噴射壓力對船用柴油機燃油噴霧特性的影響

晏　飛，杜雨辰，張　建，王黎輝，劉　博，劉辰朋（. 江蘇科技大學 機械工程學院，江蘇　鎮江 000；. 中船動力研究院有限公司，上海 000）

噴射壓力對船用柴油機燃油噴霧特性的影響

晏飛1，杜雨辰1，張建1，王黎輝1，劉博2，劉辰朋2
（1. 江蘇科技大學 機械工程學院，江蘇鎮江 212000；2. 中船動力研究院有限公司，上海 200120）

為了深入研究船用柴油機燃油噴霧特性，本文以某船用孔式噴油器為研究對象，運用液滴破碎模型、大渦湍流模型、液滴碰撞聚合模型對燃油噴霧過程進行數值分析，研究噴射壓力對噴霧特性的影響規律，并與試驗結果對比以驗證數值模擬結果的正確性。結果表明：噴霧貫穿距隨著噴射壓力升高而增大，噴霧初期貫穿距與時間成正比，而噴霧中后期，貫穿距增大的速度逐漸減緩；噴霧錐角隨著噴射壓力的增大而增大，每提升 10 MPa噴射壓力，錐角增大 0.4°；噴霧體積隨噴射壓力的提高而變大，射流邊緣出現的塊狀結構會回到噴霧主體內，而噴霧頭部塊狀結構無法回到噴霧主體內；索特平均直徑隨著噴射壓力的提高而變小，每提升 10 MPa 噴射壓力，索特平均直徑減小約 4%。

噴射壓力；噴霧；液滴破碎模型

0　引　言

隨著科技的高速發展，CFD 技術的日益成熟，各種先進的研究手段越來越多地應用于噴霧特性研究中。近年來，國外普遍采用提高噴射壓力來改善霧化質量［1 - 2］，Mina等［3］發現減小噴孔直徑對減少混合時間影響較大，同時要減小微孔噴油嘴噴油持續時間需要提高噴射壓力。黃豪中［4］等發現提高噴射壓力以及減小噴孔直徑可以增大噴霧前鋒貫穿距離和噴霧錐角，但他們所用工質為汽油柴油混合液，且噴射壓力達到200 MPa，而對于船用柴油機而言，其噴射壓力不到100 MPa。文華［5］研究結果表明計算網格、破碎模型對噴霧數值模擬結果影響較大，二甲醚相對于柴油，霧化效果較好，但是對于噴射壓力對噴霧特性的影響沒有研究。曹建明等［6］采用閃光技術發現降低噴射壓力，可降低噴霧錐角，增大索特平均直徑，而沒有研究噴射壓力對噴霧的空間形態及貫穿距的影響。史紹熙等［7］提高噴射壓力的大小，來改善柴油機的排放和燃燒，而霧化特性則是決定柴油機燃燒和排放，作者并沒有探討噴射壓力對霧化特性的影響。宋文鵬［8］研究發現噴霧初期貫穿距與時間成正比，噴霧后期貫穿距與時間平方根成正比，對于液滴的索特平均直徑以及噴霧空間變化形態并沒有作任何闡述。

近年來，盡管對噴霧特性及空化流動探討較多，但仍有一些不足：1）噴孔直徑偏小，對大功率船用柴油機而言，噴孔直徑普遍較大；2）環境密度較低，近年來大功率船用柴油機普遍采用增壓技術使缸內環境密度達到了 60 kg/m3以上［9］；3）研究內容不夠全面。本文深入研究噴射壓力對貫穿距、噴霧錐角、空間形態、索特平均直徑的影響，為船用柴油機缸內噴霧優化設計提供理論依據。

1　數學模型

本研究所用湍流模型為 CFD 軟件中高級湍流模擬手段—大渦模擬［10］，該模擬只對大渦進行求解，而小渦通過附加的方程來計算，相對于 RANS 和 DNS，效率更高且更加精確。所用液滴碰撞聚合模型為O'Rourke［11］提出的統計模型。運用 WAVE 模型求解燃油分裂霧化，該模型基于“Blob”模型，即油滴初始直徑等于噴口的直徑，該模型可以精確的估算噴霧錐角和貫穿距。

Reitz 和 Bracco 等［12 - 13］考慮從一圓柱噴口射入定常不可壓氣體中的一股圓柱形射流，采用一階線性穩定性理論來研究液柱表面對外來擾動的穩定性。他認為液柱表面的破碎是氣液相的相對速度所引起的。Kelvin-Helmholtz 不穩定表面波的增長決定破碎時間及破碎后液滴的尺寸，對于一個給定的流動工況，不穩定表面波最大增長率 Ω，及相應的波長 Λ 的表達式如下：

