噴油嘴噴孔內(nèi)流動(dòng)特性數(shù)值仿真與試驗(yàn)分析

謝 陽,羅麒元,麻 劍,許滄粟

(浙江大學(xué) 動(dòng)力機(jī)械及車輛工程研究所,浙江 杭州 310027)

?

噴油嘴噴孔內(nèi)流動(dòng)特性數(shù)值仿真與試驗(yàn)分析

謝 陽,羅麒元,麻 劍,許滄粟

(浙江大學(xué) 動(dòng)力機(jī)械及車輛工程研究所,浙江 杭州 310027)

采用X射線相襯成像技術(shù)研究噴嘴噴孔內(nèi)試驗(yàn)的流動(dòng)特性,驗(yàn)證數(shù)值仿真結(jié)果.利用CFD軟件模擬得到入口壓力下燃油的質(zhì)量流量、空穴分布、有效噴射速度與無量綱流動(dòng)系數(shù),結(jié)合試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)流動(dòng)特性進(jìn)行分析.結(jié)果表明：X射線相襯成像技術(shù)的成像效果良好,仿真結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果吻合較好；噴射壓力越高,更容易進(jìn)入臨界超空穴狀態(tài)；噴孔出口速度的增幅略大于體積流量的增幅；雷諾數(shù)隨著噴射壓力的上升呈冪函數(shù)型上升,空穴數(shù)隨著雷諾數(shù)的增加呈指數(shù)下降,流量系數(shù)都隨著雷諾數(shù)的上升緩慢增加直至趨于穩(wěn)定.

柴油機(jī)；空穴；X射線；相襯成像

現(xiàn)代柴油發(fā)動(dòng)機(jī)多配備高壓共軌噴射系統(tǒng).柴油通過噴油器的多噴孔直接向缸內(nèi)噴射,從而實(shí)現(xiàn)更好的排放性能.高壓共軌系統(tǒng)會(huì)加劇燃料在孔內(nèi)的湍流度[1].研究表明,燃油噴霧的形成及霧化過程受到噴嘴內(nèi)湍流和空穴的影響,并且噴孔內(nèi)空穴引起的液流紊亂對(duì)孔外霧化的影響遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于周圍空氣摩擦的影響[2-3].

近年來,隨著相關(guān)測試技術(shù)的發(fā)展,對(duì)噴孔內(nèi)空穴流動(dòng)特性的各項(xiàng)研究逐漸發(fā)展起來.X 射線相襯成像技術(shù)作為一項(xiàng)新型的測試技術(shù),得到了極大的發(fā)展.目前,國外已有文獻(xiàn)運(yùn)用同步輻射X射線相襯成像技術(shù)來對(duì)噴霧機(jī)理以及噴孔內(nèi)的流動(dòng)特性進(jìn)行研究[4-5].試驗(yàn)成像的效果良好.目前,國內(nèi)利用該項(xiàng)技術(shù)探究噴孔內(nèi)的空穴流動(dòng)特性較少[6].

由于真實(shí)噴孔的尺寸極小,使用可視化手段難以識(shí)別小區(qū)域內(nèi)的流態(tài)變化,為了降低這種情況的影響,選用放大噴孔是一種較好的解決方法[7-12].相似準(zhǔn)則[7]是在設(shè)計(jì)放大噴孔時(shí)的主要理論依據(jù).為了消除噴孔曲面的影響,采用二維平面噴嘴可以直觀地觀察孔內(nèi)流動(dòng)狀態(tài)的變化[7-11].

本文采用X射線相襯成像技術(shù)研究噴嘴噴孔內(nèi)試驗(yàn)的流動(dòng)特性,配合數(shù)值仿真結(jié)果進(jìn)行相互驗(yàn)證,探究該技術(shù)的可行性.通過試驗(yàn)和CFD仿真計(jì)算了不同噴射壓力下噴孔內(nèi)流量及噴孔出口處有效噴射速度等,并配合空穴數(shù)、雷諾數(shù)和韋伯?dāng)?shù)進(jìn)一步分析噴射壓力對(duì)孔內(nèi)流動(dòng)特性參數(shù)的影響.

