柴油機噴油器內部空化流動的數值模擬研究*

蔡 龍 雷基林 宋國富 申立中 畢玉華 賈德文

(1－昆明理工大學云南省內燃機重點實驗室云南昆明650500 2－昆明云內動力股份有限公司)

引言

柴油機憑借其獨特的性能優勢，得到了越來越廣泛的應用。然而，隨著能源問題的日益凸顯與新排放法規的不斷出臺，對柴油機經濟性能和排放性能提出了更高的要求。提高柴油機經濟性能和降低排放的最有效的辦法就是提高油氣混合氣的質量，改善燃燒。研究表明，噴油嘴噴孔內部紊亂的燃油流動對燃油噴束霧化造成的影響，遠遠大于由噴束與周圍空氣產生摩擦所造成的影響［1～3］。通常噴孔直徑為10－1 mm數量級，噴油持續期只有2ms左右，燃油流動速度達到102m/s數量級。因此，直接試驗、觀察噴孔內部流動比較困難。此外，噴孔內部的流動還會引起噴孔局部壓力驟降，甚至出現負壓力現象，這會導致噴孔內部燃油發生局部空化，噴孔內部流動從單相流轉化為氣－液兩相流。基于CFD技術的三維數值模擬方法可以詳細地描繪噴嘴內部流動情況和空化現象，得到常規試驗方法很難獲得的結果。本文利用數值模擬的研究方法，研究了不同針閥升程下，噴油壓力對噴孔內部燃油流動的影響。

1 模型建立

1．1 幾何模型建立

本文主要針對一款SAC(有壓力室)型噴油器進行內部流動CFD分析。噴油器基本幾何參數如下:噴孔數n=6;噴孔直徑 D=0．129mm;噴孔長度 L=1．05mm;針閥體與噴孔軸線之間夾角(即噴孔傾角)α=78°;針閥最大升程為0．28mm。由于各噴孔沿圓周方向均勻分布，考慮到噴嘴的幾何對稱性，計算時只選取1/12模型作為計算模型。利用Siemens UG軟件建立三維實體模型，如圖1所示。

圖1 1/12噴嘴三維實體模型

1．2 計算模型建立

首先，利用AVL－Fire軟件的前處理工具，采用模塊化方法對計算區域進行網格劃分，所有網格均為六面體網格。圖2為局部網格模型，整體計算網格總數約為70萬。針閥開啟時刻為328°CA，關閉時刻為362°CA。針閥升程H隨曲軸轉角的變化規律如圖3所示。

進出口均采用壓力邊界條件，進口壓力Pin=160MPa，出口壓力 Pout=5MPa。柴油液相、氣相物理屬性如表1所示。計算時假設柴油為不可壓縮流體，不考慮柴油流動過程中能量損失和轉化，忽略柴油黏度隨溫度、壓力變化的影響。只考慮氣液兩相之間的動量、質量交換，忽略兩相之間的熱量交換。

圖2 局部網格模型

圖3 針閥升程曲線

表1 液相、氣相柴油物理屬性

2 計算控制方程

2．1 守恒方程

采用歐拉雙流體法分別計算兩相流中氣相及液相的守恒方程［4］，兩相之間的相互作用通過質量和動量交換來描述。

連續性方程為:

動量方程為;

2．2 氣液兩相界面交換方程

隨著氣泡的生成與潰滅，氣液兩相間存在著質量與動量交換［5、6］。

質量交換的基本方程為:

結合(4)、(5)式，將方程(3)線性化，并忽略其中慣性量，則質量交換方程為:

N〞為氣泡數密度，一般由經驗公式(6)推出。

N〞0是初始氣泡數密度，一般取 N〞0=1012，α1表示氣相平均體積分數。CCR為經驗系數，一般情況下取CCR=1;sign為函數符號;△p是導致氣泡生成與潰滅的有效壓力差;ρ1、ρ2分別表示氣相與液相的密度;CE為Egler系數，取決于當地流場的湍流水平，取CE=1．2;K2為液相湍動能;psat表示飽和蒸汽壓。

動量交換方程為:

其中Vr=V1－V2，V1表示氣相的速度，V2表示液相的速度;CTD為湍流擴散系數;C1為氣泡在液體中的運動阻力系數。

2．3 湍流方程

湍動能輸運方程為［7］:

湍流耗散率輸運方程為:

3 計算結果及分析

3．1 針閥上升對噴孔內空化影響的分析

基于以上數值計算模型，首先開展針閥運動對入口無倒角的噴孔內部空化的影響研究。

針閥開啟的過程中，噴孔內部空化的發展如圖4所示。針閥升程為0．10mm時，噴孔入口的頂部開始出現明顯的空化區域，但是此時的空化區域面積較小、空化程度不嚴重;隨著針閥升程升至0．12mm，空化區域逐漸增大，完全空化的區域開始出現;針閥上升至0．16mm時，空化區域迅速擴大，空化前端已發展至噴孔的中段，其中完全空化的區域也明顯增大;針閥上升至0．20mm時，空化區域繼續發展、擴大;針閥升程達到0．24mm時，空化區域的前端呈現尖銳的箭頭狀，并且已經接近噴孔出口，完全空化區域的前端也已經沖過噴孔的中段;針閥升程達到0．28mm，此時針閥完全打開，空化已經發展至噴孔出口處，空化區域面積占整個截面接近一半。

