架?；诔叩娜加蛧娚鋲毫?duì)燃油的霧束發(fā)展形態(tài)進(jìn)行了圖像采集，利用試驗(yàn)結(jié)果對(duì)二次破碎噴霧模型進(jìn)行修正，分析模型中主要參數(shù)對(duì)燃油霧化特性的影響。結(jié)果表明：KH 波破碎時(shí)間常數(shù) C2的減小有利于縮短噴霧貫穿距離，同時(shí)避免發(fā)生燃油撞壁現(xiàn)象；隨著RT波波長(zhǎng)常數(shù)C4的增大，二次破碎新生油滴的直徑變大，霧化效果變差；由于首次破碎過程對(duì)二次破碎過程的制約作用，導(dǎo)致C4對(duì)噴霧計(jì)算結(jié)果的影響不像 C2那樣顯著。

超高壓噴射；二次破碎模型；霧化特性；閃光攝影

0　引　言

電控共軌燃油噴射技術(shù)自從問世以來(lái)就在內(nèi)燃機(jī)領(lǐng)域內(nèi)受到了廣泛的關(guān)注并且顯示出了極大的優(yōu)越性，它是改善缸內(nèi)燃油霧化特性同時(shí)保證燃燒過程充分進(jìn)行的有效手段［1］。隨著各國(guó)排放法規(guī)的日趨嚴(yán)格及內(nèi)燃機(jī)相關(guān)工業(yè)技術(shù)的不斷發(fā)展，電控高壓共軌燃油噴射系統(tǒng)的燃油噴射壓力呈現(xiàn)出不斷提高的趨勢(shì)，在某些發(fā)動(dòng)機(jī)上已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了超高壓（≥ 180 MPa）噴射［2-3］。因此，開展超高壓噴射條件下的噴霧特性研究是進(jìn)一步改善柴油機(jī)燃燒排放性能的必要前提。近年來(lái)的文獻(xiàn)表明，針對(duì)定容器內(nèi)燃油噴注以及液滴破碎、霧化等過程形成了許多三維噴霧模型［4］，同時(shí)總結(jié)了相關(guān)的經(jīng)驗(yàn)公式，其中 KH-RT 模型是精度較高并且較為符合缸內(nèi)噴油實(shí)際情況的噴霧模型。然而現(xiàn)有的模型和經(jīng)驗(yàn)參數(shù)僅是基于較低的噴射壓力條件下獲得的，在超高壓噴射條件下還應(yīng)對(duì)模型進(jìn)行進(jìn)一步的試驗(yàn)驗(yàn)證和修正。

本文利用 KH-RT 二次破碎模型對(duì)缸內(nèi)燃油的噴霧特性進(jìn)行數(shù)值模擬，在搭建的可視化閃光攝影試驗(yàn)臺(tái)架上對(duì)定容器內(nèi)的油束發(fā)展過程進(jìn)行圖像采集。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果對(duì) KH-RT 模型進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證，并對(duì)主要的經(jīng)驗(yàn)參數(shù) KH 波破碎時(shí)間常數(shù) C2和RT 波波長(zhǎng)常數(shù) C4進(jìn)行修正以實(shí)現(xiàn)更高的計(jì)算精度。

1　KH-RT 噴霧模型

在該模型中，假定油束在向前運(yùn)動(dòng)發(fā)展時(shí)發(fā)生了2 次破碎過程。Kelvin-Helmholtz（KH）表面波原理主要適用于相對(duì)較高的速度和密度環(huán)境，假定油束的第一次分裂霧化過程受其控制。之后油滴再繼續(xù)發(fā)展的過程中承受空氣的阻力發(fā)生變形，在油滴背面出現(xiàn)一股較強(qiáng)的不穩(wěn)定擾動(dòng)，即 Rayleigh-Taylor（RT）不穩(wěn)定波起到的二次破碎作用［5］。新油滴半徑 Ra與表面波波長(zhǎng)關(guān)系為：

式中：C1為液滴穩(wěn)定直徑參數(shù)；Λ 為表面波波長(zhǎng)。原油滴半徑 R 與破碎時(shí)間存在如下關(guān)系：

噴霧場(chǎng)中液核區(qū)的破碎長(zhǎng)度為：

式中：C3為液體屬性參數(shù)；d 為噴孔直徑。

噴霧場(chǎng)發(fā)展后期的二次破碎時(shí)小液滴半徑 Rb和破碎時(shí)間 τb的表達(dá)式為：

式中：C4和√ C5為RT 波波長(zhǎng)和破碎時(shí)間常數(shù)；KT為波數(shù)；為RT 不穩(wěn)定波表明增長(zhǎng)速率。

2　噴霧測(cè)試試驗(yàn)臺(tái)架

可視化噴霧閃光攝影試驗(yàn)臺(tái)架原理如圖1所示。燃油噴射系統(tǒng)采用自主設(shè)計(jì)的超高壓共軌燃油噴射系統(tǒng)，噴油壓力可達(dá) 180 MPa?？梢暬b置為焊接全密閉的高壓定容器，在頂部設(shè)有一進(jìn)氣閥用來(lái)模擬真實(shí)的噴射背壓情況。圖像采集系統(tǒng)包括微控制器、驅(qū)動(dòng)電路、閃光燈和單反相機(jī)。試驗(yàn)中主要參數(shù)設(shè)置見表1。

