背壓對(duì)噴油嘴斷油過程中氣體倒流現(xiàn)象的影響

文 華 王晨亮 MEDHAT Elkelawy 姜光軍

(1.南昌大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，南昌 330031； 2.坦塔大學(xué)工學(xué)院，坦塔 31111)

背壓對(duì)噴油嘴斷油過程中氣體倒流現(xiàn)象的影響

文 華1王晨亮1MEDHAT Elkelawy2姜光軍1

(1.南昌大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，南昌 330031； 2.坦塔大學(xué)工學(xué)院，坦塔 31111)

基于流體體積(VOF)模型和動(dòng)態(tài)重疊網(wǎng)格技術(shù)對(duì)針閥關(guān)閉過程的噴油嘴內(nèi)流場(chǎng)進(jìn)行了瞬態(tài)模擬，分析發(fā)現(xiàn)在斷油過程中，噴油嘴壓力室和噴孔入口兩個(gè)位置都會(huì)發(fā)生空化現(xiàn)象，與試驗(yàn)現(xiàn)象一致。計(jì)算得到的最大空化體積與倒流氣體體積基本相等，說明空化潰滅是造成外部氣體倒流的主要原因。壓力室內(nèi)的空化潰滅是引起倒流氣體進(jìn)一步流入壓力室的必要條件。進(jìn)一步從理論推導(dǎo)出新的變量——空化數(shù)，用以評(píng)估針閥關(guān)閉過程噴嘴內(nèi)空化的程度，得出背壓增大，斷油過程的空化程度減弱，使倒流的氣體體積減少，較好地解釋了背壓對(duì)氣體倒流的影響規(guī)律。

氣體倒流； 噴油嘴； 數(shù)值模擬； 可視化試驗(yàn)； 背壓； 空化

引言

柴油機(jī)的燃油噴霧特性對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的經(jīng)濟(jì)性、動(dòng)力性、排放性能有重要影響，而噴霧特性受到噴嘴內(nèi)部流場(chǎng)的影響[1]。在不同比例尺寸的透明噴嘴噴射試驗(yàn)研究[2-7]中發(fā)現(xiàn)，穩(wěn)定噴射階段在噴孔入口處發(fā)生空化現(xiàn)象，空化使噴孔流量系數(shù)降低，并對(duì)射流霧化起到促進(jìn)作用，同時(shí)也指出放大噴嘴和實(shí)際噴嘴內(nèi)部的空化現(xiàn)象存在差異[8]。隨著多次噴射技術(shù)的廣泛應(yīng)用，針閥開啟與關(guān)閉過程對(duì)應(yīng)的非穩(wěn)定噴射階段所占的時(shí)間比重增大，國內(nèi)外學(xué)者[9-12]開始利用透明噴油嘴研究針閥運(yùn)動(dòng)帶來的影響。DUKE等[13-17]采用X射線相襯成像技術(shù)拍攝到實(shí)際噴油嘴中噴孔內(nèi)存在空化與氣體倒流現(xiàn)象，并且發(fā)現(xiàn)針閥運(yùn)動(dòng)會(huì)對(duì)射流霧化產(chǎn)生影響。本課題組[18]利用高速頻閃技術(shù)拍攝到實(shí)際尺寸透明噴嘴內(nèi)的倒流氣體現(xiàn)象，分析指出倒流氣體量隨燃料表面張力減小而增大。目前國內(nèi)外的研究主要集中于穩(wěn)態(tài)噴射時(shí)噴孔內(nèi)部空化現(xiàn)象，對(duì)于噴油嘴斷油瞬態(tài)過程中的空化和氣體倒流現(xiàn)象的機(jī)理分析以及背壓對(duì)倒流現(xiàn)象的影響研究比較欠缺。本文對(duì)實(shí)際噴孔尺寸透明噴嘴進(jìn)行可視化試驗(yàn)，基于流體體積 (Volume of fluid,VOF)方法的多相流模型模擬噴油嘴內(nèi)部流場(chǎng)，采用重疊網(wǎng)格技術(shù)實(shí)現(xiàn)針閥運(yùn)動(dòng)，研究斷油過程中背壓對(duì)噴嘴內(nèi)空化及氣體倒流現(xiàn)象的影響。

1 不同背壓下斷油時(shí)噴油嘴內(nèi)流場(chǎng)試驗(yàn)