圖4 R=0mm，針閥開啟過程中空化的發展

對計算模型中噴孔入口處形狀進行改進，增加了R=0．015mm和R=0．030mm倒角。計算后發現，增加倒角對噴孔內部的空化有明顯的改善作用。在整個針閥上升過程中，與沒有倒角時相比，此時的空化初生時刻推遲，空化區域面積和空化嚴重程度顯著下降。其中，R=0．015mm倒角的計算模型中，針閥升程為0．12mm時開始出現空化;R=0．030mm倒角的計算模型中，針閥升程為0．16mm時開始出現空化。由此可見，隨著噴孔入口處倒角尺寸的增加，空化初生時刻逐漸推遲。圖5為針閥完全打開時，不同噴孔入口倒角的空化對比。通過與圖4對比可以發現，針閥全開時，有倒角的噴孔空化區域遠小于沒有倒角的噴孔空化區域，且沒有貫穿整個噴孔;倒角R=0．030mm噴孔的空化區域面積要小于倒角R=0．015mm噴孔的空化面積。

圖5 針閥全開時不同入口倒角空化對比

3．2 針閥升程不變時噴孔出口的空化分析

由針閥升程曲線圖3可知，335°CA曲軸轉角至355°CA曲軸轉角期間，針閥升程保持在0．28mm，此時入口無倒角的噴孔內空化還在繼續發展，并且一直貫穿整個噴孔。

針閥升程固定不變時噴孔出口平面的空化分布，如圖6所示。可以看出，335°CA至339°CA的過程中，噴孔出口平面的空化面積逐漸增大，但是并沒有出現完全空化的情況;從341°CA開始，噴孔出口平面的空化面積逐漸減小，但空化程度開始加劇，開始出現完全空化的區域;從343至351°CA，噴孔出口平面上都形成了完全空化的區域，但出口平面的空化面積與空化分布都基本一致，說明此過程中噴孔內部的空化基本達到穩定狀態;353°CA時，空化面積保持不變，空化嚴重程度略有下降，但總體上趨于穩定。

圖6 R=0mm，針閥升程不變時噴孔出口空化

3．3 針閥下降對噴孔空化影響的分析

針閥下降過程中，入口無倒角的噴孔內部的空化發展如圖 7所示。針閥升程由 0．20mm下降到0．04mm的過程中，噴孔內部的空化區域均出現在貼近噴孔上頂面的位置，呈細長狀，都延伸至噴孔出口，面積基本不變，但是空化程度有所改變。針閥升程為0．20mm時，完全空化的區域比較小，并沒有延伸至噴孔出口;隨著針閥升程的下降，完全空化的區域逐漸增加，向噴孔出口處發展;當針閥升程為0．04mm，完全空化的區域已經延伸至噴孔出口;針閥升程下降至0．01mm，噴孔內部已經發生大面積的空化現象，空化面積已經超過整個截面的四分之三，其中完全空化區域已經接近整個截面的二分之一。

圖7 R=0mm，針閥關閉過程中空化的發展

對于入口處有倒角的噴孔，針閥升程從0．28mm下降到0．12mm的過程中，噴孔內部的空化都基本保持不變;針閥升程下降到0．12mm以下時，入口處有倒角的噴孔內部空化才有明顯的發展和變化。

圖8為針閥下降過程中，入口倒角R=0．015mm噴孔的空化發展過程。針閥升程從0．12mm下降到0．06mm的過程中，噴孔內部的空化發展相對緩慢;針閥升程從0．04mm下降到0．01mm的過程中，噴孔內部的空化發展比較迅速;在針閥升程下降至0．01mm時，針閥即將關閉，此時噴孔內部空化急劇發展，并貫穿整個噴孔。

圖9為針閥下降過程中，入口倒角R=0．030mm噴孔的空化發展過程。針閥升程為0．12mm時，空化區域很小;針閥下降至0．04mm時，空化的前端已經沖過噴孔的中段;針閥即將關閉的0．01mm處，噴孔內部空化區域接近整個截面的三分之一，但是并沒有延伸至噴孔出口平面。

圖8 R=0．015mm，針閥關閉過程中空化的發展

圖9 R=0．030mm，針閥關閉過程中空化的發展

對比圖7、圖8與圖9，可以發現，在針閥下降過程中，增加入口處倒角可以緩解噴孔內部的空化;入口處倒角從R=0．015mm增加至R=0．030mm，可以有效降低噴孔內部空化區域和空化程度，并阻止空化向噴孔出口處蔓延。

4 結論

1)采用歐拉雙流體法，應用線性空化模型對噴油器內部流動進行氣、液兩相流的動態模擬研究，得到了試驗中難以觀察的空化發展情況，對研究噴孔內的燃油空化規律有一定指導意義。

2)入口倒角R=0mm，針閥打開的過程中，隨針閥升程的不斷增加，噴孔內部的空化迅速發展，空化區域逐漸增大;針閥升程保持不變時，噴孔內部空化基本穩定，但噴孔出口平面的空化繼續發展，逐漸出現完全空化現象并趨于穩定。針閥開閉的過程中，噴孔內部總的空化區域基本穩定，但是完全空化的區域逐漸增大，在針閥即將關閉之前，完全空化區域貫穿整個噴孔。

3)噴孔入口增加倒角，可以有效抑制空化現象的產生;在針閥關閉過程中，倒角尺寸的增加可以更好地控制噴孔內部空化的發展。

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3 玉木伸茂．噴油嘴噴孔空穴現象對液體噴束霧化的影響［J］．國外內燃機，1998，338(8):23 ～29

4 AVL FIRE CFD － Solver．2008

5 何志霞，李德桃，胡林峰，等．噴油器噴嘴孔內部空穴兩相流動數值模擬分析［J］．內燃機學報，2004，22(5):433～438

6 何志霞，袁建平，李德桃，等．柴油機噴嘴結構優化的數值模擬分析［J］．內燃機學報，2006，24(1):35～41

7 陶文銓．數值傳熱學［M］．西安:西安交通大學出版社，1988