柴油溫度對噴孔內(nèi)流動特性影響的仿真分析

謝 陽,姚子澍,麻 劍,羅麒元,許滄粟

（1.浙江大學(xué)動力機(jī)械及車輛工程研究所,浙江杭州310027；2.浙江大學(xué)城市學(xué)院工程學(xué)院,浙江杭州310015）

柴油溫度對噴孔內(nèi)流動特性影響的仿真分析

謝 陽1,姚子澍2,麻 劍1,羅麒元1,許滄粟1

（1.浙江大學(xué)動力機(jī)械及車輛工程研究所,浙江杭州310027；2.浙江大學(xué)城市學(xué)院工程學(xué)院,浙江杭州310015）

為研究柴油溫度對真實(shí)噴孔內(nèi)流動特性的影響,對柴油在噴油嘴噴孔內(nèi)部的流動進(jìn)行三維數(shù)值仿真.利用計(jì)算流體動力學(xué)（CFD）軟件模擬得到不同燃油溫度和背壓條件下燃油的質(zhì)量流量、有效噴射速度、空穴斷面分布與無量綱流動參數(shù),并進(jìn)行分析.結(jié)果表明：溫度越高,背壓越低,更容易進(jìn)入臨界超空穴狀態(tài)；在進(jìn)入超空穴狀態(tài)之后,噴孔內(nèi)的超空穴現(xiàn)象加劇有效噴射速度的升高,并且隨著燃油溫度上升,有效速度增加了6%；雷諾數(shù)隨溫度上升而上升,空穴數(shù)隨著雷諾數(shù)的增加而呈指數(shù)下降,而流量系數(shù)在空穴發(fā)展階段維持不變.

燃油溫度；空穴；噴孔孔內(nèi)流動；數(shù)值模擬

現(xiàn)代柴油發(fā)動機(jī)多配備高壓共軌噴射系統(tǒng).柴油通過噴油器的噴孔直接向缸內(nèi)噴射,實(shí)現(xiàn)更好的排放性能.而高壓共軌系統(tǒng)會加劇燃油在孔內(nèi)的湍流度［1］.研究表明,噴嘴內(nèi)湍流和空穴在很大程度上決定了燃油的噴霧霧化品質(zhì)［2］.而國內(nèi)保有量以及年產(chǎn)量很大的小功率柴油機(jī)仍采用機(jī)械式噴射,噴射壓力較低（30～60 MPa）,經(jīng)濟(jì)性很差.因此,研究噴孔內(nèi)流動狀態(tài),利用空穴流改善噴霧霧化質(zhì)量,對提高經(jīng)濟(jì)性是十分必要的.

現(xiàn)有的文獻(xiàn)資料中有關(guān)多孔噴油器的孔內(nèi)流動的研究多數(shù)集中于噴孔的幾何形狀以及噴射壓力對孔內(nèi)流動的影響［3］.但對于燃油溫度對孔內(nèi)流動影響的研究,目前在國內(nèi)外開展得還較少.而在柴油機(jī)的工況下,噴油嘴的殼體溫度可以高達(dá)150℃［4］.多數(shù)的數(shù)值模擬都將燃油的溫度設(shè)定在30℃,而燃油的物化特性（黏度、密度、蒸氣壓和表面張力等）隨溫度改變從而影響孔內(nèi)流動狀態(tài),所以這會帶來一定的誤差.

本文采用CFD方法模擬了不同溫度和背壓情況下的孔內(nèi)流動狀態(tài),探究不同缸內(nèi)壓力和溫度下噴孔內(nèi)流態(tài)的區(qū)別.數(shù)值模擬中通過計(jì)算噴孔內(nèi)流量以及噴孔出口處有效噴射速度等,進(jìn)一步分析了燃油溫度對于孔內(nèi)流動特性參數(shù)的影響,探討了孔內(nèi)流動對孔外噴霧霧化的影響.

1 燃油的理化特性

市售0＃柴油作為研究對象.柴油的理化特性如表1所示［5-6］,表中：T、ρ、μ、pv和σ分別為溫度、密度、黏度、飽和蒸氣壓和表面張力.