1 燃油的理化特性

測試燃料選取市售0#柴油.柴油的理化特性如表1所示[13-14].表中,ρ、μ、pv和σ分別為密度、黏度、飽和蒸汽壓和表面張力.

表1 柴油的物性參數(shù)

2 試驗(yàn)裝置及原理

采用上海光源( SSRF )的第3代同步輻射光源,研究噴孔內(nèi)的流動(dòng)特性.試驗(yàn)系統(tǒng)如圖1所示,包括比例放大的噴油器、穩(wěn)壓供油系統(tǒng)、X射線成像及采集系統(tǒng).

1-氮?dú)猓?-減壓閥；3-油箱；4-油路開關(guān)；5-體積流量計(jì)；6-壓力計(jì)；7-噴嘴；8-X射線源；9-回油槽；10-閃爍晶體； 11-ICCD相機(jī)；12-成像系統(tǒng)圖1 X射線相襯成像試驗(yàn)系統(tǒng)Fig.1 X-ray phase contrast imaging system

圖2 噴嘴示意圖Fig.2 Physical model

二維噴孔模型如圖2 所示.噴孔的幾何參數(shù)如下：噴孔寬度為5 mm,考慮到部分真實(shí)噴嘴的長徑比為1.8,因此選取9 mm作為噴孔長度,厚度為2 mm.透明視窗的材料采用聚稀亞胺.該材料有利于X射線的穿透,并且能夠在高溫下保持良好的力學(xué)強(qiáng)度.

如圖1所示,試驗(yàn)開始時(shí),打開減壓閥,使得氮?dú)馄恐械臍怏w進(jìn)入油箱,從而將柴油壓入供油管路,打開開關(guān),燃油噴入大氣環(huán)境中的回油槽(背壓約為0.1 MPa).此時(shí),流量計(jì)和噴嘴上方的壓力計(jì)開始讀數(shù),調(diào)整減壓閥使得噴嘴上方壓力表示數(shù)達(dá)到試驗(yàn)設(shè)定值的一定范圍內(nèi),待壓力穩(wěn)定后啟動(dòng)X射線源,此時(shí)圖像采集系統(tǒng)通過ICCD相機(jī)采集2 s的圖像.一次試驗(yàn)完成后,通過改變進(jìn)入油箱的氣壓來調(diào)節(jié)噴射壓力,從而得到不同噴射壓力條件下噴孔內(nèi)的流動(dòng)狀況.流量計(jì)與壓力表的數(shù)據(jù)直接由采集系統(tǒng)采集后,與圖像系統(tǒng)采集的相片同時(shí)間軸輸出,因此數(shù)據(jù)的處理較方便.

3 數(shù)學(xué)模型

3.1 計(jì)算網(wǎng)格

考慮到噴孔上游及下游燃燒室對(duì)噴孔內(nèi)柴油流動(dòng)的影響,選擇上游10 mm噴孔以及下游燃燒室12 mm區(qū)域作為計(jì)算區(qū)域.采用混合網(wǎng)格劃分區(qū)域,對(duì)噴孔入口拐角處進(jìn)行加密處理,得到精度更高的結(jié)果.如圖3所示為噴孔網(wǎng)格圖.在驗(yàn)證網(wǎng)格獨(dú)立性后,選擇網(wǎng)格數(shù)為623 548作為后續(xù)計(jì)算的基礎(chǔ).

圖3 噴油嘴計(jì)算網(wǎng)格Fig.3 Mesh of physical model

3.2 邊界條件和計(jì)算方法

數(shù)值模擬采用 ANSYS 軟件,利用均相模型計(jì)算空穴現(xiàn)象.對(duì)噴孔內(nèi)部的空穴流動(dòng)進(jìn)行氣液兩相湍流數(shù)值模擬,以 Rayleigh 所發(fā)展的單氣泡潰滅模型,湍流模型選用Jones和Launder提出的標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型；進(jìn)出口均采用壓力邊界,入口壓力設(shè)置為0.15、0.20、0.25、0.30、0.35、0.40 MPa,背壓設(shè)置為0.101 MPa；固壁處理,兩相間流速無滑移；由于較高入口壓力帶來的強(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(dòng)能k和耗散率ε；壓力修正采用SIMPLE算法；采用一階迎風(fēng)格式.

