入射壓力和背壓對(duì)柴油噴霧特性的影響

王繼剛， 王筱蓉， 劉吉濤， 王 勛

(江蘇科技大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，鎮(zhèn)江 212003)

入射壓力和背壓對(duì)柴油噴霧特性的影響

王繼剛， 王筱蓉， 劉吉濤， 王 勛

(江蘇科技大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，鎮(zhèn)江 212003)

柴油機(jī)的燃燒特性很大程度上取決于其噴霧特性，為了深入研究高入射壓力、高背壓下柴油噴霧特性，建立了多組分噴霧模型，該模型在原有噴霧模型的基礎(chǔ)上加入了多組分蒸發(fā)模型，考慮了柴油中主要組分對(duì)蒸發(fā)和噴霧的影響，并與已有的試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比驗(yàn)證模型的可行性.結(jié)果表明，在高背壓下，入射壓力達(dá)到一定值后，再增加入射壓力，柴油噴霧貫穿距增加很小，入射壓力對(duì)柴油噴霧體積和夾帶空氣質(zhì)量影響較大；在低背壓下，入射壓力對(duì)柴油噴霧體積和夾帶空氣質(zhì)量影響較小.入射壓力對(duì)破碎速度影響較大，而背壓對(duì)破碎速度影響很小.

柴油噴霧；噴霧特性；高入射壓力；高背壓；夾帶空氣質(zhì)量

全球經(jīng)濟(jì)危機(jī)的陰霾揮之不去，國(guó)際油價(jià)跌宕起伏，由此引發(fā)的環(huán)境問(wèn)題和能源安全問(wèn)題讓人堪憂(yōu).在此背景下，各個(gè)國(guó)家紛紛把注意力投向減少化石能源消耗、提高柴油燃燒效率上[1-3].柴油機(jī)具有能量轉(zhuǎn)換效率高、能量比度高和安全系數(shù)高的特點(diǎn)，在未來(lái)幾年將一直保持交通運(yùn)輸領(lǐng)域主導(dǎo)地位.在柴油機(jī)中，噴入缸內(nèi)燃油的霧化特性與蒸發(fā)特性會(huì)直接影響內(nèi)燃機(jī)燃燒和排放特性[4]，因此研究柴油噴霧特性顯得異常重要.

數(shù)值模擬是研究柴油噴霧的有效手段之一，可以利用理論模型來(lái)研究試驗(yàn)不能完成的任務(wù).Balaji Mohan等人在高環(huán)境密度條件下對(duì)噴霧宏觀(guān)特性進(jìn)行了研究，通過(guò)試驗(yàn)和數(shù)值模擬對(duì)噴霧貫穿距、噴霧速度和噴霧體積進(jìn)行了模擬驗(yàn)證[5]，得出結(jié)論，隨著環(huán)境氣體密度的減小和入射壓力的增加，噴霧動(dòng)量通量增大，入射壓力越大，燃油中空氣混合的就越多.Hongzhan Xie等人對(duì)宏觀(guān)噴霧特性如噴霧貫穿距、噴霧體積、噴霧面積等參數(shù)進(jìn)行了詳細(xì)的實(shí)驗(yàn)研究[6]，再次對(duì)前人的結(jié)論進(jìn)行了證明.Ziman Wang等人利用超高速成像技術(shù)和相位多普勒粒子分析儀技術(shù)(PDPA)研究了分次噴射情況下柴油噴霧的宏觀(guān)和微觀(guān)噴霧特性[7].綜合文獻(xiàn)可知，入射壓力在60-100 MPa，背壓在3-6 MPa下柴油的噴霧特性研究較少，并且高入射壓力高背壓下柴油噴霧過(guò)程比較復(fù)雜，有必要開(kāi)展相關(guān)研究.

