基于超高燃油噴射壓力的噴霧特性試驗研究與模型修正

劉　琦，歐陽光耀，楊　昆，孫宇鵬

（1. 海軍工程大學(xué) 動力工程學(xué)院，湖北　武漢 430033；2. 海軍大連地區(qū)裝備修理監(jiān)修室，遼寧　大連 116041）

基于超高燃油噴射壓力的噴霧特性試驗研究與模型修正

劉琦1，歐陽光耀1，楊昆1，孫宇鵬2

（1. 海軍工程大學(xué) 動力工程學(xué)院，湖北武漢 430033；2. 海軍大連地區(qū)裝備修理監(jiān)修室，遼寧大連 116041）

為了研究超高壓噴射條件下二次破碎噴霧模型對燃油霧化特性的影響，在 AVL FIRE 軟件平臺上對燃油噴霧過程進行數(shù)值模擬，搭建可視化噴霧閃光攝影試驗臺架。基于超高的燃油噴射壓力對燃油的霧束發(fā)展形態(tài)進行了圖像采集，利用試驗結(jié)果對二次破碎噴霧模型進行修正，分析模型中主要參數(shù)對燃油霧化特性的影響。結(jié)果表明：KH 波破碎時間常數(shù) C2的減小有利于縮短噴霧貫穿距離，同時避免發(fā)生燃油撞壁現(xiàn)象；隨著RT波波長常數(shù)C4的增大，二次破碎新生油滴的直徑變大，霧化效果變差；由于首次破碎過程對二次破碎過程的制約作用，導(dǎo)致C4對噴霧計算結(jié)果的影響不像 C2那樣顯著。

超高壓噴射；二次破碎模型；霧化特性；閃光攝影

0　引　言

電控共軌燃油噴射技術(shù)自從問世以來就在內(nèi)燃機領(lǐng)域內(nèi)受到了廣泛的關(guān)注并且顯示出了極大的優(yōu)越性，它是改善缸內(nèi)燃油霧化特性同時保證燃燒過程充分進行的有效手段［1］。隨著各國排放法規(guī)的日趨嚴(yán)格及內(nèi)燃機相關(guān)工業(yè)技術(shù)的不斷發(fā)展，電控高壓共軌燃油噴射系統(tǒng)的燃油噴射壓力呈現(xiàn)出不斷提高的趨勢，在某些發(fā)動機上已經(jīng)實現(xiàn)了超高壓（≥ 180 MPa）噴射［2-3］。因此，開展超高壓噴射條件下的噴霧特性研究是進一步改善柴油機燃燒排放性能的必要前提。近年來的文獻表明，針對定容器內(nèi)燃油噴注以及液滴破碎、霧化等過程形成了許多三維噴霧模型［4］，同時總結(jié)了相關(guān)的經(jīng)驗公式，其中 KH-RT 模型是精度較高并且較為符合缸內(nèi)噴油實際情況的噴霧模型。然而現(xiàn)有的模型和經(jīng)驗參數(shù)僅是基于較低的噴射壓力條件下獲得的，在超高壓噴射條件下還應(yīng)對模型進行進一步的試驗驗證和修正。

本文利用 KH-RT 二次破碎模型對缸內(nèi)燃油的噴霧特性進行數(shù)值模擬，在搭建的可視化閃光攝影試驗臺架上對定容器內(nèi)的油束發(fā)展過程進行圖像采集。根據(jù)試驗結(jié)果對 KH-RT 模型進行試驗驗證，并對主要的經(jīng)驗參數(shù) KH 波破碎時間常數(shù) C2和RT 波波長常數(shù) C4進行修正以實現(xiàn)更高的計算精度。

1　KH-RT 噴霧模型

在該模型中，假定油束在向前運動發(fā)展時發(fā)生了2 次破碎過程。Kelvin-Helmholtz（KH）表面波原理主要適用于相對較高的速度和密度環(huán)境，假定油束的第一次分裂霧化過程受其控制。之后油滴再繼續(xù)發(fā)展的過程中承受空氣的阻力發(fā)生變形，在油滴背面出現(xiàn)一股較強的不穩(wěn)定擾動，即 Rayleigh-Taylor（RT）不穩(wěn)定波起到的二次破碎作用［5］。新油滴半徑 Ra與表面波波長關(guān)系為：