3.3 無量綱數(shù)

為了區(qū)別噴孔內(nèi)的單相流與空穴流,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：

(1)

式中：pi、p0分別為入口壓力和背壓.大量研究表明,對(duì)于不同結(jié)構(gòu)的噴油嘴,存在不同的臨界空穴數(shù)Kcr,當(dāng)K高于Kcr時(shí),不管雷諾數(shù)多大,也不會(huì)產(chǎn)生空穴,都是單相流；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(dòng)；隨著噴射壓力的增大或者背壓的減小,K不斷減小,流動(dòng)發(fā)展為超空穴流[15].

流量系數(shù)Cd是影響噴油器設(shè)計(jì)的一個(gè)主要因素.隨著孔內(nèi)流動(dòng)狀態(tài)的改變,流量系數(shù)隨之改變.Cd的定義如下：

(2)

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.

通過式(2)得到的K和Cd,結(jié)合雷諾數(shù)和韋伯?dāng)?shù)(式(3)和(4)),可以更清晰地展示孔內(nèi)流動(dòng)狀態(tài).

(3)

(4)

式中：v為噴射速度，d為直徑.

4 計(jì)算結(jié)果及分析

4.1 網(wǎng)格獨(dú)立性

圖4 網(wǎng)格獨(dú)立性驗(yàn)證Fig.4 Mass flow rate with respect to cell number

網(wǎng)格數(shù)對(duì)模擬計(jì)算精度有很大的影響,因此對(duì)網(wǎng)格獨(dú)立性的驗(yàn)證是必要的[16].本文預(yù)先對(duì)網(wǎng)格獨(dú)立性進(jìn)行驗(yàn)證.如圖4所示為當(dāng)入口壓力為0.2 MPa,背壓為0.1 MPa時(shí),孔內(nèi)的質(zhì)量流量隨網(wǎng)格數(shù)n增加的變化情況.通過大量的計(jì)算顯示,當(dāng)網(wǎng)格數(shù)達(dá)到54 298時(shí),后續(xù)的質(zhì)量流量已經(jīng)保持恒定.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62 548.

4.2 質(zhì)量流量及有效噴射速度

很多實(shí)驗(yàn)表明：在相同背壓下,隨著噴射兩端壓差不斷增加,體積流量逐漸增大.如圖5所示為噴孔出口處體積流量隨入口壓力變化的曲線.由圖5(a)可見,在相同背壓的情況下,體積流量都隨著入口壓力的增加呈冪函數(shù)型增大,這與理論預(yù)測一致.相比于體積流量,燃油出口處的有效速度(液相平均速度)能夠更直觀地反映噴射狀況.有效速度的定義如下.

試驗(yàn)結(jié)果為

ve=qV/Al.

(5)

CFD結(jié)果為

(6)

從圖5(b)可以看出,有效噴射速度隨著入口壓力的不斷上升而增加,有效速度增幅略大于體積流量.這是由于噴孔內(nèi)的超空穴現(xiàn)象減小了噴孔出口的有效面積,從而進(jìn)一步加劇了有效噴射速度.

圖5 不同入口壓力下的噴孔出口體積流量和有效噴射速度Fig.5 Flow rate and effective velocity at outlet under different injection pressure

在試驗(yàn)時(shí),供油系統(tǒng)采用氮?dú)馓峁毫?因此供油管路中的壓力存在一定的波動(dòng),從而導(dǎo)致了體積流量存在波動(dòng)值.為了便于數(shù)據(jù)處理,對(duì)體積流量進(jìn)行取平均處理.如圖6所示為體積流量波動(dòng)偏差分析.可以看出,體積流量的偏差η隨著入口壓力的不斷提高而下降,從最高的14%降低至4%.這是由于在壓力表后端的管路中存在一定的沿程損失,入口壓力增加產(chǎn)生的沿程損失在總動(dòng)能中的占比不斷下降.