表1 柴油的物性參數(shù)Tab.1 Properties of Diesel

2 理論分析

為區(qū)別噴孔內(nèi)單相流與空穴流,并反映空穴出現(xiàn)后的發(fā)展程度,引入無量綱空穴數(shù)K來判斷空穴初生：

式中：pi和p0分別為入口壓力和背壓.K值會隨噴油壓力和背壓壓差的減小而顯著增大.式（1）可看成導(dǎo)致空穴潰滅的可用壓力（pi－pv）與有助于空穴形成和發(fā)展的可用壓力（pi－p0）之比,故可將其理解為空穴參數(shù)K越小,空穴越容易產(chǎn)生.大量研究表明對于不同結(jié)構(gòu)的噴油嘴,存在不同臨界空穴數(shù)Kcr,當(dāng)K高于Kcr時(shí),不會有空穴現(xiàn)象發(fā)生,只是湍流射流,湍流渦旋使噴束表面形成波皺并向中心擴(kuò)散,成為二次霧化的擾動源；一旦K低于Kcr,在噴孔入口處將產(chǎn)生空穴,形成部分空穴流動；隨著噴射壓力增大或者背壓減小,K值不斷減小,流動發(fā)展為超空穴流［7］.

同時(shí)流量系數(shù)Cd是設(shè)計(jì)噴油器時(shí)參考的一個(gè)主要因素.隨著孔內(nèi)流動狀態(tài)的改變,流量系數(shù)也會隨之改變.其定義如下：

式中：qm為實(shí)際質(zhì)量流量,A為噴孔幾何截面積, Δp為噴孔兩端壓降,ρl為液體密度.

通過空穴數(shù)K和流量系數(shù)Cd結(jié)合雷諾數(shù)Re,可以更為清晰的展示孔內(nèi)流動狀態(tài).

3 數(shù)學(xué)模型

3.1 噴嘴模型及網(wǎng)格劃分

對一種6孔噴嘴進(jìn)行試驗(yàn)數(shù)值模擬分析.噴孔模型直徑為0.2 mm,長度為0.8 mm.對稱的6孔的噴嘴每個(gè)噴孔的軸線與針座軸之間的夾角相同,孔與孔之間的夾角相同.因此取噴嘴流動區(qū)域的1／6進(jìn)行數(shù)值分析.三維結(jié)構(gòu)計(jì)算網(wǎng)格的劃分,如圖1所示,通過對噴孔入口處做局部網(wǎng)格加密處理從而保證關(guān)鍵部位精度.

圖1 噴油嘴計(jì)算網(wǎng)格Fig.1 Mesh of physical model

3.2 數(shù)學(xué)模型

數(shù)值模擬采用ANSYS軟件進(jìn)行,利用均相模型計(jì)算空穴現(xiàn)象［8］.對噴孔內(nèi)部的空穴流動進(jìn)行三維氣液兩相湍流數(shù)值模擬,以Rayleigh所發(fā)展的單氣泡潰滅模型［9］為基礎(chǔ)建立數(shù)學(xué)模型.

式中：φα為蒸氣的體積分?jǐn)?shù),φα1是液體的體積分?jǐn)?shù).φα和φα1可以等于任何值0和1.0之間,這取決于由氣相和液相所占據(jù)的空間.下標(biāo)l和v代表的純液態(tài)和純蒸氣的性質(zhì).主要控制方程如下［10-11］：

1）連續(xù)性方程

式中：v為速度,t為時(shí)間.

2）動量方程

式中：g為重力加速度,F為體積力（不包括重力）.

3）氣相輸送方程

式中：n0為單位體積純液體中所含氣泡數(shù),r為氣泡半徑.

4）單氣泡生長破裂模型

式中：pb為氣泡內(nèi)壓力.

5）k-方程

式中：k為湍動能,ε為耗散率,Gk為由于平均速度梯度引起的耗散能.

（6）壁面邊界條件

式中：y為壁面距離,u＋和y＋分別為無量綱速度和距離,u為速度沿壁面的切向分量,uτ為切應(yīng)力速度, u*為壁面摩擦速度.而作為默認(rèn)值,C1ε＝1.44,C2ε＝1.92,σk＝1,σε＝1.3,κ＝0.42,B＝5.44.

3.3 初始條件與邊界條件

模擬計(jì)算進(jìn)出口均采用壓力邊界；固壁處理,兩相間流速無滑移；同時(shí)由于較高噴射壓力帶來的強(qiáng)湍流度,使用給定湍流強(qiáng)度I和湍流長度l來取代湍動能k和耗散率ε；壓力修正采用SIMPLE算法；對各項(xiàng)的空間差分均采用二階格式.數(shù)值計(jì)算邊界條件如表2所示.