式中：C1為液滴穩(wěn)定直徑參數(shù)；Λ 為表面波波長。原油滴半徑 R 與破碎時間存在如下關(guān)系：

噴霧場中液核區(qū)的破碎長度為：

式中：C3為液體屬性參數(shù)；d 為噴孔直徑。

噴霧場發(fā)展后期的二次破碎時小液滴半徑 Rb和破碎時間 τb的表達式為：

式中：C4和√ C5為RT 波波長和破碎時間常數(shù)；KT為波數(shù)；為RT 不穩(wěn)定波表明增長速率。

2　噴霧測試試驗臺架

可視化噴霧閃光攝影試驗臺架原理如圖1所示。燃油噴射系統(tǒng)采用自主設(shè)計的超高壓共軌燃油噴射系統(tǒng)，噴油壓力可達 180 MPa?？梢暬b置為焊接全密閉的高壓定容器，在頂部設(shè)有一進氣閥用來模擬真實的噴射背壓情況。圖像采集系統(tǒng)包括微控制器、驅(qū)動電路、閃光燈和單反相機。試驗中主要參數(shù)設(shè)置見表1。

圖1　噴霧測試試驗臺架Fig. 1　Experimental bench of spray testing

表1　試驗參數(shù)設(shè)置Tab. 1　Testing parameters

圖像采集控制原理如圖2所示，通過改變噴油器的脈沖信號可以控制噴油脈寬，通過控制噴油延遲和閃光延遲可以采集不同瞬時時刻的霧束圖像。圖像采集之后利用 Matlab 軟件中的二值圖像的像素點提取方法進行后處理，就可以得到霧束發(fā)展圖像的清晰輪廓［6-7］，如圖3所示。

圖2　圖像采集控制原理圖Fig. 2　Image acquisition control principle

圖3　霧束形態(tài)圖像后處理Fig. 3　Spray image postprocessing

3　試驗及仿真結(jié)果分析

3.1計算網(wǎng)格劃分

在 AVL FIRE 軟件平臺上進行噴霧發(fā)展過程的仿真計算，利用 Fame Engine Plus 模塊對燃燒室的整個運動過程進行網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格總數(shù)大約為95 000 左右，如圖4所示。

圖4　計算網(wǎng)格Fig. 4　Calculation grid

3.2KH 表面波破碎時間常數(shù) C2對噴霧計算的影響

圖5所示為C2取不同數(shù)值時噴霧貫穿距的計算值與試驗值對比?？梢钥闯?，燃油自噴孔噴出后就以較大的速度向前運動，此時油滴剛剛開始進行初次破碎。隨著油束向前繼續(xù)發(fā)展，破碎時間常數(shù) C2對噴霧貫穿距產(chǎn)生了較大程度的影響，隨著 C2的增大，噴霧貫穿距離明顯增大，直接決定了噴油后期缸內(nèi)可燃混合氣的均勻程度以及燃油的附壁程度。根據(jù)相關(guān)文獻，破碎時間常數(shù) C2的取值范圍在 15～70 之間［5］。當(dāng)C2取 40 時，噴霧貫穿距的仿真計算值與試驗值基本一致，在后期略大于試驗值，說明此時模型具有較高的精度。

圖5　C2對噴霧貫穿距的影響Fig. 5　Effect of C2on the spray penetration distance

如圖6所示為t=0.8 ms 時刻不同 C2取值的油滴形態(tài)圖對比。C2值越小，油滴的平均直徑越小，油束的初次霧化進行得越早。當(dāng) C2=30 時，油束已經(jīng)完成了第一次破碎，而當(dāng) C2=50 時，油束正處于第 1 次破碎過程中。說明合理的選取 C2值可以直觀地反映油滴在第 1 次破碎過程中的分裂程度。

圖6　前期油滴形態(tài)對比Fig. 6　Comparison of oil droplets in the early stage

3.3RT 波波長常數(shù) C4對噴霧計算的影響

圖7所示為RT 波波長常數(shù) C4取不同數(shù)值時噴霧貫穿距的計算值與試驗值對比?？梢钥闯?，在噴油過程前期，缸內(nèi)燃油的噴霧貫穿距結(jié)果比較相近，差別很小。當(dāng)油束進入二次破碎階段之后，液滴主要受到RT 波的不穩(wěn)地擾動，由式（6）可知較小的 C4值使新分裂出的油滴半徑減小，從而加速了燃油的霧化，導(dǎo)致噴霧貫穿距離變短。在合理的范圍內(nèi)選擇不同的 C4值計算后發(fā)現(xiàn)，C4取 2.5 時仿真計算結(jié)果與試驗結(jié)果比較一致，可以模擬真實情況［8］。