在噴油嘴可視化試驗(yàn)裝置基礎(chǔ)上加裝定容彈，通過改變定容彈壓力實(shí)現(xiàn)噴油嘴的背壓調(diào)節(jié)。加工的透明噴油嘴為軸對(duì)稱直孔結(jié)構(gòu)，孔徑0.2 mm，孔長(zhǎng)約1.3 mm?？紤]到透明噴油嘴材料強(qiáng)度較低，燃油噴射系統(tǒng)使用0號(hào)柴油，油軌壓力設(shè)定為30 MPa，分別對(duì)背壓pb為0.1 MPa和1 MPa條件下的噴油嘴內(nèi)部流動(dòng)進(jìn)行高速頻閃拍攝，頻閃儀閃光持續(xù)時(shí)間為180 ns，有效地凍結(jié)了流場(chǎng)。試驗(yàn)結(jié)果如圖1所示，拍攝時(shí)刻以針閥關(guān)閉時(shí)刻(End of injection, EOI)為時(shí)間參考點(diǎn)，圖中黑色部分是由于氣液界面對(duì)光散射造成的，可反映空化和倒流氣泡界面。

0.1 MPa背壓條件下，在EOI-0.1 ms(處于針閥完全開啟，穩(wěn)定噴射時(shí))，孔內(nèi)有部分空化；在EOI時(shí)由于針閥關(guān)閉產(chǎn)生的擾動(dòng)和斷油使得噴油嘴內(nèi)部產(chǎn)生的壓力迅速降低而產(chǎn)生空化，導(dǎo)致噴孔和壓力室內(nèi)均產(chǎn)生較多的空化氣泡；在EOI+0.2 ms時(shí)，噴孔內(nèi)的空化潰滅，使孔外環(huán)境氣體倒流進(jìn)入噴孔內(nèi)；在EOI+0.4 ms時(shí)，壓力室內(nèi)的空化進(jìn)一步潰滅使已經(jīng)進(jìn)入噴孔內(nèi)的環(huán)境氣體倒流進(jìn)入壓力室；由于壓力室內(nèi)空化比較劇烈，在下一次噴射開始時(shí)刻(Start of injection, SOI)，倒流氣體還沒有完全聚合成大氣泡，但噴孔內(nèi)已經(jīng)形成較大的氣泡。

1 MPa背壓條件下，在EOI-0.1 ms時(shí)并沒有明顯空化現(xiàn)象；在EOI時(shí)，噴孔內(nèi)發(fā)生一部分空化，壓力室內(nèi)幾乎沒有空化產(chǎn)生；這也使得在EOI+0.4 ms只有少量氣體倒流進(jìn)入噴孔內(nèi)，壓力室內(nèi)沒有倒流氣泡；最終形成的初始?xì)馀葜煌Ａ粼趪娍兹肟诟浇?/p>

圖1 不同背壓下斷油時(shí)噴嘴內(nèi)部流場(chǎng)(圓圈為空化、方框?yàn)榈沽鳉馀?Fig.1 Flow fields with different ambient pressures after end of injection (circles showed cavitation, boxes showed ingestion air)

試驗(yàn)結(jié)果顯示，在針閥關(guān)閉時(shí)噴孔及壓力室內(nèi)部都迅速產(chǎn)生空化現(xiàn)象，空化潰滅后外部氣體倒流進(jìn)入噴嘴。對(duì)比2種背壓條件下的試驗(yàn)現(xiàn)象，高背壓條件下斷油過程噴嘴內(nèi)的空化區(qū)域較小，倒流氣體體積也隨之減小。

2 噴嘴內(nèi)流場(chǎng)數(shù)值模擬

2.1 計(jì)算模型與邊界設(shè)置

基于VOF模型和重疊網(wǎng)格技術(shù)，對(duì)斷油過程噴嘴內(nèi)的氣-液-汽兩相三組分瞬態(tài)湍流流動(dòng)進(jìn)行模擬。數(shù)學(xué)物理模型采用均相流模型框架下的標(biāo)準(zhǔn)k-ε湍流模型、Sauer空化相變模型和Kistler相界面接觸角模型。

受透明噴嘴加工手段限制，制作的透明噴嘴和實(shí)際噴油嘴壓力室結(jié)構(gòu)有些差異，故流場(chǎng)計(jì)算的幾何模型采用文獻(xiàn)[15]的單孔軸對(duì)稱噴嘴。孔徑0.206 mm,孔長(zhǎng)1.16 mm，噴孔與針閥軸線夾角為0°，壓力室體積為1.122 mm3。噴射流體為柴油，環(huán)境氣體為空氣，計(jì)算中流體為柴油，在常溫下其密度為840 kg/m3，運(yùn)動(dòng)粘度為4.24 mm2/s，飽和蒸汽壓力為0.27 kPa，表面張力為0.027 8 N/m。