圖6 偏差分析Fig.6 Deviation analysis

4.3 孔內(nèi)云圖分布

本試驗(yàn)基于X射線相襯成像技術(shù),圖像采集系統(tǒng)得到的圖像難以直接識(shí)別,因此將圖像矩陣化,并與背景圖片進(jìn)行差值處理,獲得較清晰的孔內(nèi)流動(dòng)狀態(tài)的圖片.部分圖片經(jīng)過再次運(yùn)算處理來加強(qiáng)需要分辨的細(xì)節(jié).

圖7 不同噴壓下空穴分布Fig.7 Contours of volume fraction of vapor under different injection pressure

如圖7所示為當(dāng)環(huán)境溫度為293 K,噴射背壓為0.101 MPa時(shí),不同入口壓力下噴孔內(nèi)空穴分布圖(包括試驗(yàn)與數(shù)值仿真結(jié)果).圖中,標(biāo)尺為數(shù)值模擬結(jié)果,純液相用1表示,純氣相用0表示.在噴孔平面截圖中,通過對(duì)比孔內(nèi)的平均氣相區(qū)域,當(dāng)噴孔入口壓力達(dá)到0.15 MPa時(shí),噴孔內(nèi)的流動(dòng)狀態(tài)處于紊流狀態(tài),無空穴出現(xiàn),這與試驗(yàn)結(jié)果(見圖7(a))相符.如圖7(b)所示為當(dāng)入口壓力為0.2、0.25 MPa時(shí),CFD結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果噴孔內(nèi)氣液分布云圖的對(duì)比.當(dāng)入口壓力為0.2 MPa時(shí),孔內(nèi)出現(xiàn)少量空穴,隨著入口壓力的增大,空穴向噴孔出口發(fā)展.當(dāng)入口壓力達(dá)到0.4 MPa時(shí),CFD模擬計(jì)算結(jié)果中噴孔內(nèi)流動(dòng)狀態(tài)進(jìn)入超空化,試驗(yàn)結(jié)果(見圖7(c))驗(yàn)證了這點(diǎn).

4.4 空穴數(shù)以及流動(dòng)系數(shù)

圖8給出雷諾數(shù)在不同的入口壓力情況下的比較.雷諾數(shù)(Reynolds number)與流場內(nèi)部的湍流度呈正相關(guān).雷諾數(shù)隨著入口壓力的增加而呈對(duì)數(shù)上升,噴孔內(nèi)的湍流度不斷上升.由于雷諾數(shù)正比于孔內(nèi)流體的有效速度,而有效速度與噴嘴出、入口的壓差的平方根成正相關(guān),隨著噴射壓力的增加,有效速度增長趨緩,從而導(dǎo)致孔內(nèi)湍流度的加劇程度變緩.這與圖7相印證.

圖8 雷諾數(shù)隨入口壓力變化的曲線Fig.8 Relationship between Reynolds number and injection pressure

圖9 雷諾數(shù)和韋伯?dāng)?shù)對(duì)空穴數(shù)的影響Fig.9 Influence of Reynolds number and Weber number on cavitation number

圖9給出雷諾數(shù)和韋伯?dāng)?shù)對(duì)空穴數(shù)的影響情況.在背壓和燃料溫度保持不變的情況下,空穴數(shù)隨著入口壓力的增加而減小.圖9(a)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；在空化流區(qū)域,空穴數(shù)下降趨勢放緩.根據(jù)式(1)的定義可知,當(dāng)噴射的背壓和流體的飽和蒸汽壓為定值時(shí),空穴數(shù)隨著入口壓力的上升而下降,并且這種趨勢會(huì)逐漸放緩.由于空穴數(shù)與噴嘴出入口壓差的倒數(shù)成正相關(guān),雷諾數(shù)與噴嘴出入口的壓差的平方根成正相關(guān),因此空穴數(shù)隨噴射壓力的衰減程度強(qiáng)于雷諾數(shù),呈現(xiàn)出指數(shù)式下降；同時(shí),韋伯?dāng)?shù)對(duì)空穴數(shù)的影響與雷諾數(shù)相似.