圖7　C4對噴霧貫穿距的影響Fig. 7　Effect of C4on the spray penetration distance

如圖8所示為t=1.3 ms 時刻不同 C4取值的油滴形態(tài)圖對比。二次破碎過程中，隨著 C4的增大油束的噴霧貫穿距增大，油滴向前運動發(fā)展的距離更遠。同時可以看出，C4對燃油霧化過程的影響并不像 C2那樣明顯，這是因為第 1 次破碎過程發(fā)生后已經(jīng)有相當(dāng)部分的燃油霧化形成了氣態(tài)，參與二次破碎的燃油數(shù)量減少，第 1 次破碎的最終效果直接制約了二次破碎的初始狀態(tài)，故在 KH-RT 模型中 C2的取值對仿真計算結(jié)果有決定性影響。

圖8　后期油滴形態(tài)對比Fig. 8　Comparison of oil droplets in the late stage

圖9和圖10所示為利用常數(shù) C2和常數(shù) C4對 KH_RT 模型修正之后的燃油整個霧束發(fā)展過程的仿真結(jié)果與試驗結(jié)果比較?？梢钥闯?，模擬計算得到的仿真圖像和拍照獲得的試驗圖像比較一致，只是在噴霧過程后期存在一定的誤差。燃油的第 1 次破碎主要發(fā)生在自噴孔噴出后不久的區(qū)域，油束的前部速度明顯下降，液滴直徑急劇減小，在噴霧軸線上明顯出現(xiàn)了高濃度區(qū)和低濃度區(qū)。隨著噴霧過程的進行，油束后部尚未霧化的燃油進入二次破碎階段。油滴在受到RT波不穩(wěn)定的擾動時逐漸分裂成直徑更小的液滴，其軸向速度和徑向速度同時遞減，并且在與高壓空氣相互碰撞的過程中發(fā)生充分的能量交換。燃油的低濃度區(qū)域逐漸擴大并且其濃度進一步降低，均勻分布的可燃混合氣逐步形成。

圖9　噴霧發(fā)展過程試驗結(jié)果Fig. 9　Test results of spray development process

圖10　噴霧發(fā)展過程仿真結(jié)果Fig. 10　Simulation results of spray development process

4　結(jié)　語

1）在超高的燃油噴射壓力條件下利用 AVL FIRE軟件對缸內(nèi)燃油的噴霧特性進行了仿真分析，研究了KH-RT 噴霧模型中破碎時間常數(shù) C2和波長常數(shù) C4對燃油霧化形態(tài)的影響。

2）搭建了可視化閃光攝影試驗臺架并基于超高的燃油噴射壓力進行了噴霧發(fā)展過程的圖像采集，經(jīng)過軟件處理之后利用試驗結(jié)果對 KH-RT 噴霧模型進行了修正。

3）通過仿真計算與試驗獲得的噴霧結(jié)果對比發(fā)現(xiàn)，隨著破碎時間常數(shù) C2的減小，油束的噴霧貫穿距變小，第 1 次破碎過程完成得較早；隨著波長常數(shù) C4的增大，燃油在二次破碎過程中產(chǎn)生的新生油滴直徑增大，RT波的擾動作用下降，霧化效果變差。同時發(fā)現(xiàn)第1 次破碎過程對第 2 次破碎過程有直接的制約作用。

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Experimental study and model modification of spray characteristics based on super-high pressure

LIU Qi1， OUYANG Guang-yao1， YANG Kun1， SUN Yu-peng2
（1. Academy of Power Engineering， Navy University of Engineering， Wuhan 430033， China；2. Dalian Navy Area Equipment Maintenance Supervisor Room， Dalian 116041， China）

In order to study the influence of the twice breakup spray model on the atomization characteristics under the condition of super-high pressure injection， the fuel spraying process was simulated on the AVL FIRE software platform. The visual spray flash photography test bench was set up. The image acquisition of the spray development form of fuel was carried out. The twice breakup spray model was modified by the experimental results. The influence of main parameters on the atomization characteristics was analyzed. The results show that the decrease of KH wave breakup time constant C2is conducive to shorten the spray penetration distance and avoid the fuel impinging wall phenomenon； With the increase of the RT wavelength constant C4， the diameter of the new oil drop of twice breakup becomes larger and the atomization effect becomes worse. Because of the restriction of the first breakup process to the second breakup process， the impact of C4on the spray calculation results is not as significant as C2.

super-high pressure injection；twice breakup model；atomization characteristics；flashing photography

TK421

A

1672-7619（2016）09-0092-04

10.3404/j.issn.1672-7619.2016.09.018

2015-11-05；

2015-12-26

國家自然科學(xué)基金資助項目（51379212）；國家自然科學(xué)基金青年資助項目（51409254）

劉琦（1988-），男，博士，研究方向為動力機械及熱力系統(tǒng)的設(shè)計、仿真與優(yōu)化。