表2 孔內(nèi)流動邊界條件Tab.2 Boundary conditions of the nozzle flow

4 計(jì)算結(jié)果及分析

4.1 網(wǎng)格獨(dú)立性

網(wǎng)格數(shù)對模擬計(jì)算精度有著很大的影響,因此對網(wǎng)格獨(dú)立性的驗(yàn)證是必要的［12］.本文預(yù)先對網(wǎng)格獨(dú)立性進(jìn)行驗(yàn)證.如圖2所示為噴射壓力等于30 MPa,背壓1 MPa,噴孔的質(zhì)量流量qm隨網(wǎng)格數(shù)C增加的變化情況.計(jì)算結(jié)果表明,當(dāng)網(wǎng)格數(shù)達(dá)到80 172后,噴孔的質(zhì)量流量保持恒定,不再隨網(wǎng)格數(shù)的增加而改變.因此為了保證計(jì)算的精度,后續(xù)計(jì)算的網(wǎng)格數(shù)選擇為115 192.

圖2 網(wǎng)格獨(dú)立性驗(yàn)證Fig.2 Mass flow rate with respect to cell number

4.2 燃油溫度以及背壓對孔內(nèi)流動的影響

圖3 不同背壓和燃油溫度下的噴孔出口質(zhì)量流量和噴射速度Fig.3 Mass flow rate and effective velocity at outlet under different back pressure and different fuel temperature

4.2.2 噴孔內(nèi)的空穴分布圖 在燃油溫度為300 K,噴射背壓分別為6和5 MPa時(shí),噴孔內(nèi)空穴的斷面分布圖如圖4所示.圖中深色為純液相,淺色為純氣相.通過對比噴孔內(nèi)斷面中平均氣相區(qū)域大小,可以發(fā)現(xiàn),當(dāng)噴孔出口背壓為6 MPa時(shí),噴孔內(nèi)的流態(tài)處于空穴發(fā)展階段,而當(dāng)背壓低于5 MPa時(shí),噴孔內(nèi)流動狀態(tài)進(jìn)入超空穴.這是由于隨著背壓的不斷下降,噴孔兩端的壓力差不斷變大,這使得噴孔內(nèi)柴油的流速增加.根據(jù)伯努利方程,局部壓力隨著速度的上升而下降,當(dāng)壓力下降低于燃油的飽和蒸氣壓時(shí),空穴產(chǎn)生.此外,這也與噴孔出口的質(zhì)量流量曲線吻合.

在噴射壓力pi＝30 MPa,背壓p0＝6 MPa時(shí),不同燃油溫度時(shí)噴孔內(nèi)空穴的斷面分布如圖5所示.從圖5可以看出,柴油在噴孔內(nèi)的空穴效應(yīng)隨著溫度的增加逐漸增強(qiáng),空穴層的長度顯著增加,厚度逐漸變厚.在300 K時(shí),在噴孔入口處出現(xiàn)少量空穴,而當(dāng)燃油溫度上升至380 K時(shí),柴油由空穴發(fā)展階段進(jìn)入超空穴狀態(tài),并且隨著溫度的繼續(xù)上升,孔內(nèi)流動狀態(tài)幾乎不再變化.這是由于柴油的物性隨著溫度上升而變化.飽和蒸氣壓的急劇上升和黏度的下降都利于空穴的產(chǎn)生.因此在同一背壓的情況下,隨著溫度的上升,噴孔內(nèi)的流態(tài)會向超空穴狀態(tài)發(fā)展.圖5所示的現(xiàn)象也呈現(xiàn)在很多其他液體中,例如汽油［14］、水［15］等.

圖4 不同背壓下空穴分布Fig.4 Contours of volume fraction of vapor under different back pressure

圖5 不同溫度下空穴分布Fig.5 Contours of volume fraction of vapor under different temperature

4.2.3 空穴數(shù)以及流動參數(shù) 如圖6所示給出了雷諾數(shù)數(shù)在不同的背壓和溫度情況下的比較.雷諾數(shù)（Reynolds number）的大小與流場內(nèi)部的湍流度呈正相關(guān).隨著燃油溫度的上升,噴孔內(nèi)的流速增加而黏度系數(shù)下降,導(dǎo)致噴孔內(nèi)的湍流度不斷增加,這加劇了雷諾數(shù)的上升.這也與圖5相驗(yàn)證.

雷諾數(shù)對空穴數(shù)的影響情況如圖7所示.空穴數(shù)被定義為入口壓力與飽和蒸氣壓之差同入口、出口壓力差之比,如式（1）所示.在噴壓保持不變的情況下,空穴數(shù)隨著背壓的增加而增大,隨著溫度的上升而下降.圖7表明：空穴數(shù)隨著雷諾數(shù)的增加而呈指數(shù)下降.在紊流區(qū)域內(nèi),空穴數(shù)顯著下降,而在空穴流區(qū)域,空穴數(shù)下降趨勢放緩.

