基于流固耦合的噴油器針閥體溫度場(chǎng)分析

王憲成，趙文柱,2，李本正，黃勇，張志遠(yuǎn)

(1.陸軍裝甲兵學(xué)院車輛工程系, 北京 100072；2.武警工程大學(xué)烏魯木齊校區(qū)裝甲車技術(shù)系，新疆 烏魯木齊 830049)

噴油器作為燃油供給系統(tǒng)的關(guān)鍵部件，其技術(shù)狀況直接決定噴霧質(zhì)量，對(duì)燃燒性能有很大影響。在柴油機(jī)工作過程中，噴油器噴孔受高溫條件的影響，容易產(chǎn)生積炭，堆積在噴孔周圍，導(dǎo)致噴霧和燃燒質(zhì)量變差[1-2]，制約柴油機(jī)性能的正常發(fā)揮。

研究表明[3-6]：溫度是影響積炭形成的關(guān)鍵因素之一，溫度不同，積炭結(jié)構(gòu)和生成量也不相同。目前，柴油機(jī)燃燒室組件溫度場(chǎng)的研究主要集中在活塞、缸套和氣缸蓋等部件[7-10]，對(duì)噴油器針閥體溫度場(chǎng)的研究較少。柴油機(jī)工作環(huán)境惡劣，缸內(nèi)溫度和壓力急劇變化，噴油器噴孔直徑尺寸較小，因此很難通過試驗(yàn)測(cè)量噴孔內(nèi)部以及出口區(qū)域的溫度分布。袁江濤[11]等對(duì)噴油嘴邊界進(jìn)行區(qū)域劃分，分析了噴油和噴油終了時(shí)的邊界條件，對(duì)噴油嘴進(jìn)行了三維有限元分析，計(jì)算得到了噴油嘴在噴油和噴油終了時(shí)的溫度場(chǎng)，噴油終了時(shí)噴油嘴頂端最高溫度達(dá)到510 K，但是噴油終了時(shí)刻噴嘴溫度并未達(dá)到最高值。李潛[12]采用流固耦合傳熱和流場(chǎng)分析方法，開展了噴嘴氣、液、固多場(chǎng)耦合數(shù)值模擬，計(jì)算了一個(gè)工作循環(huán)內(nèi)噴嘴自身溫度分布，噴嘴溫度最高可達(dá)到580 K。但是其缸內(nèi)壓力是通過準(zhǔn)維模型計(jì)算得到，并不能完全反映噴嘴外表面的實(shí)際邊界條件，邊界條件并不準(zhǔn)確。

本研究通過分析噴油器針閥體傳熱方式，采用噴孔內(nèi)部流動(dòng)和缸內(nèi)三維燃燒仿真計(jì)算，得到針閥體各區(qū)域準(zhǔn)確的邊界傳熱條件，基于流固耦合開展針閥體溫度場(chǎng)仿真計(jì)算，為分析針閥體溫度分布以及噴孔積炭形成原因提供理論依據(jù)。

1 針閥體傳熱分析

1.1 傳熱方式分析

圖1示出某型8孔噴油器針閥體物理模型，噴孔直徑0.35 mm，長(zhǎng)徑比3.5。根據(jù)各部分傳熱方式的不同，將針閥體分為3個(gè)區(qū)域[11]。其中1區(qū)為針閥體上端外表面，該部分固定在缸蓋中，與缸蓋間隙較小，傳熱方式為導(dǎo)熱[13]。2區(qū)為針閥體頂端外表面，該部分完全暴露在燃燒室內(nèi)，與缸內(nèi)高溫燃?xì)庵苯咏佑|，傳熱方式為熱輻射和對(duì)流換熱。3區(qū)為針閥體內(nèi)表面，針閥開啟時(shí)燃油噴射帶走針閥體一部分熱量，傳熱方式為強(qiáng)制對(duì)流換熱。針閥關(guān)閉時(shí)針閥體油道和壓力室內(nèi)有少量燃油殘留，傳熱方式為導(dǎo)熱。