眾所周知，柴油的組分有上百種，而目前的噴霧計(jì)算中大多采用單組份蒸發(fā)模型，單組份蒸發(fā)模型并不能完全反應(yīng)柴油的蒸發(fā)特性，因此本文基于經(jīng)典噴霧模型，建立了描述柴油噴霧的多組分噴霧模型，通過(guò)與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比，驗(yàn)證了模型的正確性，并分析了高入射壓力和高背壓對(duì)噴霧貫穿距、破碎速度、噴霧體積和夾帶空氣質(zhì)量的影響.

1 數(shù)學(xué)模型

1.1 多組分蒸發(fā)模型

傳統(tǒng)的蒸發(fā)模型基本都是基于燃油只含有一種組分的假設(shè)，這種假設(shè)和實(shí)際情況的燃油完全不符合，不能合理的預(yù)測(cè)燃油的蒸發(fā)過(guò)程.本研究在大量研究液滴蒸發(fā)過(guò)程的基礎(chǔ)上，采用 Sazhin的多組分蒸發(fā)模型來(lái)模擬噴霧過(guò)程[8].模型介紹如下.

用擴(kuò)散方程描述的液相擴(kuò)散方程各組成部分的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為

(1)

式中：l，m分別代表液相和不同的種類(lèi)；Dl為擴(kuò)散系數(shù)，對(duì)于所有的液滴種類(lèi)值都相同.

第m組分的蒸發(fā)率可以描述為

(2)

式中：εm為物種蒸發(fā)率；BM為斯伯丁質(zhì)量數(shù).

多組分液滴蒸發(fā)的潛熱為

(3)

式中：Lm為m組分的蒸發(fā)潛熱.

Yl,m(s)=εm，

(4)

式中：s代表表面.

液滴表面的質(zhì)量平衡方程為

(5)

該方程可以認(rèn)為是方程(1)的液滴表面邊界條件，需要補(bǔ)充液滴中心的一個(gè)條件:

(6)

和相關(guān)的一些初始條件.

平衡狀態(tài)下，m組分液滴表面燃油蒸汽的分壓可以由Raoult定律求得:

(7)

采用Clausius-Clapeyron方程可以求出單一組分的分壓:

(8)

式中：Mm為分子質(zhì)量；Tb,m為m組分的沸點(diǎn)；pamb為背壓.

在實(shí)際情況下，柴油汽油等的成分都有數(shù)百種，這種方法將不能用，有一個(gè)替代的方法可以使該模型能用，基于連續(xù)熱力學(xué),為此引入分布函數(shù)

(9)

式中：Γ(α)為gamma函數(shù);α,β為決定分布形狀的參數(shù);γ為原始移位，I1=λ，I2=.

1.2 KH-RT破碎模型

KH-RT模型認(rèn)為:在液滴破碎過(guò)程中，KH表面波和RT擾動(dòng)一直處于競(jìng)爭(zhēng)關(guān)系.KH機(jī)理適宜于高相對(duì)速度和高環(huán)境密度的液滴破碎.RT機(jī)理適宜于描述由于液滴的快速減速而導(dǎo)致表面波在液滴的背風(fēng)面快速增長(zhǎng),引起變形導(dǎo)致破碎成小液滴.

在極限情況下可以忽略流體的粘度，Bellman和Pennington得出了wavenumber的方程

(10)

和增長(zhǎng)率方程

(11)

在這里a為從低密度流體到高密度流體的加速度，Patterson和Reitz求出了加速度a.

(12)

RT擾動(dòng)產(chǎn)生的新液滴半徑與RT波長(zhǎng)成正比.

(13)

RT破碎時(shí)間為

(14)

柴油機(jī)噴霧可以分為液核區(qū)和氣液混合區(qū)，液核區(qū)的長(zhǎng)度可以用以下經(jīng)驗(yàn)公式描述:

(15)

式中：d0為噴孔直徑；C3，C4，C5為模型參數(shù).

2 邊界條件

本研究中模擬計(jì)算域采用長(zhǎng)方體定容室，如圖1所示，計(jì)算區(qū)域大小為20mm×20mm×100mm，最小網(wǎng)格大小為0.7mm×0.7mm×0.7mm.表1是試驗(yàn)條件，表2是噴霧模擬所采用的條件.