圖6 雷諾數(shù)隨燃油溫度變化的曲線Fig.6 Relationship between Reynolds number and temperature

圖7 雷諾數(shù)對空穴數(shù)的影響Fig.7 Influence of the Reynolds number on cavitation number

如圖8所示為燃油溫度300和360 K時(shí),流量系數(shù)隨雷諾數(shù)變化的情況.從圖中看出,在空穴發(fā)展階段,流量系數(shù)變動較小,而進(jìn)入超空穴狀態(tài)后,流量系數(shù)急速下降.由于實(shí)際質(zhì)量流量隨著背壓的減小而呈對數(shù)式增長而壓差隨著背壓的減小呈線性增長,因此隨著背壓減小,流量系數(shù)會先緩增而后銳減.這也闡釋了圖8中的現(xiàn)象.同時(shí)在較高溫度時(shí),流量系數(shù)下降的臨界背壓點(diǎn)會略微提升,也就是燃油溫度的上升會使得噴孔內(nèi)的流動狀態(tài)趨向于超空穴流態(tài).

圖8 流量系數(shù)隨燃雷諾數(shù)變化的曲線Fig.8 Relationship between Reynolds number and discharge coefficient

5 結(jié) 論

（1）為保證數(shù)值計(jì)算的高效性和準(zhǔn)確性,對噴油嘴計(jì)算網(wǎng)格進(jìn)行獨(dú)立性驗(yàn)證是十分必要的.計(jì)算表明只有當(dāng)網(wǎng)格細(xì)分到一定數(shù)量后,網(wǎng)格的劃分才不會影響模擬計(jì)算的精度.

（2）在相同噴壓的條件下,隨著背壓減小,質(zhì)量流量逐漸增大,并且當(dāng)背壓降低到一定值時(shí)均能產(chǎn)生超空穴；而燃油溫度從300 K上升至390 K時(shí),噴孔內(nèi)的流態(tài)更容易發(fā)展成超空穴流,此時(shí)質(zhì)量流量先增后減,在340 K時(shí)達(dá)到最大.

（3）在相同噴壓下有效噴射速度都是隨背壓減小而增大,并且在進(jìn)入超空穴狀態(tài)之后,由于噴孔有效截面積的減小,進(jìn)一步加劇了有效噴射速度的升高；同時(shí),有效噴射速度隨著燃油溫度的上升而上升,增長幅度最大為6%.

（4）雷諾數(shù)隨溫度上升而上升,空穴數(shù)隨著雷諾數(shù)的增加而呈指數(shù)下降,而隨著背壓減小,流量系數(shù)在空穴發(fā)展階段維持穩(wěn)定,當(dāng)背壓降低至噴孔內(nèi)出現(xiàn)超空穴流時(shí),流量系數(shù)銳減.此外,同時(shí)在較高溫度時(shí),流量系數(shù)下降的臨界背壓點(diǎn)會略微提升.

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Numerical study on internal nozzle flow characteristic of diesel under hot fuel conditions

XIE Yang1,YAO Zi-shu2,MA Jian1,LUO Qi-yuan1,XU Cang-su1
（1.Institute of Power-driven Machinery and Vehicle Engineering,Zhejiang University,Hangzhou 310027,China；2.School of Engineering Zhejiang University City College,Hangzhou 310015,China）

The study was conducted to investigate the change of real internal nozzle flow parameters under hot fuel conditions.According to a model of the conventional six-hole,valve-covered orifice（VCO）diesel injector,three-dimensional numerical simulation of cavitation flow in the nozzle was studied.The mass flow,effective velocity at the outlet,cavitation distribution and non-dimensional flow coefficients under different temperature and pressure conditions were considered in the analysis.The result showed that critical super cavitation conditions are achieved easier when fuel temperature rises or back pressure drops.Affected by internal nozzle super cavitation flow,effective velocity increases rapidly after critical super cavitation,besides,it shows positive correlation to temperature（increased by 6%）；Reynolds number rises with the temperature rising,the cavitation number decreases exponentially with increases in the Reynolds numbers,besides,discharge coefficient remain stable without super cavitation flow.

fuel temperature；cavitation；internal nozzle flow；numerical simulation

10.3785／j.issn.1008-973X.2015.05.018

TK 421＋.4

A

1008-973X（2015）05-0938-06

2014-03-24. 浙江大學(xué)學(xué)報(bào)（工學(xué)版）網(wǎng)址：www.journals.zju.edu.cn／eng

國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（50976100,51076138）.

謝陽（1990－）,男,碩士生,從事柴油噴霧與數(shù)值模擬方向研究.E-mail：xieyang_auto＠163.com

許滄粟,男,副教授.E-mail：xcs0929＠163.com