如圖10所示為不同入口壓力下流量系數(shù)隨雷諾數(shù)變化的情況.當(dāng)噴孔內(nèi)流態(tài)逐漸進(jìn)入空穴流時(shí),流量系數(shù)增加.當(dāng)孔內(nèi)流動(dòng)進(jìn)入空穴流后,隨著雷諾數(shù)的不斷增加,流量系數(shù)趨于穩(wěn)定.

圖10 流量系數(shù)隨雷諾數(shù)變化的曲線Fig.10 Relationship between Reynolds number and discharge coefficient

5 結(jié) 論

(1)X射線相襯成像技術(shù)可以用來探究噴孔內(nèi)的流動(dòng)特性.X射線相襯成像技術(shù)獲取的圖像經(jīng)過一定的處理能夠清晰地展示噴孔內(nèi)的流動(dòng)狀態(tài).同時(shí),仿真結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果能夠較好地吻合.

(2)試驗(yàn)和數(shù)值計(jì)算都表明,在一定的背壓條件下,質(zhì)量流量隨著入口壓力的增加而增大,而有效速度的增幅較大,并且當(dāng)入口壓力達(dá)到一定值(本試驗(yàn)為0.4 MPa)時(shí),噴孔內(nèi)流態(tài)進(jìn)入超空化狀態(tài).

(3)雷諾數(shù)隨著噴壓的上升呈冪函數(shù)型上升,空穴數(shù)隨著雷諾數(shù)的增加呈指數(shù)下降,流量系數(shù)都隨著雷諾數(shù)的上升而增加、直至趨于穩(wěn)定.

[1] LOCKETT R D, LIBERANI L, THAKER D, et al. The characterization on of diesel nozzle flow using high speed imaging of elastic light scattering [J]. Fuel, 2013, 106: 605-616．[2] HE Z X, ZHONG W J, WANG Q, et al. Effect of nozzle geometrical and dynamic factors on cavitating and turbulent flow in a diesel multi-hole injector nozzle [J]. International Journal of Thermal Sciences, 2013, 70: 132-143．

[3] 馬志炎, 謝陽, 許滄粟. 生物柴油對(duì)噴油嘴噴孔內(nèi)部流動(dòng)影響的仿真研究[J]. 內(nèi)燃機(jī)工程, 2014, 35(01): 81-86． MA Zhi-yan, XIE Yang, XU Cang-su. Simulation research on effect of biodiesel on fuel flow in nozzle hole [J]. Chinese Internal Combustion Engine Engineering, 2014, 35(01): 81-86．

[4] KASTENGREN A L, POWELL C F, WANG Y, et al.Nozzle geometry and injection duration effects on diesel sprays measured by X-ray radiography [J]. Journal of Fluids Engineering-Transactions of the ASME, 2008, 130(4): 1-12．

[5] IM K S, CHEONG S K, POWELL C F, et al. Unraveling the geometry dependence of in-nozzle cavitation in high-pressure injectors [J]. Scientific Reports, 2013, 3(2067): 1-5．

[6] 張樂超, 魏建勤, 謝紅蘭, 等. X射線相襯成像技術(shù)測量噴油嘴幾何特征尺寸的研究[J]. 內(nèi)燃機(jī)學(xué)報(bào), 2011, 29(04): 364-369． ZHANG Le-chao, WEI Jian-qin, XIE Hong-lan, et al. Measurement of nozzle geometry with X-ray phase contrast imaging technique [J]. Chinese Internal Combustion Engine Engineering, 2011, 29(04): 364-369．

[7] 馬志炎. 柴油機(jī)噴油器噴孔內(nèi)空穴流動(dòng)的可視化試驗(yàn)研究與數(shù)值模擬分析[D]. 杭州：浙江大學(xué),2013． MA Zhi-yan. The visualization experiment and numerical simulation for cavitation flow in a injector nozzle of diesel engine [D]. Hangzhou: Zhejiang University, 2013．[8] HYUM K S, CHANG S L. Effect of cavitation in nozzle orifice on the diesel fuel atomization characteristics [J]．International Journal of Heat and Fluid Flow, 2008, 29(4): 1001-1009.

