不同進(jìn)口壓力下柴油機(jī)非對(duì)稱噴嘴內(nèi)部流動(dòng)特性的數(shù)值分析

王曉翠

(鄭州信息工程職業(yè)學(xué)院機(jī)電工程系， 河南鄭州 450121)

引言

現(xiàn)階段，環(huán)境保護(hù)和資源的高效利用已經(jīng)受到人們密切關(guān)注，這對(duì)內(nèi)燃機(jī)運(yùn)行過(guò)程中的霧化性能提出了更高的技術(shù)要求。其中，高壓噴射作為一種提升霧化效果的重要方法，在當(dāng)前的柴油機(jī)制造領(lǐng)域開(kāi)始廣泛使用高壓共軌噴射系統(tǒng)[1-2]。當(dāng)噴嘴區(qū)形成高壓噴射狀態(tài)時(shí)，該區(qū)域?qū)⒊霈F(xiàn)多種形式的空化流動(dòng)并發(fā)生強(qiáng)烈的湍流[4-7]。因?yàn)閷?shí)際測(cè)試結(jié)果受到設(shè)備結(jié)構(gòu)、人工操作和數(shù)據(jù)精度的顯著影響，所以很多科研工作者通常會(huì)利用數(shù)值模擬的方法對(duì)燃油在噴孔內(nèi)的流動(dòng)狀態(tài)及其霧化程度進(jìn)行分析。在模擬燃油的射流和霧化過(guò)程時(shí)，需要將噴孔內(nèi)的燃油流動(dòng)過(guò)程模擬數(shù)據(jù)作為初始參數(shù)再進(jìn)行聯(lián)合仿真。WANG F等[8]通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)試過(guò)程，并結(jié)合理論分析構(gòu)建出噴孔發(fā)生空化流動(dòng)以及形成霧化狀態(tài)時(shí)的耦合模型，根據(jù)此模型可以發(fā)現(xiàn)燃油機(jī)運(yùn)行性能受到噴嘴空化流動(dòng)情況的明顯影響，之后對(duì)比分析了具有特定外形結(jié)構(gòu)的噴嘴仿真結(jié)果及各自的噴霧特點(diǎn)，以上模擬結(jié)果顯示噴嘴流量和噴霧效果與噴腔容積、噴嘴孔半徑和鉆孔角度都存在緊密關(guān)聯(lián)。EDELBAUER W[9]采用新的數(shù)值分析方法研究了噴嘴處的液-氣界面變化過(guò)程，并且對(duì)噴嘴處產(chǎn)生空化射流破裂的原因進(jìn)行了分析，針對(duì)液、汽、氣三相混合體系發(fā)生液體破裂并由此導(dǎo)致的體積改變規(guī)律進(jìn)行了深入探討,此外為進(jìn)一步得到更加精確的數(shù)值測(cè)試結(jié)果，應(yīng)用歐拉模型分析了液體質(zhì)量和動(dòng)量的變化特征。TAGHAVIFAR H等[10]對(duì)比分析了各個(gè)噴嘴孔傾斜角與針閥高度狀態(tài)對(duì)應(yīng)的噴孔霧化特點(diǎn)，并且對(duì)噴孔內(nèi)微觀流動(dòng)形態(tài)進(jìn)行了研究，測(cè)試結(jié)果表明：在較小的夾角下會(huì)出現(xiàn)低空化現(xiàn)象，并且還會(huì)增加噴嘴的黏度，而提高傾斜角之后又會(huì)增大壓力室中的黏度以及降低噴嘴介質(zhì)黏度，導(dǎo)致噴嘴處發(fā)生空化。

目前的柴油機(jī)壓縮比持續(xù)提高，使噴油嘴進(jìn)氣壓力和入口壓力也顯著上升，并且在預(yù)噴因素的作用下，當(dāng)燃燒室發(fā)生主噴過(guò)程，會(huì)引起壓力的明顯上升[11-12]。受以上高壓噴射過(guò)程影響，可以產(chǎn)生更好的霧化效果，使燃油利用率得到顯著提高。柴油機(jī)噴嘴處會(huì)產(chǎn)生燃油空化，是因?yàn)閲娪凸艿慕孛鏁?huì)發(fā)生快速縮小的情況，使燃油局部壓力低于該溫度下的飽和蒸汽壓，這時(shí)將會(huì)產(chǎn)生大量柴油蒸汽，從而引起空化現(xiàn)象，使噴管內(nèi)形成氣液兩相共同流動(dòng)的情況。介質(zhì)在噴孔內(nèi)的空化狀態(tài)通常可以利用氣相和液相體積比進(jìn)行分析。因?yàn)楸狙芯恐械牧鲃?dòng)介質(zhì)只包含兩種物相，所以本研究只對(duì)氣相介質(zhì)的體積比進(jìn)行分析。

表1 柴油物理參數(shù)