圖1　噴霧測(cè)試試驗(yàn)臺(tái)架Fig. 1　Experimental bench of spray testing

表1　試驗(yàn)參數(shù)設(shè)置Tab. 1　Testing parameters

圖像采集控制原理如圖2所示，通過改變噴油器的脈沖信號(hào)可以控制噴油脈寬，通過控制噴油延遲和閃光延遲可以采集不同瞬時(shí)時(shí)刻的霧束圖像。圖像采集之后利用 Matlab 軟件中的二值圖像的像素點(diǎn)提取方法進(jìn)行后處理，就可以得到霧束發(fā)展圖像的清晰輪廓［6-7］，如圖3所示。

圖2　圖像采集控制原理圖Fig. 2　Image acquisition control principle

圖3　霧束形態(tài)圖像后處理Fig. 3　Spray image postprocessing

3　試驗(yàn)及仿真結(jié)果分析

3.1計(jì)算網(wǎng)格劃分

在 AVL FIRE 軟件平臺(tái)上進(jìn)行噴霧發(fā)展過程的仿真計(jì)算，利用 Fame Engine Plus 模塊對(duì)燃燒室的整個(gè)運(yùn)動(dòng)過程進(jìn)行網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格總數(shù)大約為95 000 左右，如圖4所示。

圖4　計(jì)算網(wǎng)格Fig. 4　Calculation grid

3.2KH 表面波破碎時(shí)間常數(shù) C2對(duì)噴霧計(jì)算的影響

圖5所示為C2取不同數(shù)值時(shí)噴霧貫穿距的計(jì)算值與試驗(yàn)值對(duì)比?？梢钥闯觯加妥試娍讎姵龊缶鸵暂^大的速度向前運(yùn)動(dòng)，此時(shí)油滴剛剛開始進(jìn)行初次破碎。隨著油束向前繼續(xù)發(fā)展，破碎時(shí)間常數(shù) C2對(duì)噴霧貫穿距產(chǎn)生了較大程度的影響，隨著 C2的增大，噴霧貫穿距離明顯增大，直接決定了噴油后期缸內(nèi)可燃混合氣的均勻程度以及燃油的附壁程度。根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)，破碎時(shí)間常數(shù) C2的取值范圍在 15～70 之間［5］。當(dāng)C2取 40 時(shí)，噴霧貫穿距的仿真計(jì)算值與試驗(yàn)值基本一致，在后期略大于試驗(yàn)值，說明此時(shí)模型具有較高的精度。

圖5　C2對(duì)噴霧貫穿距的影響Fig. 5　Effect of C2on the spray penetration distance

如圖6所示為t=0.8 ms 時(shí)刻不同 C2取值的油滴形態(tài)圖對(duì)比。C2值越小，油滴的平均直徑越小，油束的初次霧化進(jìn)行得越早。當(dāng) C2=30 時(shí)，油束已經(jīng)完成了第一次破碎，而當(dāng) C2=50 時(shí)，油束正處于第 1 次破碎過程中。說明合理的選取 C2值可以直觀地反映油滴在第 1 次破碎過程中的分裂程度。

圖6　前期油滴形態(tài)對(duì)比Fig. 6　Comparison of oil droplets in the early stage

3.3RT 波波長(zhǎng)常數(shù) C4對(duì)噴霧計(jì)算的影響

圖7所示為RT 波波長(zhǎng)常數(shù) C4取不同數(shù)值時(shí)噴霧貫穿距的計(jì)算值與試驗(yàn)值對(duì)比。可以看出，在噴油過程前期，缸內(nèi)燃油的噴霧貫穿距結(jié)果比較相近，差別很小。當(dāng)油束進(jìn)入二次破碎階段之后，液滴主要受到RT 波的不穩(wěn)地?cái)_動(dòng)，由式（6）可知較小的 C4值使新分裂出的油滴半徑減小，從而加速了燃油的霧化，導(dǎo)致噴霧貫穿距離變短。在合理的范圍內(nèi)選擇不同的 C4值計(jì)算后發(fā)現(xiàn)，C4取 2.5 時(shí)仿真計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果比較一致，可以模擬真實(shí)情況［8］。

