柴油機非對稱噴油嘴內(nèi)部空化流動特性的數(shù)值研究

蘇航宇, 韓振南, 劉邱祖

(太原理工大學(xué)， 山西 太原 030024)

柴油機非對稱噴油嘴內(nèi)部空化流動特性的數(shù)值研究

蘇航宇, 韓振南, 劉邱祖

(太原理工大學(xué)， 山西 太原 030024)

柴油機噴油嘴內(nèi)部噴嘴流量和空化現(xiàn)象直接影響到燃油的噴射和霧化，進而影響柴油機的性能和排放。以兩種非對稱柴油機噴油嘴——小壓力室噴油嘴(mini-sac)和無壓力室噴油嘴(VCO)為例，通過Fluent軟件對其進行空化和流量數(shù)值仿真，研究入口壓力和背壓參數(shù)對質(zhì)量流量變化的影響。研究結(jié)果表明：在相同進出口壓力下，mini-sac型噴油嘴各孔的流量均比VCO型的大；在較低和中等進口壓力下VCO型噴油嘴各孔比mini-sac型更容易產(chǎn)生空化，而在較高的進口壓力下這兩種類型噴油嘴各孔產(chǎn)生空化難易程度基本一致；當(dāng)進口壓力不變時，隨著出口壓力的降低，在無空化產(chǎn)生時其質(zhì)量流量與壓力差呈線性關(guān)系；當(dāng)空化出現(xiàn)時其質(zhì)量流量繼續(xù)增加，當(dāng)出現(xiàn)超空化現(xiàn)象時該孔的質(zhì)量流量不再變化；隨著各孔的軸向夾角的增大，流量越小，空化越容易；對于這兩種噴油嘴來說，只有mini-sac型孔3和孔4的空化出現(xiàn)在噴孔的上端和下端，其余孔的空化都只產(chǎn)生在上端。

柴油機； 噴油嘴； 空化； 數(shù)值模擬

在實際商業(yè)使用中的現(xiàn)代柴油機噴油器噴嘴有很多類型，而最常見的兩種是小壓力室噴油嘴和無壓力室噴油嘴。不同種類和結(jié)構(gòu)的噴油嘴其內(nèi)部的流動特性和空化程度也不同，噴嘴內(nèi)高度的湍流強度和氣液兩相的存在使得油液的流動變得很復(fù)雜。針對噴油嘴內(nèi)部流動，大量的學(xué)者對此進行了研究：何志霞等[1]通過數(shù)值模擬和可視化試驗分析了流量系數(shù)與空穴參數(shù)之間的關(guān)系；鐘汶君等[2]通過可視化試驗發(fā)現(xiàn)，增大噴孔長度和減小噴孔與噴嘴軸線間夾角都能抑制噴孔內(nèi)空化現(xiàn)象；仇滔等[3]通過試驗得出噴油器出口壓力對噴油率的影響；Qiu T等[4]通過數(shù)值模擬研究了噴射背壓對噴嘴內(nèi)部空化發(fā)展的影響，特別是在堵塞過程中的流動特性；邵壯等[5]將高速攝影和長工作距離顯微成像技術(shù)應(yīng)用在可視化試驗臺上，分析了噴嘴幾何結(jié)構(gòu)對空穴臨界初生現(xiàn)象的影響。

由于現(xiàn)代柴油機的壓縮比逐漸提高，其進氣壓力也在不斷增加，并且預(yù)噴會使在開始主噴時缸內(nèi)壓力很高，導(dǎo)致噴油嘴的出口壓力不斷增加，因此，柴油機燃油噴射特性必須考慮出口壓力的影響。本研究采用不同的進口壓力和背壓來分析兩種非對稱噴油嘴(mini-sac和VCO)內(nèi)部流動的質(zhì)量流量和其空化特性。

1 數(shù)學(xué)模型

本研究采用Ansys 16.2 fluent軟件進行數(shù)值計算。噴油嘴內(nèi)部流動為三維空化兩相湍流模型，此模型考慮了氣液兩相的相對滑動，并在湍流黏性計算中考慮因空化氣泡產(chǎn)生的渦黏性的影響，能夠反映流體更多細節(jié)[6]。其方程的具體描述如下：

連續(xù)性方程形式為

(1)

式中：l和k表示物質(zhì)狀態(tài)，k=1表示氣相，k=2表示液相；ak為k相體積分?jǐn)?shù)；ρk為k相密度；vk為k相的速度；t為時間；Γkl為k相和l相的質(zhì)量傳輸。

k相體積分?jǐn)?shù)必須滿足

(2)

動量方程為

-αk··p+

(3)

兩相間質(zhì)量傳輸模型采用線性空化模型，方程如下：

(4)

相間動量傳輸模型采用空化多拽模型，方程如下：

(5)

