基于CFD的噴嘴結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)各孔內(nèi)部流動(dòng)特性影響研究

高慶文,廖善彬，羅劍坤

(江鈴汽車股份有限公司，江西南昌 330001)

0 引言

隨著能源危機(jī)及環(huán)境污染的逐步加劇，燃燒系統(tǒng)、燃油噴射系統(tǒng)、進(jìn)排氣系統(tǒng)、后處理系統(tǒng)及電控標(biāo)定的設(shè)計(jì)、改進(jìn)及優(yōu)化，已成為當(dāng)今柴油機(jī)效率提升、排放升級(jí)和性能優(yōu)化的主要工作。同時(shí)，缸內(nèi)工作過程的優(yōu)化和改進(jìn)又是各項(xiàng)工作的重中之重。噴油器作為燃油噴射系統(tǒng)的關(guān)鍵部件，其性能對(duì)柴油機(jī)的工作過程具有重要影響，已成為柴油機(jī)最為關(guān)鍵的部件之一[1]。

為滿足“節(jié)能減排”日益嚴(yán)格的要求，當(dāng)前柴油機(jī)多采用多孔式噴油器。但由于加工精度的差異及結(jié)構(gòu)和液力研磨等的不同，各孔內(nèi)的流動(dòng)特性將存在一定的差異，進(jìn)而導(dǎo)致各孔噴射特性的差異，致使氣缸內(nèi)尤其是燃燒室內(nèi)隨時(shí)間和空間不均勻的燃油分布，并最終使得燃燒排放的惡化及缸內(nèi)尤其是燃燒室內(nèi)不一致的熱負(fù)荷[2-8]。對(duì)于多孔柴油機(jī)噴油器，雖各孔內(nèi)部的流動(dòng)特性及其差異對(duì)柴油機(jī)的工作過程具有重要影響，但當(dāng)前的研究多集中于各孔均布的多孔噴油器[9-11]，對(duì)于各孔非均布的多孔噴油器，還鮮有人對(duì)其內(nèi)部的流動(dòng)特性及各孔內(nèi)部流動(dòng)特性的差異進(jìn)行過系統(tǒng)研究。

由于各孔非均布的多孔噴油器應(yīng)用廣泛，基于項(xiàng)目的實(shí)際需求，項(xiàng)目組已建立了可用于分析噴嘴內(nèi)部流動(dòng)特性的三維氣液兩相流空穴模型，并基于某各孔非均布的五孔噴油器，詳細(xì)研究了噴油壓力和噴油背壓對(duì)各孔內(nèi)部流動(dòng)特性及其差異的影響和影響規(guī)律[6]。為對(duì)各孔非均布多孔噴油器的相關(guān)特性進(jìn)行系統(tǒng)了解，進(jìn)而對(duì)多孔非均布噴油器的設(shè)計(jì)開發(fā)和匹配選型提供技術(shù)和理論支持，基于已建立并經(jīng)試驗(yàn)驗(yàn)證的噴嘴內(nèi)部流動(dòng)三維氣液兩相流空穴模型，詳細(xì)研究了包括噴孔入口導(dǎo)圓半徑、噴孔長(zhǎng)度和噴孔直徑的噴嘴結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)各孔非均布多孔噴油器各孔內(nèi)部流動(dòng)特性及其差異的影響和影響規(guī)律。

1 噴嘴模型及數(shù)學(xué)模型

采用Mixture模型附加空穴模型，對(duì)噴嘴內(nèi)部的流動(dòng)特性進(jìn)行分析；基于噴油壓力和噴油背壓，對(duì)氣泡數(shù)密度進(jìn)行修正；對(duì)于氣液混合相的湍流流動(dòng)，采用RNGκ-模型進(jìn)行計(jì)算；對(duì)于近壁區(qū)內(nèi)的流動(dòng)，采用標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)法進(jìn)行處理。更加詳細(xì)的數(shù)學(xué)模型、求解過程和驗(yàn)證過程，見文獻(xiàn)[6-8]。

所研究噴嘴各孔的空間布置如圖1所示，孔徑均為0.2 mm，噴孔軸線和針閥軸線夾角由小到大的順序?yàn)椋簢娍姿?噴孔三<噴孔二<噴孔五<噴孔一(簡(jiǎn)記噴孔傾角βi：β4β3β2β5β1)。最大針閥升程時(shí)整個(gè)噴嘴的網(wǎng)格劃分情況如圖2所示，所有網(wǎng)格均為六面體結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，并在噴孔入口導(dǎo)圓部位進(jìn)行了加密處理。

圖1 噴嘴結(jié)構(gòu)參數(shù)

