組噴孔噴油嘴幾何參數(shù)對噴霧特性的影響研究*

潘劍鋒姚嘉琪黃　俊劉啟勝（-江蘇大學能源與動力工程學院　江蘇　鎮(zhèn)江　03 -中國第一汽車集團公司無錫油泵油嘴研究所）

組噴孔噴油嘴幾何參數(shù)對噴霧特性的影響研究*

潘劍鋒1姚嘉琪1黃俊2劉啟勝1
（1-江蘇大學能源與動力工程學院江蘇鎮(zhèn)江212013 2-中國第一汽車集團公司無錫油泵油嘴研究所）

摘要：針對組噴孔噴油嘴，建立了用于模擬計算噴霧特性的KH-RT修正模型，并改變噴嘴長徑比（L/D）和噴孔入口倒角與噴嘴直徑的比值（R/D）進行計算，得到了噴霧索特直徑（SMD）、貫穿距離、蒸發(fā)質(zhì)量和霧滴最大速度等表征噴霧特性的數(shù)據(jù)，并分析了相應的影響規(guī)律。結果表明，隨著R/D值的增加，SMD增大，燃油蒸發(fā)量減少，貫穿距離減小，液滴最大速度減小。R/D=0.14是空穴發(fā)生與否的臨界點。L/D值的增大，對噴霧特性的影響較小，噴霧特性趨勢保持一致。

關鍵詞：內(nèi)燃機噴霧數(shù)值模擬組噴孔幾何特征

引言

噴嘴的幾何特征決定著噴嘴內(nèi)部空化的發(fā)生，從而很大程度上影響著柴油機的排放性能和動力性能[1，2]。組噴孔噴油器相對于傳統(tǒng)的噴油器，噴孔直徑較小，兩孔相互平行或形成一定角度噴霧，在保證了噴霧貫穿距離情況下，實現(xiàn)碰撞噴霧，能夠有效改善燃油霧化及蒸發(fā)性能[3]。這些年，關于噴嘴內(nèi)部流動和噴嘴幾何形狀之間關系問題越來越成為噴霧研究方面的熱點[4]。Gao和Nishida等[5]對組噴孔進行了包括噴霧特性和碰壁特性等系列實驗研究，但是從數(shù)值模擬角度研究組噴孔噴嘴幾何形狀對霧化特性的研究還相對較少。筆者借助AVL-Fire軟件，對噴霧碰撞模型進行修正，對組噴孔霧化特性進行研究，分析R/D和L/D對噴霧特性的影響。

1　模型的建立及驗證

1.1實驗參數(shù)

所采用的組噴孔噴油器的結構主要參考文獻[6]，該組噴孔噴油器主要參數(shù)見表1。組噴孔相互平行，噴孔間距為0.260mm，其噴孔分布如圖1所示。

表1 實驗參數(shù)

圖1　噴孔分布示意圖

1.2模型建立

基于離散液滴模型[7]（DDM），綜合考慮初次霧化和二次霧化兩個階段。認為噴孔出口處的湍流是導致射流表面波動的主要原因，這種波動在氣動力的作用下會增強，增強到一定程度時導致子液滴的生成。計算時考慮初次破碎和二次破碎，采用KH-RT模型[8]，并考慮破碎霧滴之間的相互作用。采用Schmidt提出的NO-Time-Counter（NTC）碰撞模型，采用獨立碰撞網(wǎng)格。設每個液滴的中心為計算中心，每個液滴的影響半徑為d1或d2。當兩液滴之間的距離小于拉格朗日碰撞網(wǎng)格半徑時考慮其碰撞發(fā)生的可能性，其可能性概率為v。

