基于Fluent的倒錐形噴油孔燃油流動的數值模擬

王丹 李琪 李義才

摘 要：由于試驗和測量受種種條件限制，可以采用計算機流體動力學CFD模型來預測柴油機噴油嘴內的流場狀態。文章應用Catia建立三維模型，gambit劃分網格，Fluent對倒錐形噴油孔噴嘴的燃油三維流場進行數值模擬計算。主要研究的是倒錐形噴油孔錐度的變化以及進口壓力的變化對霧化的影響。通過研究可預測噴油嘴內的燃油流動狀況， 可為噴油嘴設計的合理性指出改進方向。

關鍵詞：噴油嘴；倒錐孔 ；霧化特性；三維數值模擬

中圖分類號：U467.4 文獻標識碼：B 文章編號：1671-7988（2018）12-23-03

Abstract： Because of the limited conditions of testing and measurement， a computer fluid dynamics （CFD） model can be used to predict the state of flow in a diesel injector. This paper uses Catia to establish a three-dimensional model， gambit meshing， and Fluent to perform numerical simulations on the three-dimensional flow field of the inverted cone oil jet nozzle. The main research of this paper is to research the influences that is the taper of the inverted cone and the effect of the change of the inlet pressure on the atomization. By studying the predictable flow of fuel in the nozzle， the rationality of the nozzle design can be pointed out to improve the direction.

Keywords： nozzle； taper of the inverted cone； atomization characteristics； three-dimensional numerical simulations

CLC NO.： U467.4 Document Code： B Article ID： 1671-7988（2018）12-23-03

引言

噴油器是柴油機燃油供給系統中實現燃油噴射的重要部件，其功用是根據柴油機混合氣形成的特點，將燃油霧化成細微的油滴，并將其噴射到燃燒室特定的部位。噴油系統對柴油機的動力性、經濟性、排放性發揮著重要作用。噴油嘴作為燃油噴入氣缸的最后環節，其性能直接影響柴油機的燃燒過程。通過減小燃油流過噴油嘴的壓力損失，可提高有效噴油壓力，增大流過噴油嘴的有效壓力降。較小的噴孔直徑有較高的噴油壓力，可以使噴出油粒直徑變小，油束相對貫穿度較大，噴霧錐角增大。隨著汽車工業發展和環境保護要求的不斷提高，傳統的直孔噴孔已經逐漸不能適應新的國際標準對排放的要求。有相關研究表明，采用倒錐形噴孔能有效地改善霧化效果，進一步提高噴孔的流量系數。本文應用catia建立了多孔倒錐形噴油孔噴嘴的三維模型，通過gambit對其進行網格劃分，最后利用CFD設計軟件Fluent對倒錐形噴油孔噴嘴的燃油三維流場進行數值模擬計算。

1 倒錐孔

如圖1，直徑A和B分別為噴油嘴噴孔內口和外口直徑。如果A=B，則為直孔噴孔，如圖1a所示；如果A>B，則為倒錐孔噴孔。在噴射使用中，噴孔直徑沿燃油的方向逐漸變小，習慣稱為倒錐孔。在加工噴孔時，從噴油嘴外側加工到內側，形成的則是正錐孔。但該正錐孔與電火花加工形成的正錐孔相反，表述為倒錐孔[1]。

與微細電火花加工、激光加工相比，微細電解加工沒有熱影響層，加工后的表面粗糙度較好。在微細電解加工中采用脈沖電源、側壁絕緣電極，可有效地控制加工范圍，得到較高的加工精度，在微孔加工過程中改變電源參數等加工條件，還可控制微孔形狀，加工出包括倒錐孔的復雜形狀的微細孔[2-3]。

2 多孔倒錐形噴油孔噴嘴模型建立

本文采用的噴油嘴模型為一種六孔噴油嘴，噴孔的入口直徑為D1=0.25mm，噴孔長度L=1.0mm，噴孔與針閥軸線間夾角為，錐頂角度為0～3度，本文主要研究的是不同的錐頂角對燃油霧化的影響，利用catia建立了多孔倒錐形噴油孔噴嘴的三維模型，其中六個倒錐形噴油孔均勻分布，如圖2，取噴嘴流動區域的1/6進行數值模擬[4]。

3 倒錐孔噴油嘴模型網格的劃分以及邊界條件的設置

Gambit軟件是面向CFD分析的高質量的前處理器，其主要功能包括幾何建模和網格生成。它具有強大的網格劃分能力，可以劃分包括邊界層等CFD特殊要求的高質量網格。GAMBIT中專用的網格劃分算法可以保證在復雜的幾何區域內直接劃分出高質量的四面體、六面體網格或混合網格[5]。本文中因噴油嘴形狀不規則采用了Tet/Hybird，經檢查，網格質量良好。如圖3，為倒錐孔噴油嘴前端網格模型。