模擬中網(wǎng)格劃分和邊界設(shè)置如圖2所示，為減少計(jì)算工作量，網(wǎng)格采用二維軸對(duì)稱多面體網(wǎng)格。針閥運(yùn)動(dòng)使用重疊網(wǎng)格技術(shù)實(shí)現(xiàn)，針閥周圍生成一套重疊網(wǎng)格，按圖3所示的規(guī)律運(yùn)動(dòng)。每個(gè)時(shí)刻的流動(dòng)區(qū)域由重疊網(wǎng)格、背景網(wǎng)格和壁面確定。當(dāng)針閥間隙內(nèi)的網(wǎng)格小于2層時(shí)，間隙中的網(wǎng)格不激活，即針閥關(guān)閉。流場(chǎng)入口和出口設(shè)為壓力邊界，入口壓力pinj為50 MPa，出口背壓pb分別取0.1、1.0、2.0 MPa。

圖2 邊界條件設(shè)定Fig.2 Boundary condition design1.燃油入口 2.針閥 3.閥座 4.重疊區(qū)域 5.壓力室 6.噴孔 7.軸對(duì)稱邊界 8.環(huán)境區(qū)域 9.壓力出口邊界

圖3 針閥運(yùn)動(dòng)規(guī)律Fig.3 Law of needle movement

2.2 模型驗(yàn)證

計(jì)算網(wǎng)格在噴孔及壓力室區(qū)域做局部加密，進(jìn)行網(wǎng)格獨(dú)立性分析，以噴嘴內(nèi)空化體積作為網(wǎng)格獨(dú)立性的評(píng)判依據(jù)。不同網(wǎng)格基本尺寸的空化體積如圖4所示。當(dāng)網(wǎng)格基本尺寸減小到0.012 mm后，空化體積基本保持不變，取該網(wǎng)格基本尺寸可以滿足網(wǎng)格獨(dú)立性要求。

圖4 網(wǎng)格獨(dú)立性驗(yàn)證Fig.4 Verification of mesh-dependence

模擬計(jì)算邊界條件取SWANTEK等[19]試驗(yàn)對(duì)應(yīng)的pinj=50 MPa和pb=0.1 MPa，模擬結(jié)果和試驗(yàn)結(jié)果的對(duì)比如圖5所示，對(duì)比發(fā)現(xiàn)模擬和試驗(yàn)的噴油嘴壓力室和噴孔內(nèi)的倒流氣體分布形態(tài)基本吻合，從而驗(yàn)證了計(jì)算模型的可靠性。

圖5 倒流氣體分布的仿真與試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比(右圖紅圈中為倒流氣泡)Fig.5 Contrast between simulation and experiment results of ingestion air(red circles on right showed ingestion air)

2.3 斷油過程中噴油嘴內(nèi)部流場(chǎng)分析

圖6 噴油嘴內(nèi)空氣、空化、燃油分布的變化過程Fig.6 Changing process of distribution of air, cavitation and fuel in nozzle

圖7 空化體積與倒流氣體體積關(guān)系曲線Fig.7 Relationship curves between cavitation volume and ingested air volume

圖6為pinj=50 MPa和pb=0.1 MPa時(shí)噴油嘴內(nèi)空氣、空化、燃油分布的變化過程，圖7是空化與倒流氣體體積變化曲線，結(jié)合兩圖進(jìn)行分析。在0.020 ms時(shí)刻針閥開始關(guān)閉前，由于噴孔入口圓角較大，在穩(wěn)定噴射階段噴孔入口下游沒有發(fā)生空化。在0.020～0.070 ms針閥關(guān)閉過程中，由于針閥運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的擾動(dòng)使噴孔入口下游有少量空化產(chǎn)生和潰散的交替現(xiàn)象。在0.070 ms時(shí)，由于針閥完全關(guān)閉使針閥密封面附近燃油流速迅速降低為零，噴孔入口附近流速也隨之下降，導(dǎo)致壓力室內(nèi)閥座密封面附近和噴孔內(nèi)的壓力降低，從而迅速出現(xiàn)空化現(xiàn)象。0.100 ms時(shí)噴孔內(nèi)空化體積達(dá)到最大值0.02 mm3，空化開始潰滅并伴隨著外部氣體倒流進(jìn)入噴孔。在0.180 ms噴油嘴內(nèi)的總空化體積達(dá)到最大值0.053 mm3，隨后總空化體積開始減小。從圖7可以看出，噴孔內(nèi)空化程度小于壓力室，噴孔內(nèi)的空化首先發(fā)生潰滅，在其完全潰滅后壓力室內(nèi)部空化才開始潰滅。這是由于噴孔位置更靠近孔外區(qū)域，孔外壓力向噴嘴內(nèi)部傳遞，先經(jīng)過噴孔使噴孔內(nèi)空化潰滅先于壓力室發(fā)生。在0.700 ms壓力室內(nèi)空化已經(jīng)基本潰滅消失，潰滅過程導(dǎo)致的氣液界面移動(dòng)使外部氣體倒流進(jìn)入到壓力室內(nèi)。在1.000 ms時(shí)刻倒流氣體在氣液表面張力的作用下，界面收縮形成氣泡，噴嘴內(nèi)倒流氣體體積為0.058 mm3，略大于最大總空化體積。1.500 ms時(shí)流體基本靜止，該氣泡殘留在壓力室內(nèi)，將隨下一次噴射排出噴孔。