離散方程均采用基于內(nèi)節(jié)點的有限容積法，對壓力場的修正采用PISOE算法，在空間離散利用高斯迎風(fēng)格式以提高穩(wěn)定性，其余的采用二階迎風(fēng)格式，時間采用隱式離散法。

2 物理模型

2.1 幾何模型和計算網(wǎng)格

以兩個孔數(shù)為5的不同噴嘴為研究對象，研究噴油器在最大針程下的空化特性和流動狀況。各孔的分布規(guī)律見圖1。

圖1 噴孔分布參數(shù)

為方便比較兩種非均勻類型的噴油嘴內(nèi)部流動特性，這兩種噴嘴選用相同的不均勻角度，其部分二維截面見圖2。兩個噴油嘴除底座結(jié)構(gòu)不一致，噴孔長度和直徑都相同，分別為970.7μm和170μm。

圖2 噴油嘴結(jié)構(gòu)

利用ICEM軟件建立兩種噴油器在其最大針程下內(nèi)部流動區(qū)域的三維模型，并對其進行了網(wǎng)格劃分。由于噴油管的流動特性比較復(fù)雜，所以采用混合網(wǎng)格，并對管壁網(wǎng)格進行加密處理。三維計算網(wǎng)格結(jié)果見圖3。

圖3 三維計算網(wǎng)格

2.2 邊界條件

邊界條件的設(shè)置見圖4。入口處設(shè)置為壓力入口，設(shè)定固定的噴射壓力，出口為壓力出口。為了更好地描述和比較在空化和非空化條件下的噴嘴，根據(jù)實際發(fā)動機運行條件，選擇3個有代表性的噴射壓力：低噴射壓力(30MPa)，中等噴射壓力(80MPa)和高噴射壓力(160MPa)。出口壓力是根據(jù)模擬結(jié)果來設(shè)定的，在臨界空化狀態(tài)時出口壓力值設(shè)置得比較密集，以便于更準(zhǔn)確地估計臨界空化時的出口壓力值。經(jīng)過模擬得到了試驗過程中所設(shè)定的出口壓力值(見表1)。

圖4 邊界條件

進口壓力/MPa噴嘴類型出口壓力/MPa30mini?sac0，1，2，3，4，5，6，7，8，9，10，11，13，15，20VCO0，1，2，3，4，5，6，7，8，9，10，11，13，15，2080mini?sac1，3，4，5，6，7，8，9，10，13，15，18，20，21，22，23，24，25，26，27，28，29，30，31，32，33，35，40，50VCO1，3，4，5，6，7，8，9，10，13，15，18，20，21，22，23，24，25，26，27，28，29，30，31，32，33，35，40，50160mini?sac1，3，5，7，9，13，15，20，25，30，33，35，38，40，42，45，46，47，48，49，50，53，55，57，60，63，65，70，80VCO1，3，5，7，9，13，15，20，25，30，35，40，43，45，47，50，53，55，60，70，80

3 模擬計算結(jié)果與分析

表1的參數(shù)設(shè)定主要為達到兩個目標(biāo)：一方面，可以比較在大范圍雷諾數(shù)(6 000～24 000)中流動的空化狀態(tài)；另一方面，捕捉在固定噴射壓力條件下的臨界空化狀態(tài)。

3.1 總流量與壓力差關(guān)系的對比分析

圖5示出了mini-sac和VCO兩種噴油器5個孔的總流量與進出口壓力差之間的關(guān)系。由圖5可知，在任何相同的進出口壓力下，mini-sac型的質(zhì)量流量都比VCO型的大,這是由于mini-sac型噴油嘴在其噴孔進口上端處錐面存在一個偏轉(zhuǎn)，從而減小了壁面對流動的阻礙。這兩種噴油嘴的質(zhì)量流量和壓降的關(guān)系趨勢在總體上是一致的。在進口壓力不變的情況下，隨著進出口壓力差的不斷增大，噴油器的質(zhì)量流量也不斷增大，且呈現(xiàn)線性增加趨勢。當(dāng)進出口壓力差增大到一定值時，繼續(xù)增大進出口壓力其質(zhì)量流量不再變化，此時的出口壓力值被稱為臨界空化壓力值。在文獻[7-10]的空化試驗中描述了這種現(xiàn)象。產(chǎn)生這種現(xiàn)象的主要原因是內(nèi)部流動產(chǎn)生了空化，空化主要是通過噴嘴入口和出口的壓力差來控制的。這種現(xiàn)象的捕獲是通過對恒定的入口噴射壓力和寬范圍的出口背壓進行數(shù)值模擬。由于在噴油管處的面積突然減少，局部壓力低于蒸氣壓力，導(dǎo)致氣穴的出現(xiàn)。此時燃料噴嘴內(nèi)開始出現(xiàn)兩相流動，稱為空化初生(見圖6)。隨著壓差的增加，氣穴將不斷地向噴油出口方向延伸。在空穴接近出口時燃料質(zhì)量流量的增加速度減慢。一旦氣穴到達噴嘴出口，就形成了超空化現(xiàn)象(見圖5)。此時在噴油嘴出口處出現(xiàn)完全兩相流動的情況，燃料的質(zhì)量流率不隨壓降變化，這種現(xiàn)象被稱為“堵塞”。整個過程對燃料霧化過程有重要影響。