圖2 噴嘴計(jì)算網(wǎng)格

2 計(jì)算結(jié)果對(duì)比分析

2.1 噴孔入口導(dǎo)圓對(duì)各孔內(nèi)部流動(dòng)特性的影響

噴油壓力90 MPa、噴油背壓5 MPa、不同入口導(dǎo)圓半徑下，各孔內(nèi)的空穴分布如圖3所示。可以看出：在同一入口導(dǎo)圓半徑下，隨著噴孔傾角的增加(β4β3β2β5β1)，噴孔內(nèi)的空化效應(yīng)是逐漸增強(qiáng)的，該現(xiàn)象可從空穴層的長(zhǎng)度、空穴層的厚度及最大氣相體積分?jǐn)?shù)等明顯看出。同時(shí)，還可看出：對(duì)于任一噴孔，隨著噴孔入口導(dǎo)圓半徑的增加，噴孔內(nèi)的空化效應(yīng)逐漸減弱，且隨著噴孔傾角的增加，噴孔入口導(dǎo)圓半徑對(duì)噴孔內(nèi)空化效應(yīng)的抑制作用逐漸減弱：對(duì)于噴孔傾角最小的噴孔四，隨著噴孔入口導(dǎo)圓半徑的增加，噴孔內(nèi)的空化效應(yīng)明顯減弱；但對(duì)于噴孔傾角最大的噴孔一，隨著噴孔入口導(dǎo)圓半徑的增加，噴孔內(nèi)空穴層的長(zhǎng)度、厚度及最大氣相體積分?jǐn)?shù)變化并不是很明顯，即此時(shí)噴孔入口導(dǎo)圓半徑對(duì)噴孔內(nèi)空化效應(yīng)的抑制作用是逐漸減弱的。

圖3 不同導(dǎo)圓半徑時(shí)各孔空穴分布

在上述邊界條件下，各孔出口平均流速、質(zhì)量流量及流量系數(shù)隨噴孔入口導(dǎo)圓半徑的變化分別如圖4、圖5和圖6所示?？梢钥闯觯簩?duì)于任一噴孔，隨著噴孔入口導(dǎo)圓半徑的增加，其噴孔出口平均流速、質(zhì)量流量和流量系數(shù)均是逐漸增加的，且隨著噴孔入口導(dǎo)圓半徑的增加上述變量的增加幅度逐漸降低。同時(shí)，還可看出：在任一噴孔入口導(dǎo)圓半徑下，隨著噴孔傾角的增加(β4β3β2β5β1)，噴孔出口的平均流速、質(zhì)量流量和流量系數(shù)均是逐漸降低的，這和已有的基于各孔均布噴嘴的研究結(jié)果是一致的[8,11]。

圖4 不同導(dǎo)圓半徑時(shí)各孔出口平均流速

圖5 不同導(dǎo)圓半徑時(shí)各孔質(zhì)量流量

圖6 不同導(dǎo)圓半徑時(shí)各孔流量系數(shù)

2.2 噴孔長(zhǎng)度對(duì)各孔內(nèi)部流動(dòng)特性的影響

噴油壓力60 MPa、噴油背壓5 MPa、不同噴孔長(zhǎng)度時(shí)各孔內(nèi)的空穴分布如圖7所示。對(duì)于圖1和圖2所示的噴嘴，對(duì)于任一噴孔，隨著噴孔長(zhǎng)度的增加，雖空穴發(fā)生的起始位置基本不變，距噴孔入口相同距離處空穴層的厚度變化也不是很明顯，但較高氣相體積分?jǐn)?shù)的分布區(qū)域有逐漸減小的趨勢(shì)，這可從較高氣相體積分?jǐn)?shù)層的厚度和形狀較為明顯地看出。這是因?yàn)椋簩?duì)于噴孔長(zhǎng)度較短的噴嘴，其噴孔出口附近的背壓約5 MPa；而和噴孔長(zhǎng)度較短的噴嘴相比，較長(zhǎng)噴孔下游壓力是高于5 MPa背壓的，而噴油背壓的增加對(duì)噴孔內(nèi)的空化效應(yīng)具有抑制作用[6]。從圖7還可看出：在任一噴孔長(zhǎng)度下，隨著噴孔傾角的增加，噴孔內(nèi)的空化效應(yīng)是逐漸增強(qiáng)的。同時(shí)，對(duì)于0.6 mm和0.8 mm的噴孔長(zhǎng)度，有較多噴孔內(nèi)的空穴層已延伸到噴孔出口處，即處于所謂的“超空化”狀態(tài)；對(duì)于1.0 mm的噴孔長(zhǎng)度，各孔內(nèi)的空穴層均未達(dá)到噴孔出口處，即噴孔長(zhǎng)度的增加可一定程度上抑制噴孔內(nèi)的“超空化”現(xiàn)象。

