柴油機噴油器內部空化效應的模擬研究

魏起森，楊鐵皂，杜 青

(1.河南科技大學車輛與動力工程學院，河南洛陽471003;2.天津大學內燃機燃燒學國家重點實驗室，天津300072)

0 前言

近些年來，柴油機噴油器中的燃油噴射壓力越來越高，油嘴內部流場的空化現象越發明顯，鑒于空化過程對噴油器出口處的柴油霧化有重要影響，柴油霧化質量的好壞直接影響混合氣的燃燒與排放特性［1－2］。在環保意識日益增強的今天，研究噴油器內部空化的產生、發展以及潰滅具有非常重要的現實意義。

一般而言，研究柴油機噴油器內部燃油空化有2種方式:試驗研究和數值模擬分析研究。由于噴油器尺寸小，燃油流場的結構復雜，不便于直接觀察空化產生的各個階段和相關參數測量，同時，計算流體動力學軟件(CFD)的快速發展，為研究柴油機噴油器內部的空化現象提供了便利，所以數值模擬分析在研究柴油機噴油器空化方面處于優先地位。目前，噴油器空化的數值模擬研究主要用如下3種方法［3］:(1)均相流法，把氣液兩相混合流看做均勻單一的流體，它不能反映氣液兩相間的相互作用;(2)VOF自由表面法，能很好的模擬氣液相之間的關系，但需要大量的網格計算，費時;(3)歐拉多流體法，分別建立氣液相方程，并通過源相來考慮兩相間的質量、動量耦合作用。與前兩種方法相比，歐拉多流體法既能比較準確的反映實際流場的更多細節，同時它的網格數目又不是太多，計算量比VOF自由表面法小。目前的研究主要針對針閥不運動時的情況，對針閥運動時噴油器內部空化效應的研究較少，本文采用歐拉多流體法來模擬分析針閥動態條件下進口壓力瞬變所對應的空化過程和流動特性。

1 數學模型

1.1 質量、動量守恒方程

噴油器噴孔內存在空化現象，孔內流場由柴油和蒸汽組成，采用歐拉多流體法，認為兩相均為連續相，對每一相分別建立控制方程并求解。

連續性方程:

式中，αk為某相的體積分數;ρk為某相密度;vk為某相速度;Γkl為相間質量傳輸項;k=1表示氣相，k=2表示液相。

動量方程:

式中，τk為黏性剪切應力;Ttk為雷諾應力;g為重力系數;Mlk為相間動量傳輸。以上兩式的氣液兩相的體積分數滿足等式:

噴油器噴孔中的空化流一般假設是等溫的，不考慮能量方程，這主要是因為［4］:(Ⅰ)蒸汽相密度與液相密度差距巨大，由它們的比熱容可知:液相與氣相相互轉化過程消耗的熱量極小，忽略不計;(Ⅱ)噴油器噴孔內氣液兩相流速很高(一般來說可達每秒幾百米)，噴孔又極短，它們在孔內駐留的時間也很少，與噴油器壁面的熱交換可以忽略不計。

1.2 質量、動量守恒方程中的相間傳輸

1.2.1 質量傳輸

實際噴孔內的氣液相間交界面處存在質量與動量的交換，主要表現形式是氣泡的形成與湮滅，質量交換表達如下［5］:

式中，下標1、2分別表示氣相和液相;N為氣泡數密度;CR為經驗系數，一般情況下CR=1;R為氣泡半徑為單位時間內氣泡半徑的變化率。其中，氣泡數密度

N0為初始氣泡數密度，一般取N0=1012;氣泡半徑

氣泡半徑變化率可由Rayleigh-Plesset方程［5］求出，式中，sign為符號函數;K為液相湍動能;ρ為液相密度;△P為壓力差(與空化氣泡成長或22潰滅相關的有效張力);Psat為飽和蒸汽壓;CE為歐拉系數，其值取決于當地的湍流水平。

1.2.2 動量傳輸

噴孔內氣泡在流動過程中受到阻力和湍流擴散力，它們促使氣液相間進行動量交換［5］，表達式如下:

式中，CTD為湍流擴散系數;CD為氣泡在液體中的運動阻力系數，

1.3 湍流方程

噴油器噴孔內柴油以湍流為主，流動狀態時時不同，因此，湍流模型要盡可能建的準確、符合實際，這樣模擬噴孔內柴油流動才更可信。由穩定性和計算精度要求湍流模型采用k-ε雙方程法，分別作用氣相和液相。

湍動能k的輸運方程［5］:

式中，Cμ為方程封閉系數;σk為湍動能的prandtl數;Pk為湍流生成項。

湍流耗散率ε的輸運方程［5］:

式中，Cε、Cε1、Cε2為方程封閉系數。

2 計算模型與數值求解

幾何模型采用對稱的6噴孔SAC型噴油器，噴孔沿噴油器呈軸對稱分布，噴孔入口圓角半徑r=0，噴孔直徑D=0.2 mm，噴孔長度L=0.8 mm，噴孔長徑比L/D=4，噴孔傾角α=72°。針閥升程h=0.01 mm時設為求解的初始時刻，噴油器針閥從開啟到關閉歷時2 ms，針閥最大升程為0.25 mm。其中，上游噴油壓力設定為150 MPa，噴油器出口背壓設置為5 MPa。

為了較少計算時間，在不影響計算準確度的前提下，網格采用部分模型，在空化現象重點區域對網格進行了細化加密，網格單元總數為114 000個。

數值求解由計算流體力學(CFD)軟件AVL-Fire完成，模型進、出口邊界采用壓力邊界條件，兩側面和噴孔的中心截面采用對稱邊界條件，貼近壁面處采用標準的壁面函數處理［6］，有限體積法離散控制方程，二階中心差分和一階迎風差分相混合的方式離散動量方程，混合因子0.5;二階中心差分格式離散連續性方程，對于其他方程使用一階迎風差分格式離散［7］。方程組的求解采用求解壓力耦合方程組的半隱式算法(SIMPLE)［8－9］。

3 計算結果與分析

本文基于實際情況對噴油器針閥高速運動時噴孔內高速流動的柴油空化情況進行了模擬。從模擬結果中可以較直觀的得到針閥上升的各個時刻噴孔內的空化現象，氣泡分布以及氣液兩相流的速度分布等，與試驗相比更能突出孔內兩相流混合流場的細節特征，便于研究者深入的研究。

針閥開啟后噴油器內燃油流動在極短的時間內經歷了單相流、開始空化、部分空化、超空化等流動狀態，如圖1所示。在上游壓力一定的前提下，在針閥剛剛升起的一段時間內，針閥與座圈之間的空間有限，節流效果顯著，柴油的動量損失很大，因此噴油器入口處柴油流速不是很高(約150 m/s)，此時噴油器內部是單一的柴油液體，沒有空泡產生，如圖1a所示。隨著針閥繼續提升，針閥與座圈之間的空間變大，節流現象逐漸變弱，柴油的動量損失減少，流速增大。隨著流速增加，當地液流壓力必定減小，當液流壓力低于飽和蒸汽壓力時，發生空化，如圖1b所示。氣泡首先發生在噴油器入口的“縮脈”處［10］，當地流速急劇增加，壓力急劇降低，空化氣泡在此形成。針閥在上升到最大升程的過程中，噴油器內的柴油流速越來越高，空化隨著流速的提升沿著噴孔軸向發展形成部分空化，如圖1c所示。此時噴孔出口仍是液體柴油，沒有氣泡。在針閥到達最大升程前，柴油流速繼續升高，空化現象沿著噴孔軸向繼續發展，直到貫穿整個噴油器，形成超空化現象，如圖1d所示，此時噴孔出口已有氣泡，形成氣液兩相流。與單相流相比，超空化流更有利于液體出流截面附近的破碎、對柴油的霧化有很大影響。但是瞬態條件下，針閥往復運動，引起進口壓力急劇波動，對部分空化、超空化有很大影響，具體到出流截面，不同時刻氣液兩相比例各個不同。

圖2顯示噴孔內極短時間內經歷4個階段的速度分布云圖，從圖2中可以看出:速度巨變主要發生在噴孔入口處。由于銳邊入口(r/D=0)液體由壓力室流向噴孔，方向改變很大，流速變化劇烈，在拐角處形成很小的渦流區。渦流區內壓力很低，空化現象首先在此發生。在針閥初升起階段，噴孔內液體整體流速不高，速度梯度不大，隨著針閥的提升，液體流速逐漸加快，但是，噴孔內的速度變化更不均勻，速度梯度更大，特別是空化現象發生后，速度變化的不均勻性進一步加劇，噴孔的有效流動截面積變小，主要是因為噴孔入口處液體的流通面積不同及針閥高速運動的影響。另外，由噴孔出口處截面云圖可知:截面中上部空化區域出流速度較低，中心及下部純液體區流速較高。

圖1 噴孔內及噴孔出口處液相體積分數分布

圖2 噴孔內及噴孔出口處液體速度分布

4 結論

(1)CFD軟件可以方便地模擬試驗中難以觀察到的瞬態情況下噴油器內部的燃油流場分布，對研究噴孔內的燃油空化規律有一定意義，結果還可以作為研究燃油缸內霧化的邊界條件。

(2)針閥升程對噴孔進口燃油速度有重大影響。由于節流效應，針閥升程不大時，進入噴孔的燃油動量損失比較嚴重，速度較低，沒有空化現象發生。針閥提升后，節流效應減小，噴孔中燃油流速升高，出現空化現象。另外，噴孔入口拐角處有一低壓渦流區，空化往往在此發生。

(3)瞬態條件下針閥高速運動對噴孔中的空化現象有重大影響。噴孔進口附近由于針閥往復運動引起的節流現象與進口壓力的波動，導致噴孔中空化效應也隨之變化，出現部分空化發展成超空化現象。

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