圖1 計(jì)算網(wǎng)格

表1 試驗(yàn)條件

項(xiàng)目參數(shù)噴孔數(shù)1環(huán)境氣體空氣環(huán)境溫度/K303背壓/MPa6入射壓力/MPa150

表2 噴霧模擬條件

3 模型的校核與驗(yàn)證

3.1 模型的校核

為了驗(yàn)證本文提出的模型的正確性，本文通過(guò)已有試驗(yàn)數(shù)據(jù)[9]來(lái)模擬驗(yàn)證.利用不同網(wǎng)格尺寸(0.7 mm、1 mm、2 mm)模擬驗(yàn)證了噴霧貫穿距、噴霧錐角和噴霧形態(tài)3個(gè)參數(shù).其中湍流模型采用k-ε模型,k-ε模型參數(shù)見(jiàn)表3，其他模型參數(shù)均采用默認(rèn)模型參數(shù)，具體參見(jiàn)各自參考文獻(xiàn).

表3 k-ε模型參數(shù)

本文采用3種網(wǎng)格尺寸(0.5 mm、0.7 mm和1 mm)對(duì)模型進(jìn)行校核，圖2給出了3種不同網(wǎng)格所計(jì)算出的噴霧貫穿距隨時(shí)間的變化，可以看出，網(wǎng)格尺寸在小于0.7 mm以后網(wǎng)格大小基本上對(duì)結(jié)果影響很小，因此，本文選取網(wǎng)格尺寸為0.7 mm進(jìn)行計(jì)算.

圖2 不同網(wǎng)格對(duì)噴霧貫穿距的影響

3.2 模型的驗(yàn)證

本文利用網(wǎng)格尺寸0.7 mm與實(shí)驗(yàn)值對(duì)比，驗(yàn)證模型的可行性.圖3是模擬的噴霧溫度云圖和實(shí)際噴霧形狀在0.8, 1.6和2.0 ms時(shí)的對(duì)比，其中，黑色曲線(xiàn)代表實(shí)際噴霧形狀.通過(guò)對(duì)噴霧形態(tài)的比較，我們可以很清楚的看到，該模型模擬的噴霧特性和實(shí)驗(yàn)值符合的很好.也可以看出，在開(kāi)始階段(0-0.8 ms)，模擬的噴霧錐角比試驗(yàn)值偏小，之后基本與實(shí)驗(yàn)值重合.因此，所建立的模型可以分析柴油的噴霧特性.

圖3 噴霧時(shí)刻在0.8,1.6和2.0 ms時(shí)噴霧形態(tài)

4 計(jì)算結(jié)果與分析

4.1 對(duì)噴霧貫穿距的影響

圖4為不同入射壓力和背壓下柴油噴霧貫穿距隨噴霧時(shí)間的變化曲線(xiàn).從圖4(a)可以看出，隨著入射壓力的增加噴霧貫穿距增加越來(lái)越明顯.對(duì)比圖4(a)、(b)可以發(fā)現(xiàn)，在高背壓下入射壓力達(dá)到80 MPa時(shí)，噴霧貫穿距增加很小，幾乎不變.這說(shuō)明在高背壓下，入射壓力達(dá)到一定值后再增加入射壓力柴油噴霧貫穿距增加很小.

4.2 對(duì)噴霧破碎速度的影響

破碎速度是評(píng)價(jià)噴霧特性的一個(gè)重要指標(biāo)，破碎速度越大，表明燃油更加易于缸內(nèi)氣體混合，更加利于燃燒.破碎速度采用以下公式[10]計(jì)算:

(16)

圖4 不同入射壓力和背壓下的噴霧貫穿距

式中：ΔP為壓差，bar；ρg為環(huán)境氣體密度，kg/m3；us(t)為破碎速度，m/s.

