初始?xì)馀輰?duì)柴油機(jī)近口區(qū)初始射流破碎的影響

高永強(qiáng)，陶莉莉，王希波，張克松，劉永輝，常靜

(山東交通學(xué)院 汽車工程學(xué)院，山東 濟(jì)南 250357)

0 引言

柴油機(jī)噴射霧化過程可分為初次破碎和二次霧化。燃油初次破碎主要受上一次噴油結(jié)束后噴孔內(nèi)的殘留燃油(未完全噴出)、空化(針閥落座后燃油由于慣性繼續(xù)流動(dòng)產(chǎn)生低壓，燃油發(fā)生相變產(chǎn)生燃油蒸氣)和環(huán)境氣體倒流進(jìn)噴孔內(nèi)(環(huán)境壓力大于噴孔內(nèi)壓力)所形成的初始?xì)馀莸纫蛩氐挠绊?。初始?xì)馀菰趪娚涑跗谑艿綌D壓、撞擊發(fā)生破裂,產(chǎn)生強(qiáng)烈擾動(dòng)，致使射流壓力震蕩和湍流強(qiáng)度增加，射流表面波快速增長(zhǎng)，促進(jìn)了射流的初次破碎[1-4]，進(jìn)而改善燃油的霧化質(zhì)量[5-7]。

早在1999年，Badock等[8]通過試驗(yàn)觀測(cè)到燃油噴射結(jié)束后，噴孔內(nèi)存在初始?xì)馀輰?dǎo)致初始射流頭部出現(xiàn)液絲。Koukouvinis等[9]、Battistoni等[10]、Swantek等[11]、Moon 等[12]均觀測(cè)到噴孔內(nèi)環(huán)境氣體的倒流現(xiàn)象，并分析了氣體倒流的影響規(guī)律。Wang等[13]的研究表明噴孔內(nèi)初始?xì)馀荼貢?huì)對(duì)下一次燃油噴射初次射流破碎產(chǎn)生重大影響。王錚昊等[14]、徐陽杰等[15]采用高速數(shù)碼攝影與長(zhǎng)距離顯微成像技術(shù)相結(jié)合的方法分別對(duì)噴油器噴孔內(nèi)流動(dòng)特性或近孔區(qū)域射流結(jié)構(gòu)進(jìn)行可視化研究。Herrmann等[16]、Brackbill等[17]對(duì)液體射流破碎過程進(jìn)行數(shù)值模擬，提供了液體射流頭部的傘狀形態(tài)及其初始段破碎過程的詳細(xì)信息。Morozumi等[18]對(duì)圓形射流表面波進(jìn)行試驗(yàn)研究，發(fā)現(xiàn)高速射流的非對(duì)稱表面波對(duì)射流破碎起主導(dǎo)作用。上述研究表明噴油器噴孔內(nèi)存在初始?xì)馀萦绊懗跏忌淞鹘Y(jié)構(gòu)形態(tài)，但初始?xì)馀輰?duì)初始射流破碎的影響尚不清楚。

本文基于湍流模擬(large eddy simulation，LES)和界面追蹤(volume of fluids，VOF)方法進(jìn)行燃油噴射初期近口(噴油器燃油噴口)區(qū)射流霧化過程的研究，重點(diǎn)分析初始?xì)馀輰?duì)近口區(qū)初始射流形態(tài)和破碎過程的影響規(guī)律。

1 數(shù)值模型

1.1 LES控制方程

本文主要研究燃油噴射初期初始?xì)馀輰?duì)近口區(qū)射流破碎的影響規(guī)律，此時(shí)空化的影響較小，因此數(shù)值模擬過程中沒有添加空化模型。選取開源CFD軟件OpenFOAM多相流中的求解器，該求解器基于LES和VOF方法，采用過濾法消除湍流小尺度脈動(dòng)，過濾過程采用積分實(shí)現(xiàn)。濾波后的連續(xù)方程及動(dòng)量方程分別為：

(1)

(2)

(3)

基于流場(chǎng)各向同性渦黏假設(shè)，亞網(wǎng)格尺度應(yīng)力可根據(jù)大尺度流場(chǎng)的應(yīng)變率確定，即

(4)

(5)