圖1 噴油器針閥體物理模型

1.2 邊界條件分析

通過對(duì)針閥體傳熱方式的分析，可以確定針閥體3個(gè)區(qū)域的邊界條件。

1區(qū)傳熱方式為導(dǎo)熱，溫度條件與同一位置處的缸蓋相似，給定第一類邊界條件，具體溫度參考缸蓋溫度值[14]。

2區(qū)傳熱方式為熱輻射和對(duì)流換熱，給定第二類邊界條件，熱流量Φ可以通過式(1)計(jì)算：

Φ=qA。

(1)

式中：q為熱流密度；A為面積。其中熱流密度通過缸內(nèi)三維燃燒仿真計(jì)算得到。

3區(qū)傳熱方式為強(qiáng)制對(duì)流換熱，傳熱量與燃油流動(dòng)狀態(tài)相關(guān)，可給定溫度初始條件和速度邊界條件進(jìn)行求解。速度邊界條件通過噴孔內(nèi)部流動(dòng)仿真計(jì)算得到。

2 數(shù)值計(jì)算模型建立

2.1 噴孔內(nèi)部流動(dòng)模型

圖2示出噴孔內(nèi)部燃油物理模型，基于流體體積法(Volume of Fluid，VOF)計(jì)算噴孔內(nèi)部流動(dòng)，流體體積法通過追蹤自由界面來確定流動(dòng)狀態(tài)。在VOF模型中，流體和氣體共享同一個(gè)動(dòng)量方程和能量方程，通過計(jì)算網(wǎng)格中的孔隙率α表征網(wǎng)格中流動(dòng)狀態(tài)。模型中加入Shields等人[15]提出的空化模型，湍流模型選用κ-ε模型。入口、出口均為壓力邊界。入口壓力根據(jù)噴油泵臺(tái)架試驗(yàn)測(cè)得的噴油器嘴端壓力給出，嘴端壓力通過Kistler 4624A壓力傳感器測(cè)量。出口背壓為2 MPa，背景氣體為空氣。壁面為無滑移壁面。計(jì)算流體為柴油，密度834 kg/m3。基礎(chǔ)網(wǎng)格尺寸為0.002 m，由于噴孔尺寸較小，對(duì)噴孔區(qū)域進(jìn)行圓柱形7級(jí)網(wǎng)格加密。圖3示出模型整體網(wǎng)格。

利用噴油泵試驗(yàn)臺(tái)架，采用長(zhǎng)管法進(jìn)行了噴油規(guī)律試驗(yàn)，對(duì)噴孔內(nèi)部流動(dòng)模型進(jìn)行驗(yàn)證。長(zhǎng)管法通過測(cè)量細(xì)長(zhǎng)管內(nèi)壓力隨時(shí)間的變化確定噴油規(guī)律[16]，噴油規(guī)律(質(zhì)量流量)可以表示為

(2)

式中：A為細(xì)長(zhǎng)管截面積；a為聲速；p為長(zhǎng)管內(nèi)壓力。

圖2 噴孔內(nèi)部燃油物理模型 圖3 模型整體網(wǎng)格

噴油壓力波在長(zhǎng)管端會(huì)產(chǎn)生反射波，因此細(xì)長(zhǎng)管長(zhǎng)度要足夠長(zhǎng)才能保證噴油規(guī)律的測(cè)量精度。圖4示出細(xì)長(zhǎng)管噴油壓力和噴油規(guī)律曲線。

圖4 細(xì)長(zhǎng)管噴油壓力和噴油規(guī)律曲線

圖5示出噴孔噴油規(guī)律(出口質(zhì)量流量)仿真值與試驗(yàn)值對(duì)比。圖5a示出噴油泵轉(zhuǎn)速700 r/min(發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速1 400 r/min)時(shí)噴油規(guī)律仿真值與試驗(yàn)值對(duì)比，圖5b示出噴油泵轉(zhuǎn)速1 000 r/min(發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速2 000 r/min)時(shí)噴油規(guī)律仿真值與試驗(yàn)值對(duì)比。從圖中可知，仿真值與試驗(yàn)值最大誤差為4.2%，表明噴孔內(nèi)部流動(dòng)模型具有較好的準(zhǔn)確性。

