柴油機高壓噴油嘴噴射過程空化效應數值模擬

摘要：為揭示柴油機高壓噴油嘴噴射過程空化機理，根據質量守恒、動量守恒、混合組分平衡的基本規律建立了高壓噴油嘴噴射過程空化效應數學模型，并對高壓噴油嘴噴射過程空化效應進行了數值模擬分析，得出了曲率半徑、壓力波動幅度及柴油的部分物理參數對高壓噴油嘴噴射過程空化效應的影響規律：隨著噴油嘴入口處的曲率半徑增大，噴孔內氣相體積分數越來越小，空穴層的厚度也越來越薄，高壓噴油嘴霧化性能變差；隨著壓力波動幅度的減少，噴油嘴出口質量流量變化越來越小，有利于噴油嘴噴油量的精確控制；燃油溫度、噴油壓力的提高使得噴油嘴內部空化現象得到加強，但是壓力的增大更有利于空穴增強，從而有利于燃油霧化.

關鍵詞：噴油嘴；空穴流動；壓力波動；數值模擬

中圖分類號：TK402文獻標識碼：A

隨著嚴格排放法規的制定及人們環保意識的增強，擁有良好排放性能的柴油機高壓燃油噴射系統越來越引起關注.實驗研究表明＼[1-3＼]，柴油機高壓噴射過程中噴油嘴內部的空化過程對燃料在氣缸內霧化及燃燒起著非常重要的作用.一方面由于噴孔內部流動的不規則及極度紊亂，油束在噴孔出口處已經分裂為細小的油滴，在離開噴嘴時，霧束表面已經形成了初始擾動源，即所謂的初次霧化，使得油滴和氣體的混合更加均勻，使噴霧錐角增加，取得良好的霧化特性；另一方面，隨著噴油壓力的提高，空穴造成流體流動紊亂，引起能量損失，使得噴油嘴流量系數降低，影響噴油器工作可靠性，甚至使噴油嘴堵塞，造成柴油機工作故障和性能惡化＼[4-5＼].因此，全面深入地研究探討噴油嘴內部的空化機理顯得非常重要.

對于柴油機高壓噴油嘴而言，其幾何尺寸非常小，工作壓力高，通過噴孔的流速可達到幾百米每秒的數量級，在可視化技術手段不成熟的條件下，很難通過實驗的方法獲得噴油嘴內部詳細流場參數，數值模擬便成為研究的重要手段＼[6＼].本文采用擬流體模型模擬對稱垂直四孔柴油機噴油嘴內部的空化流動過程，并研究曲率半徑、噴油嘴壓力波動等因素影響噴油嘴空化流動過程和噴油嘴出口截面流量的規律.

1空化效應數學模型

高壓噴油嘴噴射過程柴油氣泡兩相湍流動相當復雜，為此，提出以下假設：①柴油氣泡兩相湍流流動為稀疏懸浮體兩相流動；②高壓噴油嘴噴射過程為物理過程，不考慮化學過程；③高壓噴油嘴噴射過程溫度恒定，無需求解能量方程.

3 結論

1）高壓噴油嘴噴射過程空化效應數值模擬結果和實驗結果表明：隨著噴油嘴入口處的曲率半徑增大，噴孔內氣相體積分數越來越小，空穴層的厚度也越來越薄，高壓噴油嘴霧化性能變差；隨著壓力波動幅度的減少，噴油嘴出口質量流量變化程度越來小，有利于噴油嘴噴油量的精確控制.

2）超空穴流能更好地起到霧化流體的作用，但同時使得噴油嘴內流量系數減小，降低噴油嘴的工作性能，為提高噴油嘴的噴油性能，應綜合考慮噴油嘴初次霧化及出口流量等因素.

3）噴油壓力的提高及燃油溫度的變化使得燃油的物理特性產生變化，燃油溫度、壓力升高使得噴油嘴內部空化現象得到加強，但是壓力的增大更有利于空穴增強從而有利于燃油霧化.

4）柴油機高壓噴油嘴噴射過程空化效應數值模擬研究結果可為柴油機高壓噴油嘴的優化設計提供堅實的理論基礎與技術保障.

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