1 內(nèi)部流動(dòng)數(shù)學(xué)模型

如表1所示，是商用柴油到達(dá)噴孔位置后處于流動(dòng)狀態(tài)下的參數(shù)，可以把流動(dòng)過(guò)程表示為下述連續(xù)方程：

(1)

其中，k和l依次對(duì)應(yīng)不同的物質(zhì)形態(tài)，其中，當(dāng)k=1 時(shí)代表氣相，k=2時(shí)代表液相；αk屬于k相體積比；ρk表示k相密度；vk表示k相流動(dòng)速度；t表示時(shí)間；Γkl表示k相和l相的質(zhì)量傳輸速率。

αk需符合以下等式關(guān)系：

(2)

將其表示以下動(dòng)量方程的形式：

▽·(αk·ρk·vk·vk)=

(3)

其中，Mkl為k相的界面張力；g為代表重力加速度；p為燃油壓力，在構(gòu)建兩相流體模型的過(guò)程中，假定氣液兩相壓力相同，可將其表示成如下等式：

p=p1=p2

(4)

其中，τk為k相切應(yīng)力，具體計(jì)算方程為：

(5)

其中，Ttl為k相雷諾應(yīng)力，計(jì)算方程為：

(6)

(7)

(8)

其中，k1為柴油蒸汽的湍流動(dòng)能；ε1為柴油蒸汽發(fā)生湍流時(shí)的動(dòng)能耗散率；Cμ為一個(gè)常數(shù)，一把取0.09。

(9)

(10)

(11)

采用線性空化模型對(duì)介質(zhì)在噴孔內(nèi)的質(zhì)量傳輸進(jìn)行模擬，在此基礎(chǔ)上對(duì)燃油空泡的生成、擴(kuò)展及破裂進(jìn)行模擬，最終得到如下形式的計(jì)算方程式：

(12)

(13)

(14)

其中， Δp為空化氣泡形成和消潰時(shí)的有效壓差，利用下述表達(dá)式對(duì)其進(jìn)行計(jì)算：

(15)

其中，CE為Egler系數(shù)，取值區(qū)間為1～1.4。

2 內(nèi)部流動(dòng)特性幾何模型

本研究采用的是某兩氣門(mén)柴油機(jī)無(wú)壓力室噴油器，其噴油嘴有5個(gè)非對(duì)稱布置的噴孔。各個(gè)噴孔中心與針閥軸線之間存在一定的夾角，其各個(gè)噴孔的直徑和長(zhǎng)度都一致。從圖1中可以看到本研究給出的各項(xiàng)邊界條件，其中入口壓力是一個(gè)固定數(shù)值，再設(shè)置不同的出口壓力。為更加準(zhǔn)確描述與比較空化和非空化噴嘴的特征，需根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行情況選出3個(gè)代表不同階段特征的特定噴射壓力后再分析，依次為30， 80， 160 MPa。

圖1 邊界條件

本研究利用Fluent16.2軟件進(jìn)行數(shù)值模擬。對(duì)于噴孔流場(chǎng)區(qū)域采用0.01 mm的網(wǎng)格大小進(jìn)行劃分。整個(gè)流場(chǎng)區(qū)域的總的網(wǎng)格數(shù)量約為900000。計(jì)算網(wǎng)格結(jié)果如圖2a所示。采用正六面體的結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格來(lái)進(jìn)行劃分，整個(gè)霧場(chǎng)包含了400000個(gè)單元，其網(wǎng)格模型如圖2b所示。

圖2 三維計(jì)算網(wǎng)格

首先設(shè)定好軟件的初始參數(shù)，再對(duì)模型實(shí)施數(shù)值仿真，之后將會(huì)生成一個(gè)結(jié)果數(shù)據(jù)文件，從該文件給出的模型截面中可以獲得所需的流動(dòng)參數(shù)，如圖3所示，是噴油器流場(chǎng)中心剖面和選定截面區(qū)域形成的霧化模擬云圖?？梢?jiàn)所建立模型的5個(gè)噴嘴霧化效果明顯，形成了均勻的霧化場(chǎng)。