圖5 噴油規(guī)律仿真值與試驗(yàn)值對(duì)比

圖6示出最大扭矩點(diǎn)噴孔內(nèi)部速度分布。圖7示出標(biāo)定工況點(diǎn)噴孔內(nèi)部速度分布。從計(jì)算結(jié)果可知，由于噴孔入口處流動(dòng)發(fā)生分離，流通截面積減小，噴孔內(nèi)部流速明顯增加。標(biāo)定工況點(diǎn)噴孔內(nèi)部流動(dòng)速度高于最大扭矩工況點(diǎn)。噴孔內(nèi)部流速增加，燃油靜壓下降，噴孔內(nèi)部靠近上壁面處出現(xiàn)空化現(xiàn)象。

圖6 最大扭矩點(diǎn)噴孔內(nèi)部速度分布

圖7 標(biāo)定工況點(diǎn)噴孔內(nèi)部速度分布

2.2 缸內(nèi)燃燒模型

建立某型柴油機(jī)三維燃燒模型，柴油機(jī)主要技術(shù)參數(shù)如表1所示。

表1 柴油機(jī)主要技術(shù)參數(shù)

選擇1/8燃燒室作為計(jì)算區(qū)域，基礎(chǔ)網(wǎng)格尺寸為0.002 m，通過自適應(yīng)網(wǎng)格加密對(duì)計(jì)算區(qū)域進(jìn)行網(wǎng)格加密，對(duì)噴孔區(qū)域進(jìn)行2級(jí)固定空間網(wǎng)格加密。噴霧模型選擇KH-ACT模型，燃燒模型選擇SAGE模型，湍流模型選擇κ-ε模型。計(jì)算時(shí)間為進(jìn)氣門關(guān)閉(-130°曲軸轉(zhuǎn)角)至排氣門打開(130°曲軸轉(zhuǎn)角)，計(jì)算步長(zhǎng)為5×10-6s。

圖8示出外特性工況點(diǎn)缸壓仿真值與試驗(yàn)值對(duì)比。從圖中可知，仿真值與試驗(yàn)值的最大誤差在5%以內(nèi)，模型比較準(zhǔn)確。

圖8 外特性工況點(diǎn)缸壓仿真值與試驗(yàn)值對(duì)比

通過對(duì)三維燃燒計(jì)算結(jié)果的后處理，選取缸內(nèi)針閥體頂端外表面位置處曲面的熱流密度平均值作為針閥體外表面的計(jì)算邊界條件。圖9示出針閥體頂端外表面熱流密度平均值。從圖9可知，1 400 r/min時(shí)，熱流密度最大值為5.0×106W/m2，2 000 r/min時(shí)，熱流密度最大值為6.7×106W/m2。

圖9 針閥體頂端外表面熱流密度平均值

2.3 針閥體流固耦合模型

流固耦合傳熱計(jì)算的關(guān)鍵是實(shí)現(xiàn)固體域和流體域的熱量傳遞，由能量守恒可知，在耦合交界面處，流體傳出的熱量等于固體吸收的熱量[14]。熱量傳遞可以表示為

(3)

式中：λ為固體側(cè)導(dǎo)熱系數(shù)；T為熱力學(xué)溫度；n為垂直等溫線的坐標(biāo)軸；q為熱流密度；h為傳熱系數(shù)；Tf為流體溫度；Tw為壁面溫度。

由于流體域的特征時(shí)間遠(yuǎn)小于固體傳熱的特征時(shí)間，計(jì)算時(shí)先對(duì)流體域進(jìn)行一定時(shí)間的計(jì)算，將結(jié)果平均用于固體傳熱穩(wěn)態(tài)計(jì)算，如此循環(huán)直到固體溫度達(dá)到穩(wěn)定。

圖10示出流固耦合幾何模型?；A(chǔ)網(wǎng)格尺寸為0.002 m，對(duì)流固交界面處進(jìn)行網(wǎng)格加密，圖11示出計(jì)算模型切面網(wǎng)格。

圖10 流固耦合幾何模型 圖11 計(jì)算模型切面網(wǎng)格

針閥體材料密度為7 830 kg/m3，比熱容為434 J/(kg·K)，熱導(dǎo)率為63.9 W/(m·K)。根據(jù)傳熱邊界條件的分析，通過噴孔內(nèi)部流動(dòng)以及缸內(nèi)三維燃燒仿真計(jì)算，分別得到了3區(qū)和2區(qū)準(zhǔn)確的邊界條件，將其帶入到流固耦合模型中，求解針閥體溫度場(chǎng)。