Sone等[19]提出通過求解亞網(wǎng)格湍動(dòng)能的輸運(yùn)方程來獲得亞網(wǎng)格渦黏系數(shù)，從而提升湍流模擬的計(jì)算精度。

湍動(dòng)能輸運(yùn)方程為

(6)

式中：ksgs為亞網(wǎng)格湍動(dòng)能；Δ為網(wǎng)格尺寸；υt=C(ksgs)1/2Δ，其中C為常數(shù)，C=0.094；a、Cε為常數(shù)，a=1，Cε=1.048。

1.2 計(jì)算區(qū)域和邊界條件

本文數(shù)值計(jì)算是以試驗(yàn)觀測(cè)到柴油機(jī)噴油器噴孔內(nèi)存在初始?xì)馀輀20]為研究對(duì)象，重點(diǎn)研究噴孔內(nèi)初始?xì)馀輰?duì)近口區(qū)初始射流破碎的影響規(guī)律。

圖1 噴油器計(jì)算區(qū)域及網(wǎng)格

噴孔模型結(jié)構(gòu)尺寸(如圖1所示)以及噴射條件與試驗(yàn)噴油器噴孔完全相同。為了減小計(jì)算量，數(shù)值模擬計(jì)算區(qū)域上游邊界取噴油器壓力室入口。為了更加真實(shí)模擬燃油噴射過程，在噴油器噴孔內(nèi)設(shè)置大小不同的初始?xì)馀?，初始?xì)馀荼粴埩羧加桶鼑?/p>

另外，因噴油器壓力室的壓力上升非常迅速[21]，為了模擬針閥開啟到燃油壓力穩(wěn)定瞬間的過程，設(shè)置起噴壓力為20 MPa，經(jīng)過50 μs后，調(diào)整噴油壓力為正常工況壓力50 MPa。噴油參數(shù)和燃油物性參數(shù)如表1所示。

表1 噴油參數(shù)及燃油物性參數(shù)(25 ℃)

2 結(jié)果分析

2.1 數(shù)值模型的驗(yàn)證

噴油壓力為50 MPa、環(huán)境壓力為0.1 MPa時(shí)，噴油初期近口區(qū)初始射流結(jié)構(gòu)形態(tài)的數(shù)值模擬和試驗(yàn)結(jié)果如圖2、3所示。噴油時(shí)刻采用噴油后計(jì)時(shí)。噴油器針閥開啟后，燃油開始流動(dòng)，根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果在噴孔內(nèi)分別設(shè)置了1個(gè)和2個(gè)初始?xì)馀?見圖2、3)，30 μs后初始?xì)馀菔艿叫聡娙肴加偷臄D壓、撞擊造成近口區(qū)初始射流前部不同的破碎形態(tài)，數(shù)值模擬和試驗(yàn)結(jié)果基本吻合，驗(yàn)證了采用所建模型進(jìn)行燃油近口區(qū)噴射霧化模擬的可靠性。

圖2 1個(gè)初始?xì)馀?、初始射流的?shù)值模擬和試驗(yàn)對(duì)比 圖3 2個(gè)初始?xì)馀荨⒊跏忌淞鞯臄?shù)值模擬和試驗(yàn)對(duì)比

2.2 初始?xì)馀輰?duì)近口區(qū)初始射流破碎的影響

基于上述數(shù)值模型，在噴油器噴孔內(nèi)設(shè)置1個(gè)直徑與噴孔直徑相近的球形初始?xì)馀?，初始?xì)馀莸奈镄詤?shù)與定容燃燒室內(nèi)的環(huán)境氣體相同，燃油物性參數(shù)如表1所示，初始?xì)馀菅葑冞^程和近口區(qū)初始射流破碎過程如圖4所示。針閥開啟后，燃油開始向噴口處流動(dòng)，2 μs時(shí)可觀測(cè)到孔內(nèi)初始?xì)馀菔艿叫聡娙肴加偷臄D壓而變形，隨后受到擠壓的氣泡向噴口流動(dòng)；8 μs時(shí)到達(dá)噴口處，此時(shí)初始?xì)馀菀呀?jīng)嚴(yán)重變形，但還沒有破碎；10 μs時(shí)初始?xì)馀蓦S燃油自噴口噴出后開始破裂，氣泡破裂時(shí)產(chǎn)生強(qiáng)烈的擾動(dòng)使射流頭部破碎，生成大量液塊、液絲和液滴。另外，射流表面受到擾動(dòng)形成不穩(wěn)定的表面波，表面波在環(huán)境氣體的空氣動(dòng)力學(xué)效應(yīng)作用下不斷增長(zhǎng)，液絲從射流表面剝離下來，再進(jìn)一步被分裂成細(xì)小液滴。初始?xì)馀菰趪娍變?nèi)經(jīng)歷了壓縮、膨脹過程，在黏性力、表面張力以及空氣動(dòng)力學(xué)效應(yīng)的共同作用下，初始?xì)馀萜扑楫a(chǎn)生擾動(dòng)，加速射流破碎，特別是射流頭部的破碎。