圖5給出了不同入射壓力和背壓下柴油破碎速度隨噴霧時(shí)間的變化曲線(xiàn)，由圖可以看出，入射壓力越大破碎速度越大.在背壓為3MPa，破碎速度從60MPa上升到80MPa、100MPa時(shí)，柴油破碎速度分別平均增加了7.8%和14.2%左右.在背壓為6MPa，破碎速度從60MPa上升到80MPa、100MPa時(shí)，柴油破碎速度分別平均增加了8.2%和14.8%左右，這說(shuō)明入射壓力對(duì)破碎速度影響較大，而背壓對(duì)破碎速度影響很小.

4.3 對(duì)噴霧體積的影響

噴霧體積就是霧化的體積，它也是評(píng)價(jià)燃油噴霧特性不可或缺的一個(gè)參數(shù)，噴霧體積越大，燃油與環(huán)境氣體混合的越充分.噴霧體積計(jì)算公式[5-6]為

(17)

式中：V為噴霧體積；l為噴霧貫穿距；θ為噴霧錐角.

圖5 不同入射壓力和背壓下的破碎速度

圖6是不同入射壓力和背壓下柴油噴霧體積隨噴霧時(shí)間的變化.在背壓為3MPa，入射壓力從60MPa增加到80MPa和100MPa時(shí)，噴霧體積分布平均增加了8.9%和12.5%. 在背壓為6MPa，入射壓力從60MPa增加80MPa和100MPa時(shí)，噴霧體積分別平均增加31.8%和45.9%.這說(shuō)明在低背壓下入射壓力對(duì)柴油噴霧體積影響較小，而在高背壓下對(duì)柴油噴霧體積影響較大.

圖6 不同入射壓力和背壓下的噴霧體積

4.4 對(duì)噴霧夾帶空氣質(zhì)量的影響

噴霧夾帶空氣質(zhì)量是一個(gè)非常有用的參數(shù)，一方面，它是評(píng)價(jià)燃油空氣混合特性的關(guān)鍵參數(shù)；另一方面，它是優(yōu)化噴霧系統(tǒng)和控制煙灰產(chǎn)生的一個(gè)參數(shù).因此，很有必要研究噴霧夾帶空氣質(zhì)量這一參數(shù).噴霧夾帶空氣質(zhì)量計(jì)算公式[5]為

(18)

式中：ρa(bǔ)為環(huán)境氣體密度.

圖7顯示了不同入射壓力和背壓下柴油噴霧夾帶空氣質(zhì)量隨時(shí)間的變化.在背壓為3MPa，入射壓力從60MPa升高到80MPa和100MPa時(shí)，柴油夾帶空氣質(zhì)量平均提高了8.9%和11.9%.在背壓為6MPa，入射壓力從60MPa升高到80MPa和100MPa時(shí)，柴油夾帶空氣質(zhì)量平均提高了33%和48.7%.說(shuō)明在高背壓條件下入射壓力對(duì)夾帶空氣質(zhì)量影響更加明顯.另一方面，對(duì)比圖7(a)(b)可知，高入射壓力低背壓條件下噴霧夾帶空氣質(zhì)量越大，這和以前學(xué)者們得到的結(jié)論是吻合的.

圖7 不同入射壓力和背壓下的噴霧夾帶空氣質(zhì)量

5 結(jié) 論

1)建立了入射壓力在60-100MPa,背壓在3-6MPa下柴油噴霧的多組分噴霧模型，并與已有的試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，驗(yàn)證了模型的正確性.

2)在高背壓(大于3MPa)下，入射壓力達(dá)到一定值后再增加入射壓力柴油噴霧貫穿距增加很小.

3)入射壓力對(duì)破碎速度影響較大，而背壓對(duì)破碎速度影響很小.在背壓為3MPa，破碎速度從60MPa上升到80MPa、100MPa時(shí)，柴油破碎速度分別平均增加了7.8%和14.2%左右.在背壓為6MPa，破碎速度從60MPa上升到80MPa、100MPa時(shí)，柴油破碎速度分別平均增加了8.2%和14.8%左右.