破碎時的液滴半徑 r 與快速增長表面波的波長 Λ關系如下：

式中B0為模型常數，Reitz 根據經驗值取為 0.61。

Reitz 和 Diwaker［14］在此理論基礎提出了“Blob”模型，該模型假定燃油離開噴口后呈較大的離散的液體團塊。從亞網格尺度觀點來看，這些團塊與連續的未擾液核等價。隨著團塊分裂的進行，需要從母滴的質量中減去子滴的質量，于是團塊或母滴的半徑按照式（1）～式（4）規律變化。

其中破碎時間 τ 為：

式中Λ 和 Ω 由式（1）和式（2）計算得到，破裂時間常數 B1與初始射流的湍度相關聯，本研究計算得到 B1為 5。

2　計算條件

燃油噴霧計算區域設計為 150 mm × 150 mm × 200 mm 的長方體，物理模型網格如圖 3 所示，噴嘴位于頂面中心（圖 3 A 點處），噴射方向垂直頂面向下，網格總數為 450 萬。本文所用柴油技術參數如表 1所示，環境背壓 Pb= 8 MPa，噴孔直徑 D = 0.85 mm，噴孔長度 L = 3.18 mm，環境溫度 T = 300 k。噴油持續時間 t = 3.5 ms，噴射壓力 P 分別為 60，70，80，90，100 MPa。

圖 1　物理模型網格Fig. 1　The grid of physical model

表 1　柴油技術參數Tab. 1　Diesel technical data

3　結果與分析

3.1噴射壓力對貫穿距的影響

圖 2 為不同噴射壓力條件下噴霧貫穿距隨噴霧時間的變化情況。由圖可知：當噴射壓力提高后，貫穿距隨之增大，與孫田等［15］研究結果一致。這是因為噴油壓力越高，其燃油動能越大，柴油具有更大的動能在燃燒室內分裂霧化。同時隨著時間的增長，速度增長逐漸減緩。這是因為燃油與空氣介質摩擦，動能逐漸消耗。噴射壓力每增長 10 MPa，其最大貫穿距增長約為 3%～5%。

圖 2　噴射壓力對貫穿距的影響Fig. 2　Influence of injection pressure on the penetration

圖 3 為 0.1～0.4 ms 內噴霧貫穿距隨噴霧時間歷程的變化情況。由圖 3 可知貫穿距與時間成正比，與宋文鵬等［16］研究結果一致。Cavaliere 等［17］提出在近噴嘴處存在一個連續的液柱，此液柱在噴霧初期不與空氣進行動量交換。這是因為噴射時間短、噴注能量大、液柱與空氣卷吸作用較弱，所以在噴霧初期，貫穿距僅由噴射速度決定。

3.2噴射壓力對噴霧錐角的影響

由于噴霧初期，噴霧以液柱形態存在，本文取 0.5 ms之后錐角值。圖 4 為不同噴射壓力條件下噴霧錐角隨噴霧時間的變化情況。由圖可知：隨著噴射壓力的增加，燃油噴霧的錐角也隨之變大，但增加幅度較小，每增加 10 MPa 噴射壓力，噴霧錐角增大 0.4°左右。這是因為隨著噴射壓力的增加，燃油的能量增大，促進了噴霧邊緣卷吸運動，所以其噴霧錐角也隨之變大。

圖 3　噴射壓力對貫穿距的影響（0.1～0.4 ms）Fig. 3　Influence of injection pressure on the penetration （0.1～0.4 ms）

圖 4　噴射壓力對噴霧錐角的影響Fig. 4　Influence of injection pressure on spray cone angle

3.3噴油壓力對噴霧空間形態的影響

圖 5 為不同噴射壓力條件下油束演變過程。由圖 5可知：燃油首先呈一液柱狀噴出，隨后在 K-H 不穩定波作用下產生初擾力，引起油束的分裂，隨后分裂后的油滴在內擾力以及與空氣的卷吸運動作用下，向空間發散，呈“蘑菇”狀。在噴霧初期，射流邊緣會隨機出現較小凸起的結構，且在后續的噴霧湍流及慣性力作用下又回到噴霧主體內。與鄧鵬等［18］研究的噴霧空間形態一致。出現這種結構的原因是噴霧邊緣湍流應力和速度梯度較大。