圖5為近口區(qū)初始射流湍動(dòng)能和亞網(wǎng)絡(luò)渦黏系數(shù)云圖，為了便于對(duì)比分析，圖5中的6個(gè)圖形以中心線為界，每個(gè)圖的上半部為亞網(wǎng)絡(luò)渦黏系數(shù)，下半部為湍動(dòng)能。亞網(wǎng)絡(luò)渦黏系數(shù)反映了湍流結(jié)構(gòu)，因此分析亞網(wǎng)絡(luò)渦黏系數(shù)可以獲得射流破碎和微尺度湍流之間的聯(lián)系。從圖5中可以看出：在1 μs時(shí)，湍動(dòng)能和湍動(dòng)能耗散率表現(xiàn)極其相似，初始?xì)馀荼粔嚎s區(qū)域均出現(xiàn)較強(qiáng)的湍動(dòng)能和亞網(wǎng)絡(luò)渦黏系數(shù)，這是由于初始?xì)馀荼蛔矒暨^程中由密度梯度產(chǎn)生剪切力誘導(dǎo)渦流所致，此處出現(xiàn)了較大的速度梯度；氣泡從噴口噴出后，氣泡潰滅產(chǎn)生強(qiáng)烈擾動(dòng)，使射流與環(huán)境氣體之間產(chǎn)生較大的速度梯度，導(dǎo)致射流頭部形成了環(huán)形渦流結(jié)構(gòu)(8 μs后)，這些渦流結(jié)構(gòu)產(chǎn)生強(qiáng)烈擾動(dòng)，使射流破碎；噴孔內(nèi)湍動(dòng)能以及亞網(wǎng)絡(luò)渦黏系數(shù)均出現(xiàn)兩區(qū)分布特點(diǎn)，即壁面附近大，而軸中心區(qū)域小，主要原因是噴孔入口處壁面的流動(dòng)分離區(qū)中存在大尺度的漩渦，而在其尾流中有更多小尺度漩渦從大尺度漩渦上脫落，使壁面附近的湍動(dòng)能和亞網(wǎng)絡(luò)渦黏系數(shù)較高。對(duì)比圖4、5可以發(fā)現(xiàn)，這些湍流渦團(tuán)與射流表面波結(jié)構(gòu)相同，在液絲剝離和液滴破碎的區(qū)域，亞網(wǎng)絡(luò)渦黏系數(shù)也較大，湍動(dòng)能和亞網(wǎng)絡(luò)渦黏系數(shù)是射流破碎的主要來源。

圖4 孔內(nèi)1個(gè)氣泡對(duì)初始射流破碎的影響 圖5 ksgs和vt云圖

圖6所示為噴孔內(nèi)設(shè)置2個(gè)初始?xì)馀輹r(shí)的數(shù)值模擬結(jié)果。從圖6中可知：由于氣泡的體積增加，氣泡受到擠壓破滅時(shí)產(chǎn)生的擾動(dòng)更加顯著，近口區(qū)初始射流破碎形成了更多液絲和液滴；初始?xì)馀菰趪娍變?nèi)受到擠壓，已經(jīng)破碎形成液團(tuán)或液塊，射流噴射出孔外后，射流前部形成“樹狀”結(jié)構(gòu)，并產(chǎn)生大量液絲和液滴；隨著噴射的繼續(xù)，射流前端頸部收縮更大，在此區(qū)域可能由于氣泡的潰滅產(chǎn)生擾動(dòng)以及環(huán)境氣體的卷吸，使得射流頭部脫離主噴射流，在環(huán)境氣體的剪切力作用下，最終破裂產(chǎn)生大量液塊、液絲和液滴。