圖3 霧化模擬云圖

3 各孔空化強(qiáng)度對(duì)比分析

3.1 空化程度

為了更好地對(duì)比非對(duì)稱噴油孔在不同瞬態(tài)流動(dòng)狀態(tài)下的區(qū)別，針對(duì)各種出口壓力下的截面氣相體積比進(jìn)行了測(cè)試分析，圖4給出了不同進(jìn)口壓力下氣相體積分?jǐn)?shù)占比Q隨進(jìn)出口壓力差Δp0的變化。從圖4中可以看到當(dāng)進(jìn)口壓力分別等于30， 80， 160 MPa時(shí)對(duì)應(yīng)的氣相體積比，并且在上述所有進(jìn)口壓力下，出現(xiàn)空化的氣相體積比和壓力差上升速度都表現(xiàn)為1孔、 5孔、 2孔、 3孔、 4孔逐漸降低的變化規(guī)律，該結(jié)果與噴嘴孔軸線夾角順序一致。根據(jù)以上分析可知，當(dāng)夾角變大空化現(xiàn)象也會(huì)更明顯。產(chǎn)生此現(xiàn)象的原因是，在更大的軸向夾角下，燃油流動(dòng)的偏轉(zhuǎn)角也會(huì)明顯增大，導(dǎo)致流動(dòng)速度明顯增大，壓強(qiáng)減小，從而發(fā)生空化的情況，顯著增加氣相體積比。在只有氣相體積比數(shù)據(jù)的情況下，不能推導(dǎo)出具體的空化情況，這是因?yàn)楫?dāng)噴孔內(nèi)流出介質(zhì)時(shí)，除了噴孔上部存在氣相成分外，還有一些氣相將混入液相中并從噴孔其他區(qū)域噴出，所以在19%的氣相體積比條件下，噴孔上部的氣相體積比實(shí)際將會(huì)低于該值，這時(shí)需要結(jié)合實(shí)際模擬得到的截面氣相體積分?jǐn)?shù)圖開(kāi)展綜合分析。

圖4 各孔出口截面處氣相體積分?jǐn)?shù)占比

如圖5所示，是在進(jìn)口壓力等于80 MPa與出口壓力等于1 MPa狀態(tài)下對(duì)應(yīng)的噴孔截面分布圖?？梢悦黠@看到，當(dāng)進(jìn)出口壓力確定后，通過(guò)分析空化云圖可知空化程度表現(xiàn)為按照1孔、5孔、2孔、3孔、4孔不斷降低的趨勢(shì)，并且還可以發(fā)現(xiàn)空化現(xiàn)象基本都出現(xiàn)在轉(zhuǎn)角上部。

圖5 產(chǎn)生空化時(shí)氣相體積分?jǐn)?shù)云圖

3.2 孔質(zhì)量流率

噴油器非對(duì)稱噴嘴各孔不同進(jìn)口壓力下質(zhì)量流率Z隨進(jìn)出口壓力差Δp0的變化如圖6所示。從圖6中可以看到，無(wú)論在何種進(jìn)口壓力下，噴嘴各孔質(zhì)量流率均隨進(jìn)出口壓力差表現(xiàn)出單調(diào)增加的變化規(guī)律，之后趨于一定的穩(wěn)定。這是因?yàn)楫?dāng)壓力差增加后，氣相體積比隨之上升，噴嘴內(nèi)部流速也會(huì)隨之增大，當(dāng)流速增大到一個(gè)恒定值后便可以形成穩(wěn)定質(zhì)量流率。

圖6 各孔質(zhì)量流率與進(jìn)出口壓力差的關(guān)系

在進(jìn)口壓力30 MPa下，壓力增大后將會(huì)促進(jìn)質(zhì)量流率的升高；在80 MPa的進(jìn)口壓力與70 MPa壓力差條件下，質(zhì)量流率不會(huì)發(fā)生顯著改變；隨著進(jìn)口壓力與壓力差分別增大到160 MPa與130 MPa后，質(zhì)量流率處于一個(gè)恒定狀態(tài)。這是因?yàn)殡S著進(jìn)口壓力增加產(chǎn)生空化現(xiàn)象后，進(jìn)口壓力繼續(xù)增加，噴嘴射流的能力達(dá)到極限，霧化液滴離開(kāi)噴嘴后的速度增加的不明顯，質(zhì)量流率達(dá)到一個(gè)穩(wěn)定狀態(tài)。結(jié)合以上分析可以知道，質(zhì)量流率與壓力差以及進(jìn)口壓力間都存在較明顯的影響關(guān)系。

4 結(jié)論

(1) 非對(duì)稱噴嘴霧化云圖顯示噴嘴內(nèi)部形成了均勻的霧化場(chǎng)，噴嘴出現(xiàn)空化的氣相體積比和壓力差上升速度都表現(xiàn)為1孔、5孔、2孔、3孔、4孔逐漸降低的變化規(guī)律，并且空化現(xiàn)象基本都出現(xiàn)在轉(zhuǎn)角上部；

(2) 無(wú)論在何種進(jìn)口壓力下，噴嘴各孔質(zhì)量流率均隨進(jìn)出口壓力差表現(xiàn)出單調(diào)增加的變化規(guī)律，之后趨于一定的穩(wěn)定。在30 MPa進(jìn)口壓力下，壓力增大后將會(huì)促進(jìn)質(zhì)量流率的升高；在80 MPa的進(jìn)口壓力下，質(zhì)量流率不會(huì)發(fā)生顯著改變；隨著進(jìn)口壓力達(dá)到160 MPa，質(zhì)量流率處于一個(gè)恒定狀態(tài)。