[9] SU H P, HYUM K S, CHANG S L. Effect of cavitating flow on the flow and fuel atomization characteristics of biodiesel and diesel fuels [J]. Energy and Fuels, 2008, 22(1): 605-613．

[10] SOU A, TOMIYAMA A, HOSOKAWA S, et al. Cavitation in a two-dimensional nozzle and liquid jet atomization [J]. JSEM International Journal, 2006, 49(4): 1253-1259．

[11] HENRRY M E, COLLICOTT S H. Visualization of internal flow in a cavitating slot orifice [J]. Atomization and Sprays, 2000, 10(6): 545-563．

[12] 何志霞,柏金,王謙,等. 柴油機(jī)噴嘴內(nèi)空穴流動(dòng)可視化試驗(yàn)與數(shù)值模擬[J]. 農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào), 2011, 42(11): 6-9． HE Zhi-xia, BO Jin, WANG Qian, et al. Visualization experiment and numerical simulation for cavitating flow in a diesel injector nozzle [J]. Transactions of the Chinese Society for Agricultural, 2011, 42(11): 6-9．

[13] FLAIG U, POLACH W, ZIEGLET G. Common rail system (CR-system) for passenger car DI diesel engines, experiences with applications for series productions projects [J]. SAE Paper, 1999-01-0191.

[14] 張登攀, 袁銀南, 杜家益, 等. 生物柴油自由噴霧的試驗(yàn)研究[J]. 內(nèi)燃機(jī)工程, 2010, 31(06): 13-16． ZHANG Deng-pan, YUAN Yin-nan, DU Jia-yi, et al. Experimental study on bio-diesel free spray [J]. Chinese Internal Combustion Engine Engineering, 2010, 31(06): 13-16．

[15] HE Z X, MU Q, WWANG Q. Effect of diesel nozzle geometry on internal cavitating flow [J]. Advanced Materials Research, 2010, 97-101: 2925-2928．

[16] MOHAMMAD T S T, SHEYEHVAZAYEFI M, GHORBANI M. Numerical study on the effect of the injection pressure on spray penetration length [J]. Applied Mathematical Modeling, 2013, 37(14/15): 7778-7788．

Numerical simulation and experimental validation of internal nozzle flow characteristic of injector

XIE Yang, LUO Qi-yuan, MA Jian, XU Cang-su

(InstituteofPower-DrivenMachineryandVehicleEngineering,ZhejiangUniversity,Hangzhou310027,China)

The X-ray phase contrast imaging technique was used to analyze the flow characteristics of internal nozzle in order to verify the simulation results. The mass flow, cavitation distribution, effective velocity at the outlet and non-dimensional flow coefficients under different injection pressure conditions were considered based on the CFD software simulation combined with the experimental results. Results show that X-ray phase contrast imaging technique contributes to the research, and the results accord with the simulation results. Critical super cavitation conditions are achieved easier when injection pressure rises. The growth of effective velocity at the outlet is slightly bigger than that of volume flow. Reynolds number shows positive correlation to the injection pressure, while the cavitation number decreases exponentially with increases in the Reynolds numbers. The discharge coefficient increases as the Reynolds number rises until it gets stable．

engine; cavitation; X-ray; phase contrast imaging

2014-09-11. 浙江大學(xué)學(xué)報(bào)(工學(xué)版)網(wǎng)址： www.journals.zju.edu.cn/eng

國家“973”重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展規(guī)劃資助項(xiàng)目(2013CB228100);浙江省公益性技術(shù)應(yīng)用研究計(jì)劃資助項(xiàng)目(2012C21060) .

謝陽(1990-)，男，碩士生，從事柴油噴霧與數(shù)值模擬的研究.ORCID:0000-0002-8534-8959.E-mail:xieyang_auto@163.com 通信聯(lián)系人：許滄粟，男，副教授.E-mail:xcs0929@163.com

10.3785/j.issn.1008-973X.2016.01.016

TK 421

A

1008-973X(2016)01-0111-05