圖7所示為噴孔內(nèi)設(shè)置3個(gè)氣泡時(shí)的數(shù)值模擬結(jié)果。從圖7中可以看出：隨著噴孔內(nèi)初始?xì)馀菟俭w積的增加，氣泡受到擠壓破裂的時(shí)刻變?cè)?，氣泡在噴孔?nèi)就已經(jīng)潰滅，在噴孔出口處已經(jīng)產(chǎn)生大量液絲和液滴。比較圖4、6、7發(fā)現(xiàn)：噴孔內(nèi)氣泡數(shù)量越多，其射流頭部破碎越顯著，射流破碎時(shí)產(chǎn)生的液絲和液滴越細(xì)小。

圖6 孔內(nèi)2個(gè)氣泡對(duì)初始射流破碎的影響 圖7 孔內(nèi)3個(gè)氣泡對(duì)初始射流破碎的影響

綜上所述，射流破碎是一個(gè)階段性過程。燃油通過噴油器噴口噴入定容燃燒室內(nèi)，初始?xì)馀菰趪娚涑跗谑艿綌D壓、撞擊作用后發(fā)生破裂產(chǎn)生強(qiáng)烈擾動(dòng)，給射流破碎提供動(dòng)力，可促進(jìn)射流破碎；在穩(wěn)定噴射階段受到湍流(燃油高速流動(dòng)所致)以及空化的影響，噴孔內(nèi)湍流造成近口區(qū)射流的初始擾動(dòng)和射流初始表面波的產(chǎn)生，初始?xì)馀萜屏旬a(chǎn)生強(qiáng)烈擾動(dòng)，促使近口區(qū)射流表面波增長(zhǎng)，加速射流破碎；受燃油射流與環(huán)境氣體之間的空氣動(dòng)力學(xué)效應(yīng)的影響，射流表面波的增長(zhǎng)進(jìn)一步加強(qiáng)，加速了射流破碎，此外，環(huán)境氣體的氣動(dòng)力作用加速了燃油射流的二次破碎。

3 結(jié)論

本文以試驗(yàn)中觀測(cè)到初始?xì)馀輰?duì)近口區(qū)初始射流霧化形態(tài)的影響為對(duì)象，采用LES和VOF方法對(duì)近口區(qū)初始射流頭部結(jié)構(gòu)及其破碎過程進(jìn)行數(shù)值模擬。

1)初始?xì)馀荽笮∫约俺跏嘉恢脤?duì)近口區(qū)初始射流形態(tài)和破碎有較大影響。噴孔內(nèi)設(shè)置單個(gè)氣泡時(shí)，氣泡受到新噴入燃油撞擊，在噴孔出口處破碎生成較大液團(tuán)、液絲和液滴；噴孔內(nèi)設(shè)置多個(gè)氣泡時(shí)，氣泡受到撞擊壓縮在噴孔內(nèi)破碎，致使近口區(qū)初始射流在出口處生成更加細(xì)小的液絲和液滴。

2)近口區(qū)域初始射流頭部破碎是由于初始?xì)馀菔艿綌D壓，氣泡潰滅產(chǎn)生較強(qiáng)的擾動(dòng)，為射流破碎提供能量。在初始?xì)馀菔艿綌D壓處存在較強(qiáng)的微尺度湍流和亞網(wǎng)絡(luò)渦黏系數(shù)，該區(qū)域形成大量液團(tuán)、液絲和液滴，湍動(dòng)能和亞網(wǎng)絡(luò)渦黏系數(shù)是射流破碎的主要因素。

3)受到噴孔內(nèi)初始?xì)馀葑矒魸鐣r(shí)產(chǎn)生強(qiáng)烈擾動(dòng)的影響，近口區(qū)射流產(chǎn)生不穩(wěn)定表面波，隨著表面波的發(fā)展增長(zhǎng)，進(jìn)一步促進(jìn)射流破碎，加強(qiáng)了射流與空氣的交互作用，提高了燃油霧化質(zhì)量。