3 計(jì)算結(jié)果分析

圖12示出最大扭矩點(diǎn)針閥體最高溫度分布(12°曲軸轉(zhuǎn)角)。從計(jì)算結(jié)果可知：針閥體從上到下，溫度逐漸增大，最高溫度出現(xiàn)在針閥體頂端，最高溫度為565 K；燃油噴射過程中，燃油溫度增加不明顯；噴孔內(nèi)部由進(jìn)口到出口溫度逐漸增大，噴孔出口溫度最高為528 K，噴孔下側(cè)溫度高于噴孔上側(cè)。

圖12 最大扭矩點(diǎn)針閥體最高溫度分布

圖13示出標(biāo)定工況點(diǎn)針閥體最高溫度分布(8°曲軸轉(zhuǎn)角)。從計(jì)算結(jié)果可知：標(biāo)定工況點(diǎn)針閥體溫度分布規(guī)律與最大扭矩點(diǎn)相似，針閥體從上到下溫度逐漸增大，最高溫度出現(xiàn)在針閥體頂端，最高溫度為613 K，高于最大扭矩點(diǎn)；噴孔內(nèi)部從進(jìn)口到出口溫度逐漸增大，噴孔出口溫度最高為580 K，噴孔下側(cè)溫度高于噴孔上側(cè)。

圖13 標(biāo)定工況點(diǎn)針閥體最高溫度分布

文獻(xiàn)[7-9]試驗(yàn)結(jié)果表明，當(dāng)針閥體頂端溫度超過493 K時(shí)，針閥體即可產(chǎn)生積炭。文獻(xiàn)[10]試驗(yàn)結(jié)果表明，當(dāng)柴油暴露在573 K以上的溫度時(shí)即可生成網(wǎng)狀不溶的積炭。根據(jù)針閥體溫度仿真計(jì)算結(jié)果可知，噴孔內(nèi)部靠近出口一側(cè)以及噴孔出口周圍的壁面溫度都超過了積炭形成的最低溫度，針閥體壁面本身的溫度足以產(chǎn)生積炭。燃燒室內(nèi)燃?xì)獾臏囟茸罡呖蛇_(dá)1 800～2 000 K，完全可以導(dǎo)致積炭的形成。

圖14示出該型柴油機(jī)400 h保險(xiǎn)期臺(tái)架試驗(yàn)結(jié)束后噴油器頂端以及噴孔積炭圖像。從圖中可知，噴油器針閥體積炭主要集中在噴孔出口周圍，沿噴孔出口分布比較均勻，噴孔內(nèi)部積炭較少。針閥關(guān)閉后，孔內(nèi)殘余的燃油大多擴(kuò)散至噴孔出口，形成液體油膜。在針閥體本身壁面溫度和高溫燃?xì)獾墓餐饔孟掳l(fā)生裂化、聚合等一系列反應(yīng)，形成積炭并積累在噴孔出口。相對(duì)于噴孔內(nèi)部，噴孔出口處的油膜條件和溫度條件更容易導(dǎo)致積炭的產(chǎn)生。

圖14 噴油器頂端以及噴孔積炭圖像

4 結(jié)論

a) 針閥體從上到下溫度逐漸增大，最高溫度出現(xiàn)在針閥體頂端；噴孔內(nèi)部從進(jìn)口到出口溫度逐漸增大，噴孔出口溫度最高；針閥體外表面噴孔下側(cè)溫度高于噴孔上側(cè)；噴孔內(nèi)部出口側(cè)以及針閥體外表面噴孔處的溫度均達(dá)到了積炭形成的最低溫度；

b) 針閥體壁面本身溫度可以形成積炭，在針閥體溫度和高溫燃?xì)獾墓餐饔孟拢瑖娍壮隹跉埩舻娜加桶l(fā)生裂化、聚合等反應(yīng)形成了積炭，不斷積累在噴孔出口周圍。噴油器針閥體實(shí)際積炭主要集中在噴孔出口周圍，沿噴孔圓周均勻分布，噴孔內(nèi)部積炭較少。