圖7　C4對(duì)噴霧貫穿距的影響Fig. 7　Effect of C4on the spray penetration distance

如圖8所示為t=1.3 ms 時(shí)刻不同 C4取值的油滴形態(tài)圖對(duì)比。二次破碎過程中，隨著 C4的增大油束的噴霧貫穿距增大，油滴向前運(yùn)動(dòng)發(fā)展的距離更遠(yuǎn)。同時(shí)可以看出，C4對(duì)燃油霧化過程的影響并不像 C2那樣明顯，這是因?yàn)榈?1 次破碎過程發(fā)生后已經(jīng)有相當(dāng)部分的燃油霧化形成了氣態(tài)，參與二次破碎的燃油數(shù)量減少，第 1 次破碎的最終效果直接制約了二次破碎的初始狀態(tài)，故在 KH-RT 模型中 C2的取值對(duì)仿真計(jì)算結(jié)果有決定性影響。

圖8　后期油滴形態(tài)對(duì)比Fig. 8　Comparison of oil droplets in the late stage

圖9和圖10所示為利用常數(shù) C2和常數(shù) C4對(duì) KH_RT 模型修正之后的燃油整個(gè)霧束發(fā)展過程的仿真結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果比較?？梢钥闯觯M計(jì)算得到的仿真圖像和拍照獲得的試驗(yàn)圖像比較一致，只是在噴霧過程后期存在一定的誤差。燃油的第 1 次破碎主要發(fā)生在自噴孔噴出后不久的區(qū)域，油束的前部速度明顯下降，液滴直徑急劇減小，在噴霧軸線上明顯出現(xiàn)了高濃度區(qū)和低濃度區(qū)。隨著噴霧過程的進(jìn)行，油束后部尚未霧化的燃油進(jìn)入二次破碎階段。油滴在受到RT波不穩(wěn)定的擾動(dòng)時(shí)逐漸分裂成直徑更小的液滴，其軸向速度和徑向速度同時(shí)遞減，并且在與高壓空氣相互碰撞的過程中發(fā)生充分的能量交換。燃油的低濃度區(qū)域逐漸擴(kuò)大并且其濃度進(jìn)一步降低，均勻分布的可燃混合氣逐步形成。

圖9　噴霧發(fā)展過程試驗(yàn)結(jié)果Fig. 9　Test results of spray development process

圖10　噴霧發(fā)展過程仿真結(jié)果Fig. 10　Simulation results of spray development process

4　結(jié)　語(yǔ)

1）在超高的燃油噴射壓力條件下利用 AVL FIRE軟件對(duì)缸內(nèi)燃油的噴霧特性進(jìn)行了仿真分析，研究了KH-RT 噴霧模型中破碎時(shí)間常數(shù) C2和波長(zhǎng)常數(shù) C4對(duì)燃油霧化形態(tài)的影響。

2）搭建了可視化閃光攝影試驗(yàn)臺(tái)架并基于超高的燃油噴射壓力進(jìn)行了噴霧發(fā)展過程的圖像采集，經(jīng)過軟件處理之后利用試驗(yàn)結(jié)果對(duì) KH-RT 噴霧模型進(jìn)行了修正。

3）通過仿真計(jì)算與試驗(yàn)獲得的噴霧結(jié)果對(duì)比發(fā)現(xiàn)，隨著破碎時(shí)間常數(shù) C2的減小，油束的噴霧貫穿距變小，第 1 次破碎過程完成得較早；隨著波長(zhǎng)常數(shù) C4的增大，燃油在二次破碎過程中產(chǎn)生的新生油滴直徑增大，RT波的擾動(dòng)作用下降，霧化效果變差。同時(shí)發(fā)現(xiàn)第1 次破碎過程對(duì)第 2 次破碎過程有直接的制約作用。

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Experimental study and model modification of spray characteristics based on super-high pressure

LIU Qi1， OUYANG Guang-yao1， YANG Kun1， SUN Yu-peng2
（1. Academy of Power Engineering， Navy University of Engineering， Wuhan 430033， China；2. Dalian Navy Area Equipment Maintenance Supervisor Room， Dalian 116041， China）

In order to study the influence of the twice breakup spray model on the atomization characteristics under the condition of super-high pressure injection， the fuel spraying process was simulated on the AVL FIRE software platform. The visual spray flash photography test bench was set up. The image acquisition of the spray development form of fuel was carried out. The twice breakup spray model was modified by the experimental results. The influence of main parameters on the atomization characteristics was analyzed. The results show that the decrease of KH wave breakup time constant C2is conducive to shorten the spray penetration distance and avoid the fuel impinging wall phenomenon； With the increase of the RT wavelength constant C4， the diameter of the new oil drop of twice breakup becomes larger and the atomization effect becomes worse. Because of the restriction of the first breakup process to the second breakup process， the impact of C4on the spray calculation results is not as significant as C2.

super-high pressure injection；twice breakup model；atomization characteristics；flashing photography

TK421

A

1672-7619（2016）09-0092-04

10.3404/j.issn.1672-7619.2016.09.018

2015-11-05；

2015-12-26

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（51379212）；國(guó)家自然科學(xué)基金青年資助項(xiàng)目（51409254）

劉琦（1988-），男，博士，研究方向?yàn)閯?dòng)力機(jī)械及熱力系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、仿真與優(yōu)化。