4)在低背壓(小于3MPa)下，入射壓力對(duì)柴油噴霧體積和夾帶空氣質(zhì)量影響較小，而在高背壓(大于3MPa)下對(duì)柴油噴霧體積和夾帶空氣質(zhì)量影響較大.

[1] 李明磊,張會(huì)強(qiáng),李佳峰,等. 多組分生物燃料液滴蒸發(fā)過(guò)程研究[J]. 工程熱物理學(xué)報(bào)，2012，33(12)：2211-2214.

[2] 堯命發(fā),龐 闊,谷靜波,等. 正丁醇/生物柴油高預(yù)混壓燃燃燒及排放特性的試驗(yàn)[J]. 內(nèi)燃機(jī)學(xué)報(bào)，2013，31(3)：193-199.

[3] 朱浩月,ASSANISDennis,黃 震. 低溫燃燒模式生物柴油發(fā)動(dòng)機(jī)CO和HC的排放[J]. 內(nèi)燃機(jī)學(xué)報(bào)，2014，32(1)：1-5.

[4] 薛繼業(yè)，李向榮，高浩卜. 柴油噴霧特性實(shí)驗(yàn)研究[J]. 車(chē)輛與動(dòng)力技術(shù)， 2016(2)：39-48.

[5]MohanB,YangW,TayKL,etal.Macroscopicspraycharacterizationunderhighambientdensityconditions[J].ExperimentalThermalandFluidScience, 2014, 59(8):109-117.

[6]XieHZ,SongLB,XieYZ,etal.AnExperimentalStudyontheMacroscopicSprayCharacteristicsofBiodieselandDieselinaConstantVolumeChamber[J].Energies,2015,8(6):5952-5972.

[7]WangZM,XuHM,JiangC,etal.Experimentalstudyonmicroscopicandmacroscopiccharacteristicsofdieselspraywithsplitinjection[J].Fuel, 2016, 174(1):140-152.

[8]SazhinSS.Advancedmodelsoffueldropletheatingandevaporation[J].ProgressinEnergyandCombustionScience, 2006,32(2):162-214.

[9]Enginecombustionnetwork.SandiaNationalLaborat-ories, 2013. .

[10]RaghuP，MukilanMS，ViswanathRB，etal.ExperimentalStudyontheSprayCharacteristicsofDieselandBiodiesel(Jatrophaoil)inaSprayChamber[J].AdvancedMaterialsResearch, 2013, 768:180-187.

Effect of Injection Pressure and Ambient Pressure on DieselSpray Characteristics

WANG Ji-gang, WANG Xiao-rong, LIU Ji-tao, WANG Xun

(Institute of Mechanical Engineering, Jiangsu University of Science and Technology,Zhenjiang 212003, China)

The combustion characteristics of a diesel engine are largely determined by its spray characteristics. In order to study the spray characteristics under high injection pressure and high ambient pressure, a multi-component spray model was established with a multi-component evaporation model. The effect of main components in the fuel was taken into account on the evaporation and the spray. The feasibility of the model was verified by the existing experiment data. The results show that, under the condition of high ambient pressure, the spray penetration increases very small when the injection pressure reaches a certain value, but the injection pressure has a great influence on both the spray volumn and the air entrainment. However, in the envirememnt of low ambient pressure, the injection pressure has a little influence on both the spray volumn and the air entrainment. In addition, the injection pressure has a large impact on the breakup velocity, but the ambient pressure has a little effect on it.

diesel spray; spray characteristics; high injection pressure; high ambient pressure; air entrainment

1009-4687(2017)02-0038-06

2016-10-31

國(guó)家自然科學(xué)基金(51306021)資助

王繼剛(1991-)，男，碩士，研究方向?yàn)閮?nèi)燃機(jī)霧化分析、液滴蒸發(fā)研究.

TK16

A