式中：N2是液滴在區(qū)域2中的數(shù)目，Vcell是液滴1和液滴2共有區(qū)域計算的網(wǎng)格體積，u1和u2是兩液滴的速度。

為了增加噴霧粒子之間的碰撞作用，減小兩油滴發(fā)生碰撞的距離，考慮碰撞聚合、拉伸分離與破碎比例。

定容彈的初始壓力設為0.1MPa，選用n-Heptane（C7H16）作為燃料，密度為664 kg/m3。噴孔長度和噴孔直徑比值（L/D）控制為恒定數(shù)5.1，噴嘴入口邊緣的倒圓半徑與噴孔直徑的比值（R/D）變量從0到0.14（表1）。邊界值的計算是外推法，用最小二乘法擬合推導計算，湍流方程選用K-ε模型。燃料的噴射時間是3ms，時間步長為10-5s。

1.3網(wǎng)格獨立性分析

利用AVL-Fire軟件劃分定容彈網(wǎng)格，定容彈幾何模型直徑為10 cm，長度為20 cm，網(wǎng)格劃分見圖2。為分析網(wǎng)格的獨立性，分別劃分數(shù)量為7.2萬、9.2萬和12.8萬的網(wǎng)格進行計算，分析計算得到的貫穿距離。在不同數(shù)量的網(wǎng)格下，噴射貫穿距離都很接近，因此可以認為網(wǎng)格獨立，如圖3所示。但考慮到計算成本和計算精度，選用9.2萬數(shù)目的網(wǎng)格進行模擬計算分析。

圖2　定容彈網(wǎng)格劃分

1.4模型的驗證

根據(jù)參考文獻中的實驗結果，驗證本文所建立模型的正確性。圖4是貫穿距離的實驗與模擬結果對比圖。圖5是噴霧發(fā)展形態(tài)的對比圖，其中a）是實驗結果，b）是模擬結果。

圖3　網(wǎng)格無關性檢驗

由圖4和圖5可以看出，對比分析模擬與實驗得到的貫穿距離基本吻合，對應時刻的噴霧形態(tài)也基本相似，說明該計算模型與實驗情況基本相符，能夠準確地反映噴霧基本特性。

圖4　貫穿距離的實驗與模擬結果對比

圖5　噴霧形態(tài)的實驗與模擬結果對比

2　結果分析和討論

2.1索特平均直徑（SMD）

圖6a）給出了平行組噴孔L/D=5.1時，R/D值從0增加到0.16對噴霧SMD的影響規(guī)律。從圖中可以看出噴霧液滴在離開噴嘴出口后二次分裂霧化，液滴尺寸逐漸減小，數(shù)目不斷增加。隨著R/D值的增加，空化現(xiàn)象越弱，空化氣泡減少，SMD增大，霧化質(zhì)量變差。在R/D=0.14后SMD不再改變，并且圖a）中R/D=0.14和R/D=0.16的SMD曲線完全重合，表明此時空化已經(jīng)結束。

圖6b）給出了平行組噴孔和等截面單噴孔在不同L/D值下SMD隨R/D的影響規(guī)律。可以看出隨著L/D的增加，單噴孔和組噴孔的SMD值均未發(fā)生明顯變化。Park[9]實驗中采用博世長管法測量了組噴孔和等截面單噴孔的噴油規(guī)律，其結果表明在相同的噴射條件下，兩者規(guī)律相似，因此文中仿真結果獲得了與實驗一致的規(guī)律。圖中也可以看出組噴孔在不同R/D時的平均油滴直徑均小于相對應單噴孔的平均油滴直徑，從而有利于噴霧蒸發(fā)燃燒。

2.2貫穿距離

根據(jù)Hiroyasu和Arai[7]所述，整個噴射可以分為2個階段。第一個階段是從噴射開始（t=0）到破碎時刻。在這個階段，貫穿距離隨著時間線性增長。到tbreak=0.76ms后，由于新的氣泡產(chǎn)生，貫穿距離增加，能量和氣泡速度降低。

式中：ΔP是噴射壓力與定容彈內(nèi)壓力之差，ρs是定容彈內(nèi)氣體密度，ρl是噴射燃料密度，D是噴孔直徑。

圖6a） 不同R/D值下SMD隨時間的變化規(guī)律（L/R=5.1）

圖6b） R/D值對SMD的影響

圖7a）給出了R/D對組噴孔噴霧貫穿距離的影響規(guī)律。在R/D=0時，噴霧貫穿距離最大，此時的空化現(xiàn)象最為明顯。通過增加R/D比值，空化的影響減弱，射流交互作用減小，隨之貫穿距離也減少。當R/ D=0.14時，空化現(xiàn)象消失，貫穿距離達到最小，且不再發(fā)生變化。