由圖 5 可知，隨著噴射壓力的提高，燃油擴散的角度也越大，噴霧的體積也越大，噴霧的頭部也出現越大的塊狀結構，但是噴霧頭部塊狀結構無法像射流表面凸起結構一樣回到噴霧主體內。這是因為噴射壓力的增加，促進了大尺度湍流結構的生成，同時卷入的空氣越多，噴霧頭部的大尺度湍渦的能量消耗的越多，大尺度塊狀結構沒有更多能量回到噴霧主體內，使得噴霧頭部形狀的一致性較差。

圖 5　噴油壓力對噴霧空間形態的影響Fig. 5　Influence of injection pressure on the spray form

3.4噴油壓力對索特平均直徑的的影響

圖 6 為數值計算結果與 Hiroyasu［19］總結的經驗公式對比，整體吻合較好，誤差為 0.5%，可以驗證模擬結果的正確性。由圖 6 可知，隨著噴射壓力的提高，索特平均直徑逐漸變小，霧化效果越好。這是因為隨著噴射壓力提高，燃油的動能增加，液滴流動時的內擾力以及與空氣的卷吸作用加強，促進的液滴的破碎和霧化。而且，噴射壓力越大，燃油的燃燒越劇烈，缸內同比具有更高的壓力與溫度，壓力和溫度的提高也會促進燃油液滴破碎和霧化［20］。噴射壓力每提升 10 MPa，索特平均直徑減小約 4%。

圖 6　噴射壓力對索特平均直徑的影響（3.5 ms）Fig. 6　Influence of back pressure on the spray form

4　試驗驗證

為了驗證模擬結果的正確性，本研究參考趙陸明等［21］的試驗結果，其試驗條件如表 2 所示。圖 7 為模擬的油束圖像與趙陸明等［21］高速攝影結果，發現模擬與試驗的油束形態吻合較好。圖 8 為模擬的貫穿距與試驗的貫穿距，誤差為 1%。

表 2　試驗條件Tab. 2　Experimental conditions

圖 7　試驗與模擬的油束圖像對比Fig. 7　The comparison of Spray form between simulation and experiment

圖 8　柴油噴霧貫穿距試驗和模擬結果對比Fig. 8　The comparison of spray penetration between simulation and experiment

5　結　語

本文建立合理的數值模型討論了不同噴射壓力下柴油噴霧特性的變化規律，研究結果如下：

1）提高噴射壓力，噴霧的貫穿距隨之增大。在噴霧初期，液柱不與空氣進行動量交換，貫穿距與時間成正比；在噴霧中后期，貫穿距增長速度逐漸減緩。提高噴射壓力可增大噴霧錐角，但影響較小，每增加10 MPa 噴射壓力，噴霧錐角增大 0.4°左右。

2）噴霧在空間演變過程中首先以液柱狀噴出，隨后向空間發散。噴霧初期，射流邊緣會出現較小凸起的結構，且能在回到噴霧主體內，但是噴霧頭部較大的塊狀結構無法回到噴霧主體內。隨著噴射壓力的提高，噴霧的體積也越大，噴霧的頭部塊狀結構也越大。

3）索特平均直徑隨著噴射壓力提高而變小，霧化質量得到改善。噴射壓力每提升 10 MPa，索特平均直徑減小約 4%。

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Effects of injection pressure on fuel spray in marine diesel engine

YAN Fei1，DU Yu-chen1，ZHANG Jian1，WANG Li-hui1，LIU Bo2，LIU Chen-peng2
（1. Jiangsu University of Science and Technology，College of Mechanical Engineering，Zhenjiang 212000，China；2. China Shipbuilding Power Engineering Institute Co.，Ltd.，Shanghai 200120，China）

Breakup model （WAVE），large eddy turbulence model （LES），droplet collision and coalescence model are used to simulate diesel fuel atomization process. Focus on the change laws of pray penetration distance，spray angle，spray spatial form，sauter mean diameter under different injection pressure，and the accuracy of the numerical simulation is verified by the contrast of experiment. The results show that，with the increase of the injection pressure，spray penetration distance increases，but the rate of increase slow down gradually；The spray cone angle increases with the increase of injection pressure，and every extra 10MPa injection pressure increment will increase the cone angle of 0.4°；The volume of spray head becomes large with the increase of injection pressure，and the irregular block structure appears in the spray head；Sauter mean diameter becomes smaller with the increase of injection pressure，and every extra 10MPa injection pressure reduce sauter mean diameter by about 4%.

injection pressure；spray；droplet breakup model

TK402

A

1672 - 7619（2016）08 - 0067 - 05

10.3404/j.issn.1672 - 7619.2016.08.014

2015 - 12 - 04；

2016 - 02 - 02

晏飛（1980 - ），男，工學博士，講師，研究方向為船用柴油機燃燒性能分析。