定義噴油嘴的邊界條件為靜態進出口壓力，進口壓力分別為40MPa，60MPa，100MPa，出口壓力為0.1MPa。流體介質為柴油，紊流模型選用標準k-ε方程，在近壁面處求解采用近壁面函數法[6]。在計算過程中，把柴油看作不可壓縮的介質，不考慮流動過程中的能量轉換和損失，并假設壓力區域對所有相都是一樣的，用SIMPLE法耦合壓力和單相速度。

4 計算結果及分析

4.1 不同的噴射壓力對噴油嘴內燃油流動及霧化的影響

圖4為不同壓力下噴油孔的速度矢量圖，錐度α為2。，（a）、（b）、（c）分別為進口壓力為40Mpa、60Mpa、80MPa、100MPa的速度矢量圖，可以看出，在進入噴油嘴壓力室速度有明顯地變化，在噴孔進口的拐角處尤為明顯。在噴孔處，由壁面到中心，速度由大到小進行變化，最大速度分別為296.3279m/s、366.1172m/s、419.5812m/s、468.5277m/s，即在出口壓力不變的情況下，燃油在噴孔內的最大流速隨著進口壓力的增大而增大，因為當噴射壓力增大時，進出口的壓差 變大，根據公式 ，即噴孔處的流速增大，進一步改善燃油的霧化，可以大大增加其與周圍空氣接觸的蒸發表面積，加速了從空氣中的吸熱過程和液滴的汽化過程，對混合氣的形成起到了重要的作用。

4.2 不同的噴孔錐度對噴油嘴內燃油流動及霧化的影響

圖5為不同錐度下噴油嘴的速度矢量圖，進口壓力為60MPa，出口壓力為0.1 MPa。為了更清楚的看到噴孔內燃油流動情況，對噴孔處局部放大。如圖6（a）、（b）、（c）、（d）、（e），可以看出，燃油流動速度在其流動方向不斷增大，在噴孔的出口處達到最大。此外，隨著噴油孔錐度的不斷增大，燃油在噴嘴內的速度也隨之增大，燃油流動的最大速度分別為 316.4301m/s、345.5258m/s、357.4959m/s、361.1325m/s、366.1172，噴孔出口的速度大小影響著燃油的霧化特性，進而影響著柴油機的經濟性、動力性和排放指標。較小的噴孔直徑有較高的噴油壓力，可以使噴出油粒直徑變小，油束相對貫穿度較大，噴霧錐角增大。

5 結論

（1）通過對柴油機倒錐形噴油孔內燃油流動的三維數值模擬，能夠反映出在不同的噴射壓力下，燃油在噴嘴內的流動情況以及其流動速度的變化。隨著進出口的壓差 變大，噴孔處的流速增大，進一步改善燃油的霧化，大大增加其與周圍空氣接觸的蒸發表面積，加速了從空氣中的吸熱過程和液滴的汽化過程，對混合氣的形成起到了重要的作用，最終柴油機的經濟性、動力性和排放指標得到了改善。

（2）通過比較，倒錐形噴油孔優于直孔噴油孔的霧化效果，在進出口壓力一定的條件下，隨著噴油孔錐度的增大，噴油嘴內的燃油流動速度呈增大趨勢，使得油滴的平均直徑減小，而燃燒系統噴霧的油滴平均直徑越小，則霧化質量越好，進而為燃油噴射系統的優化設計和改進提供理論依據。

參考文獻

[1] 魏明銳，文華，劉會猛.等.柴油機孔式噴油嘴內空穴流動的模擬分析[J].內燃機學報， 2006， 24（6）：526 -530.

[2] 馬洪駒，李勇，張龍.微細倒錐孔電火花加工機構設計及其實驗研究[J].電加工與模具，2010（5）.

[3] 胡瑞欽，李勇，孔全存.微細電解加工倒錐孔的仿真與實驗.電化學加工技術.

[4] 姜光軍，高國珍，文華.柴油機噴油嘴內燃油流動三維數值模擬[J].南昌大學學報，2008，30（1）.

[5] Benajes J，pastor J V，Payri R，et al.Analysis of the influence of diesel nozzle geometry in the injection rate characteristic[J].Journal of fluids engineering，2003，126（1）：63-72.

[6] 徐波，張宗杰.三維流場數值模擬在柴油機噴油嘴中的應用[J].柴油機設計與制造，2005，14（1）.