圖7b）給出了組噴孔和等截面單噴孔在不同L/ D值下噴霧貫穿距離隨R/D的影響規(guī)律。從圖中可以看出組噴孔能夠較好地保持軸向貫穿距，貫穿距離略大于單噴孔。L/D的變化對單噴孔和組噴孔的影響較為一致，長徑比的改變使得空穴發(fā)生的位置發(fā)生改變，影響噴射速度，從而影響貫穿距離的大小，但影響不大，趨勢基本維持一致。

2.3液滴最大速度

圖8a）顯示了噴孔出口瞬態(tài)最大燃油速度的變化規(guī)律：第一階段，隨著針閥上升，直到針閥達到最大升程處，噴孔中發(fā)生了空化，噴嘴里包含有氣相，因此噴孔出口處燃油有效流通面積減少，導致對應的噴孔出口速度增加。第二階段時，針閥保持最大升程不變，因此噴孔出口速度先減小后趨于穩(wěn)定。而且可以看出空化存在時的噴口速度大于空化不存在時的噴口出口速度。

圖7a） 不同R/D值下貫穿距離隨時間的變化規(guī)律（L/R=5.1）

圖7b） R/D值對貫穿距離的影響

圖8b）給出了組噴孔和等截面單噴孔在不同L/ D值下噴霧液滴最大速度隨R/D的影響規(guī)律。從圖中可以看出組噴孔的液滴最大速度大于單噴孔液滴的最大速度，隨著L/R的增大，組噴孔和單噴孔的霧滴最大速度增長趨勢接近。

2.4噴霧蒸發(fā)質(zhì)量

圖9a）給出了R/D對組噴孔噴霧蒸發(fā)質(zhì)量的影響規(guī)律。從圖中可以看出在噴射開始時，由于SMD較大，蒸發(fā)量很小，約等于零。隨著空化氣泡持續(xù)破碎，SMD減小，蒸發(fā)量增加，使得燃油和空氣能夠更好地混合。燃料蒸汽氣泡的存在導致更多的空氣進入噴霧。空化效應間接地改變了燃油蒸發(fā)量。但是隨著R/D的增大，SMD增大，霧滴與周圍環(huán)境接觸的表面積增加，溫度降低，燃油蒸發(fā)量減少。當R/D= 0.14和R/D=0.16時候，由于空化已經(jīng)結束，因此噴霧蒸發(fā)質(zhì)量曲線完全重合。

圖8a） 不同R/D值下液滴最大速度隨時間的變化規(guī)律（L/R=5.1）

圖8b） R/D值對噴霧液滴最大速度的影響

圖9b）給出了組噴孔和等截面單噴孔在tbreak時刻的噴霧蒸發(fā)質(zhì)量隨R/D的影響規(guī)律。從圖中可以看出，此時組噴孔的噴霧蒸發(fā)質(zhì)量略大于單噴孔的噴霧蒸發(fā)質(zhì)量，尤其是當未發(fā)生空化時，組噴孔的噴霧蒸發(fā)效果更加突出。因為組噴孔的徑向貫穿度要略大于單噴孔噴霧，使得噴霧能夠更多地接觸空氣，促進噴霧液滴的蒸發(fā)過程。但是，蒸發(fā)質(zhì)量未受到L/ D值變化的影響，基本保持不變。