圖5 噴油嘴出口總流量與壓力差關(guān)系曲線

3.2 各孔流動特性對比分析

為了分析非對稱結(jié)構(gòu)每個噴油孔的瞬態(tài)流動特性的差異，圖7示出了每個噴油管在進口壓力分別為30MPa，80MPa，160MPa時，在不同背壓時質(zhì)量流量與壓力差開方值的關(guān)系。

圖7 各孔質(zhì)量流量與壓力差開方的關(guān)系曲線

由圖7可知，在相同的進出口壓力下，mini-sac型噴油器的各孔的噴油率都比VCO型的高，只是每個噴油孔所達到完全空化時所對應(yīng)的壓力差不一樣。根據(jù)質(zhì)量流量的變化趨勢和數(shù)值模擬顯示的兩相的體積分?jǐn)?shù)云圖可以近似得到在最大針程下的臨界完全空化狀態(tài)時的出口壓力值(見表2)。

表2 臨界完全空化出口壓力值

由表2可知，在進口壓力為30MPa和80MPa時，mini-sac型噴油器各孔的臨界完全空化出口壓力值都大于VCO型，其臨界完全空化壓力值由大到小依次為孔1、孔5、孔2、孔3、孔4;在進口壓力為160MPa時，mini-sac型噴油器各孔的臨界完全空化壓力值與VCO型噴油器的相同。這說明在低等和中等的進口噴射壓力下，VCO型噴油孔比mini-sac型噴油孔更容易產(chǎn)生空化。由圖7可以看出，在中等進口壓力的條件下，VCO型噴油器比mini-sac型的空化程度更強，尤其體現(xiàn)在孔3和孔4。這是因為mini-sac型噴油嘴有個較小的壓力室，燃油進入壓力室后有一個緩沖的效果，從而降低了壓力室內(nèi)部燃油和噴孔內(nèi)部燃油的壓力差；VCO型噴油器沒有壓力室，燃油直接從密封錐面流入噴油孔，這使得燃油的流動方向發(fā)生了較大的偏轉(zhuǎn)，從而在噴油孔處形成了較大的壓力差，燃油壓力更容易在飽和蒸氣壓之下，更容易產(chǎn)生空化。而在高的進口壓力下，絕對壓力太大而使mini-sac型噴油器壓力室的緩沖效果不明顯，從而mini-sac型和VCO型噴油器的臨界空化出口壓力基本相同。

通過對比圖7可以發(fā)現(xiàn)，mini-sac型噴油器和VCO型噴油器中各孔的質(zhì)量流量大小順序相同，依次為孔4、孔3、孔2、孔5、孔1。這與各孔的臨界完全空化壓力值次序恰好相反。根據(jù)該研究最初建立的物理模型可知，mini-sac型噴油器和VCO型噴油器各孔軸線與針閥軸線夾角(稱為軸向夾角)是不同的，由大到小分別為孔1、孔5、孔2、孔3、孔4。由此可知，角度越大質(zhì)量流量越小，其臨界空化出口壓力值越大。這是因為軸向夾角越小，燃油流動發(fā)生的偏轉(zhuǎn)越小，從而使得壁面對燃油的阻礙較小，所以軸向角越小質(zhì)量流量越大。然而燃油偏轉(zhuǎn)越小則密封錐面與噴孔內(nèi)部的燃油壓力差越低，從而產(chǎn)生空化也就越難。

通過對比圖8可以發(fā)現(xiàn)，mini-sac型噴油器孔3和孔4的空化發(fā)生在噴孔進口處的上端和下端，其余的基本上都發(fā)生在噴孔上端。這是因為mini-sac型噴油器孔3和孔4的軸向夾角較小，在其壓力室產(chǎn)生的回流和噴孔入口下端燃油的壓力差變大，使噴孔下端局部壓力低于飽和蒸氣壓力，從而產(chǎn)生了下端的空化。