圖7 不同噴孔長(zhǎng)度時(shí)各孔空穴分布

圖8、圖9、圖10分別為噴油壓力60 MPa、噴油背壓5 MPa、不同噴孔長(zhǎng)度時(shí)各孔出口平均流速、質(zhì)量流量和流量系數(shù)的變化情況。和第2.1節(jié)的研究結(jié)果相一致，在任一噴孔長(zhǎng)度下，隨著噴孔傾角的增加，噴孔的出口平均流速、質(zhì)量流量和流量系數(shù)均是逐漸降低的。同時(shí)，還可看出：對(duì)于任一噴孔，隨著噴孔長(zhǎng)度的增加，其出口平均流速、質(zhì)量流量和流量系數(shù)也是逐漸降低的。這主要是因?yàn)椋涸趪娍字睆健⒈砻娲植诙燃斑M(jìn)出口邊界等均不變的情況下，隨著噴孔長(zhǎng)度的增加，燃油流經(jīng)噴孔時(shí)的沿程損失是逐漸增加的[12]，使得噴孔出口的平均流速逐漸降低，進(jìn)而使得噴孔的質(zhì)量流量和流量系數(shù)也逐漸降低。

圖8 不同噴孔長(zhǎng)度時(shí)各孔出口平均流速

圖9 不同噴孔長(zhǎng)度時(shí)各孔質(zhì)量流量

圖10 不同噴孔長(zhǎng)度時(shí)各孔流量系數(shù)

2.3 噴孔直徑對(duì)各孔內(nèi)部流動(dòng)特性的影響

各孔長(zhǎng)度0.8 mm、噴油壓力和噴油背壓分別為60 MPa及5 MPa時(shí)，各孔內(nèi)空穴分布隨噴孔直徑的變化情況如圖11所示?？梢钥闯觯弘S著噴孔直徑的增加，各孔內(nèi)的空化效應(yīng)均逐漸增強(qiáng)，這可從空穴層的長(zhǎng)度、厚度、最大氣相體積分?jǐn)?shù)及較高氣相體積分?jǐn)?shù)的存在區(qū)域等明顯看出。當(dāng)噴孔直徑為0.15 mm時(shí)，各孔內(nèi)的空話效應(yīng)均比較弱，但當(dāng)直徑增大至0.2 mm及以上時(shí)，對(duì)于所研究的噴嘴，各孔內(nèi)均處于“超空化”狀態(tài)。同時(shí)，還可看出：當(dāng)噴孔直徑較小時(shí)，各孔內(nèi)的空穴層基本是沿著噴孔壁面向噴孔下游逐漸發(fā)展的，但隨著噴孔直徑的增加，各孔內(nèi)的空穴層還有向噴孔中心逐漸發(fā)展的趨勢(shì)，該變化趨勢(shì)，和圖12所示的噴孔直徑對(duì)各孔內(nèi)高流速區(qū)域和低流速區(qū)域的分布位置及大小的影響和影響規(guī)律是基本一致的。

各孔質(zhì)量流量和流量系數(shù)隨噴孔直徑的變化，分別如圖13和14所示。明顯看出：隨著噴孔直徑的增加，各孔的質(zhì)量流量均逐漸提高，但各孔的流量系數(shù)變化并不大，且整體上還有略微降低的趨勢(shì)。這主要是因?yàn)椋涸谙嗤倪吔鐥l件下，噴孔的理論流量是隨著噴孔直徑的增加呈比例增加的；對(duì)于噴孔的實(shí)際流量，由于空化效應(yīng)隨噴孔直徑增加而逐漸增強(qiáng)的影響，其隨噴孔直徑增加而提高的幅度是要小于理論流量的增加幅度的。這和已有的研究結(jié)果是基本一致的[11]。但上述研究結(jié)果和文獻(xiàn)[8]所示結(jié)果略有差異，這主要是由噴嘴結(jié)構(gòu)和類型的差異、空化效應(yīng)的強(qiáng)弱及沿程損失的變化等差異造成的。

圖11 不同噴孔直徑時(shí)各孔空穴分布

圖12 不同噴孔直徑時(shí)各孔流速分布

圖13 不同噴孔直徑時(shí)各孔質(zhì)量流量

圖14 不同噴孔直徑時(shí)各孔流量系數(shù)

3 結(jié)論

采用三維氣液兩相流空穴模型，以各孔非均布的多孔柴油機(jī)噴油器為依托，進(jìn)行了噴孔結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)各孔內(nèi)部流動(dòng)特性的影響研究，主要結(jié)論如下：

(1)隨著噴孔入口導(dǎo)圓半徑的增加，各孔內(nèi)的空化效應(yīng)均逐漸減弱，但各孔出口平均流速、質(zhì)量流量和流量系數(shù)均逐漸提高；

(2)噴孔長(zhǎng)度的增加對(duì)各孔內(nèi)的空化效應(yīng)具有一定的抑制作用，同時(shí)，各孔出口的平均流速、質(zhì)量流量和流量系數(shù)也逐漸降低；

(3)隨著噴孔直徑的增加，各孔內(nèi)的空化效應(yīng)逐漸增強(qiáng)，質(zhì)量流量逐漸提高，但流量系數(shù)的變化并不是很明顯。