圖9 a） 不同R/D 值下蒸發(fā)質(zhì)量隨時間的變化規(guī)律　　（L/R=5.1）

圖9b） R/D值對噴霧蒸發(fā)質(zhì)量的影響

3　結論

1）綜合考慮初次霧化和二次霧化兩個階段，建立了用于模擬計算噴霧特性的KH-RT修正模型，并根據(jù)試驗結果驗證模型正確性。

2）隨著R/D值的增加，SMD增大，燃油蒸發(fā)量減少，貫穿距離減小，液滴最大速度減小。R/D=0.14是空穴發(fā)生與否的臨界點。

3）L/D對組噴孔的噴霧特性影響較小，噴霧特性趨勢保持不變。

4）組噴孔的噴霧特性與單噴孔的噴霧特性規(guī)律相似，但當噴嘴未發(fā)生空化時，組噴孔噴嘴的噴霧特性明顯優(yōu)于單噴孔的噴霧特性。

參考文獻

1J.M.Desantes，R.Payri，F(xiàn).J.Salvador，et al Measurements of spraymomentum for the study of cavitation in diesel injection nozzles[C].SAEPaper 2003-01-0703

2Payri R.，Salvador F.J.，Gimeno J.，etal.Diesel nozzle geometry influence on spray liquid-phase fuel penetration in evaporation conditions.，F(xiàn)uel，,2008，87：1165~1176

3成傳松，李云清，王艷華，等.組噴孔噴霧霧化特性研究[J].農(nóng)業(yè)機械學報，2011，42（7）：21-25

4Hyun Kyu Suh，Chang Sik Lee.Effectsof cavitation in nozzle orifice on the diesel fuel atomization characteristics[J]. International JournalofHeatand Fluid Flow，2008，29（4）：1001~1009

5Jian Gao，Seoksu Moon，Yuyin Zhang.Flame structure of wall-impinging diesel fuel sprays injected by group-hole nozzles[J].Combustion and Flame，2009，156（6）：1263~ 1277

6Sanghoon Lee，Sungwook Park.Spray atomization characteristics of a GDI injector equipped with a group-hole nozzle[J].Fuel，2004，137（1）：50~59

7解茂昭.內(nèi)燃機計算燃燒學第二版[M].大連：大連理工大學出版社，2005

8Sung Wook Park，Rolf D.Reitz.Optim ization of fuel/air mixture formation for stoichiometric diesel combustion using a 2-spray-angle group-hole nozzle[J].Fuel，2009，88（5）：843~852

9Park SW，Reitz R D.A gas jetsuperpositionmodel for CFD modeling of group-hole nozzle sprays[J].International Journalof Heatand Fluid Flow，2009，30（6）：1193~1201

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研創(chuàng)新計劃項目（CXZZ13-0671）。

中圖分類號：TK421+.42

文獻標識碼：A

文章編號：2095-8234（2015）02-0007-04

收稿日期：（2015-02-05）

基金項目：江蘇省六大人才高峰第八批資助項目（裝備制造201127）、江蘇省高校優(yōu)勢學科建設工程資助項目、江蘇省普通高校研究生科

作者簡介：潘劍峰（1978-），男，教授、博士生導師，主要研究方向為動力機械燃燒過程和燃燒系統(tǒng)研究。

Influencesof Group-Hole Nozzle Geometry on Spray Characteristics

Pan Jian feng1,Yao Jiaqi1,Huang Jun2,Liu Qisheng1
1-SchoolofEnergy and Power Engineering,Jiangsu University(Zhenjiang,Jiangsu,212013,China)
2-Wuxi Fuel Injection EquipmentResearch Instituteof FAW

Abstract：The CFD calculationsused the AVL-Fire codewith an updated KH-RTbreakupmodel.Using the validated calculationmodels，effects of R/D（Curvature Radius of the Inlet Orifice/Orifice Diameter）and L/D（Orifice Length/Orifice Diameter）on spray characteristics like SMD（Sautermean diameter），penetration length,evaporationmass and spray velocity，were studied numerically.To study its effects on the spray characteristics，differentvaluesof R/D and L/D were selected,spray characteristics areobtained. The increased R/D can increase SMD，reduce the spray penetration,cutevaporationmassand slow droplets velocity.When the value of R/D is 0.14，the spray characteristics reach a constant state due to cavitation elimination.The changeof L/D has little effecton the spray characteristics.

Keywords：ICengine，Spray，Numericalsimulation，Group-holenozzle，Nozzlegeometry