氣體倒流的形成機(jī)理可從兩方面做出解釋。首先從圖7中可以看出，空化體積的減小過程和倒流氣體體積增加過程基本是同步進(jìn)行的，空化的生成導(dǎo)致噴孔內(nèi)近似相等體積量的燃油流出，降低了孔內(nèi)殘余燃油量，噴油嘴內(nèi)空出的體積由臨近流體填充，從而導(dǎo)致外部氣體跟隨倒流進(jìn)入噴嘴。其次少量孔內(nèi)燃油受到流出噴孔的燃油粘性力作用被拖曳出噴孔，而流入部分外部氣體，導(dǎo)致倒流氣體體積比最大總空化體積略大。綜上所述，空化現(xiàn)象造成的孔內(nèi)燃油擠出效應(yīng)是影響倒流氣體體積的主要因素，最大總空化體積基本等于倒流氣體體積。

2.4 背壓對(duì)氣體倒流的影響

圖8是在pinj=50 MPa條件下，針閥關(guān)閉后噴嘴內(nèi)最大總空化體積和倒流氣體體積隨背壓變化的曲線?？梢钥闯鲭S著背壓的升高，最大總空化體積和倒流氣體體積逐漸減小，說明背壓對(duì)空化有抑制作用。背壓增大使斷油過程噴嘴內(nèi)燃油流出的阻力增大，噴嘴內(nèi)部壓力降低幅度減小，空化程度減弱，從而導(dǎo)致空化體積減小，倒流氣體體積也相應(yīng)減小。

圖8 不同背壓對(duì)空化量和氣體倒流的影響Fig.8 Effects of ambient pressure on cavitation volume and ingested air volume

圖9 不同背壓下空化和倒流氣體云圖Fig.9 Contours of cavitation and air ingestion with different ambient pressures

圖9是pinj為50 MPa噴射壓力下，環(huán)境背壓分別為0.1、1.0、2.0 MPa條件下的壓力室內(nèi)空化最大時(shí)刻以及最后穩(wěn)定時(shí)刻的燃油體積分?jǐn)?shù)分布云圖?？梢钥闯觯S著背壓升高，壓力室內(nèi)最大空化體積減小，進(jìn)入壓力室內(nèi)的氣泡隨之減小。根據(jù)圖7的分析結(jié)果，空化潰滅是導(dǎo)致氣體倒流的主要因素，空化體積和倒流氣體體積基本相等，所以最大空化體積大于噴孔體積時(shí)倒流氣體會(huì)進(jìn)入壓力室。壓力室內(nèi)空化潰滅使噴孔內(nèi)部液體回流從而使倒流進(jìn)入噴孔的氣體能進(jìn)一步卷入壓力室。故壓力室內(nèi)的空化潰滅是氣體倒流進(jìn)入壓力室的必要條件。有研究表明[20-21]，發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)工作的噴油嘴內(nèi)部結(jié)焦由于高溫引起，針閥關(guān)閉后回流的高溫燃?xì)饪赡芤饑娪妥靸?nèi)部結(jié)焦。

3 空化機(jī)理分析

圖10 簡(jiǎn)化的噴孔流動(dòng)模型Fig.10 Simplified flow model of nozzle

忽略壓力室的幾何結(jié)構(gòu)影響，將噴嘴內(nèi)流動(dòng)近似看作直孔內(nèi)的Poiseuille流動(dòng)，如圖10所示。圖中陰影部分為噴孔內(nèi)端，這部分流體在斷流時(shí)受到的拉伸作用力最大，壓力變化較大，則孔內(nèi)流體動(dòng)量方程可表示為

(1)

式中un——噴孔內(nèi)流體平均流速

pi——噴孔內(nèi)端壓力

ρ——燃油密度ν——運(yùn)動(dòng)粘度

ln——噴孔等效長(zhǎng)度

An——噴孔等效截面積

式(1)中噴孔內(nèi)端壓力pi可近似表示為

(2)