圖8 產(chǎn)生空化時氣相體積分?jǐn)?shù)云圖

4 結(jié)論

a) 在相同進出口壓力下，mini-sac型噴油器對應(yīng)各孔的流量均比VCO型的大；在較低和中等進口壓力下VCO型噴油器各孔比mini-sac型更容易產(chǎn)生空化，而在較高的進口壓力下這兩種類型噴油器各孔產(chǎn)生空化難易程度基本一致；

b) 在一定的進出口壓力下，對于mini-sac型和VCO型噴油器來說，各孔流量大小順序相同，產(chǎn)生空化的容易程度順序也相同，這說明隨著各孔軸向夾角的增大，其流量越小，空化越容易；

c) 當(dāng)進口壓力不變時，隨著出口壓力的降低，在無空化產(chǎn)生時其質(zhì)量流量與壓力差呈線性關(guān)系；當(dāng)空化出現(xiàn)時其質(zhì)量流量繼續(xù)增加，當(dāng)出現(xiàn)超空化現(xiàn)象時該孔的質(zhì)量流量不再變化；

d) 對于這兩種噴油器來說，只有mini-sac型孔3和孔4的空化出現(xiàn)在噴孔的上端和下端，其余孔的空化都只產(chǎn)生在上端。

[1] 何志霞，柏金，王謙,等．柴油機噴嘴內(nèi)空穴流動可視化試驗與數(shù)值模擬[J]．農(nóng)業(yè)機械學(xué)報，2011，42(11)：6-9．

[2] 鐘汶君，何志霞，王謙，等．柴油機噴嘴內(nèi)部流動可視化試驗[J]．內(nèi)燃機學(xué)報，2013，31(5)：431-435．

[3] 仇滔，馮祥，雷艷,等．出口壓力對柴油噴油器流量特性影響的試驗研究[J]．兵工學(xué)報，2013，36(5)：777-780．

[4]QiuT，SongX，LeiY，etal．Effectofbackpressureonnozzleinnerflowinfuelinjector[J]．Fuel，2016，17(3)：79-89．

[5] 邵壯，何志霞，鐘汶君，等. 柴油機噴嘴內(nèi)部空穴臨界初生現(xiàn)象的試驗研究[J].內(nèi)燃機工程,2016,37(4):161-165.

[6] 丁紅元，劉芬，黃榮華，等.直噴汽油機多孔噴油器噴嘴內(nèi)部流動數(shù)值模擬[J].農(nóng)業(yè)機械學(xué)報，2013,44(3)：6-11.

[7] 仇滔，徐慧，雷艷,等.柴油機噴孔內(nèi)空化過程及影響參數(shù)的試驗研究[J].兵工學(xué)報，2016,37(11)：2114-2119.

[8]SalvadorFJ,Martínez-LópezJ,CaballerM,etal.StudyoftheinfluenceoftheneedleliftontheinternalflowandcavitationphenomenonindieselinjectornozzlesbyCFDusingRANSmethods[J].EnergyConversManage, 2013,66(3):246-256.

[9]PayriF,BermúdezV,PayriR,etal.Theinfluenceofcavitationontheinternalflowandthespraycharacteristicsindieselinjectionnozzles[J].Fuel,2004,83(4/5):419-431.

[10] Payri F,Payri R,Salvador F J,et al.A contribution to theunderstanding of cavitation effects in diesel injector nozzles through a combined experimental and computational investigation [J].Computers and Fluids,2012,58(58):88-101.

[編輯： 姜曉博]

Numerical Investigation on Cavitation Flow Characteristics Inside Diesel Asymmetric Injection Nozzle

SU Hangyu, HAN Zhennan， LIU Qiuzu

(Taiyuan University of Science and Technology, Taiyuan 030024, China)

The nozzle flow and cavitation of diesel engine nozzle directly affected the fuel injection and atomization, which affected the performance and emissions of diesel engine. Taking two asymmetric nozzles of mini-sac and VCO as examples, the influences of entrance pressure and back pressure on mass flow rate were researched through the simulation of cavitation and flow with Fluent software. The results show that the flow of each orifice for mini-sac nozzle is larger than that for VCO nozzle. VCO nozzle is easier to produce cavitation at low and medium pressure，but the probability to generate cavitation for both types of nozzles is nearly the same at high pressure. The mass flow is linear to pressure difference with the decrease of outlet pressure at constant inlet pressure when the cavitation doesnot occur, increases continually when the cavitation happens and keeps unchanged when the super cavitation happens. In addition, the mass flow becomes small and the cavitation becomes sensitive with the increase of axial included angle. For the two types of nozzles, the cavitation of orifice happens mainly at upper part except that that the cavitation of third and fourth orifice for mini-sac nozzle happens at upper and lower part.

diesel engine; injection nozzle; cavitation; numerical simulation

2017-04-18；

2017-07-20

蘇航宇(1993—)，男，碩士，主要研究方向為柴油機燃油噴射系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計；2280310396@qq.com。

韓振南(1958—)，男，教授，主要研究方向為車輛傳動故障診斷分析、車輛振動與噪聲控制；zhennan_han@hotmail．com。

10.3969/j.issn.1001-2222.2017.04.010

TK423.84

B

1001-2222(2017)04-0048-05