式中K——燃油體積模量

uc——噴孔入口流速

β——噴孔內(nèi)端長(zhǎng)度所占比例

把方程(2)代入微分后的方程(1)可得un的二階常微分方程，并求出該二階系統(tǒng)的固有頻率ω0、阻尼比ξ和相位φ

(3)

其中

當(dāng)不考慮粘性時(shí)，式(3)可簡(jiǎn)化為

(4)

由于pimin在噴孔內(nèi)不低于燃油飽和蒸氣壓psat，壓力差存在極限值?？啥x針閥關(guān)閉過程的空化數(shù)為

(5)

CN代表噴孔內(nèi)燃油壓力極限勢(shì)能與初始動(dòng)能的比值。當(dāng)初始動(dòng)能等于壓力極限勢(shì)能時(shí)，噴孔內(nèi)端壓力會(huì)降到燃油飽和蒸汽壓，發(fā)生臨界空化；若進(jìn)一步增大初始動(dòng)能，即減小CN，孔內(nèi)端壓力不能下降，但空化程度增大。因此CN可以表征針閥關(guān)閉過程中噴嘴內(nèi)部發(fā)生空化的程度。從式(5)可得,隨著pb減小，uc、ρ、K增大，CN越小，空化越劇烈。

上述分析可以對(duì)本文的試驗(yàn)現(xiàn)象和模擬結(jié)果作出理論解釋：隨著背壓增加，空化數(shù)變大，在斷油過程壓力室和噴孔內(nèi)的空化程度減小，造成倒流氣體體積的減小。

4 結(jié)論

(1)試驗(yàn)和模擬結(jié)果表明，針閥關(guān)閉時(shí)在壓力室針閥密封面附近及噴孔入口附近都會(huì)迅速產(chǎn)生空化現(xiàn)象，空化潰滅伴隨著孔外氣體倒流進(jìn)入噴油嘴；對(duì)于實(shí)際工作的噴油器，倒流的高溫燃?xì)饪赡茉斐蓢娮靸?nèi)部結(jié)焦。

(2)定量分析發(fā)現(xiàn)，斷流過程中的最大空化體積基本等于倒流氣體體積，說明空化潰滅是導(dǎo)致氣體倒流的主要因素，壓力室內(nèi)的空化潰滅易引起倒流氣體進(jìn)一步流入壓力室。

(3)提出了表征斷油過程噴嘴內(nèi)空化程度的空化數(shù)CN，從理論分析得出，隨著背壓增大，CN增大，斷油過程的空化程度減弱，從而使倒流的氣體體積減少，這與試驗(yàn)及模擬結(jié)果相符。

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InfluenceofAmbientPressureonGasIngestioninDieselNozzleafterEndofInjection

WEN Hua1WANG Chenliang1MEDHAT Elkelawy2JIANG Guangjun1

(1.CollegeofMechanicalandElectricalEngineering,NanchangUniversity,Nanchang330031,China2.FacultyofEngineering，TantaUniversity，Tanta31111，Egypt)

For researching phenomena of the cavitation and the air ingestion in the nozzle under different ambient pressures, a visualization experiment with a transparent injector nozzle was carried out, which used the stroboscope, long-distance microscope, CCD camera, high-pressure spray chamber etc.The VOF method and the overset grid technology were used to simulate transient state flow in the spray orifice and the sac.The simulation results showed that the strong cavitation phenomenon would happen in the orifice and the sac of nozzle after the end of injection.The void volume of the cavitation bubble collapsing was filled with ingested air.And the cavitation volume was roughly equal to the ingested air volume based on the calculated data which can prove the conclusion.This showed that the cavitation collapse was the main cause of air ingestion.The cavitation collapse in the sac was a necessary condition for the ingestion air further flowing into the sac.And the smaller the cavitation area in the sac was, the less hot combustion gas was ingested into the sac.The cavitation number was proposed which represented the degree of cavitation in the nozzle after the end of injection.Further studies found that an increase in ambient pressure can cause the cavitation number to increase which led to the cavitation volume and the ingested air volume tend to decrease.And the cavitation number explained the influence of ambient pressure on air ingestion, and this was consistent with the experiment and simulation results.

air ingestion; nozzle; numerical simulation; visualization experiment; ambient pressure; cavitation

10.6041/j.issn.1000-1298.2017.10.047

TK421.4

A

1000-1298(2017)10-0364-06

2017-01-12

2017-02-27

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51466009)

文華(1976—)，男，副教授，主要從事內(nèi)燃機(jī)工作過程研究，E-mail：wenhua25@ncu.edu.cn