基于CFD的噴嘴結構參數對各孔內部流動特性影響研究

高慶文,廖善彬，羅劍坤

(江鈴汽車股份有限公司，江西南昌 330001)

0 引言

隨著能源危機及環境污染的逐步加劇，燃燒系統、燃油噴射系統、進排氣系統、后處理系統及電控標定的設計、改進及優化，已成為當今柴油機效率提升、排放升級和性能優化的主要工作。同時，缸內工作過程的優化和改進又是各項工作的重中之重。噴油器作為燃油噴射系統的關鍵部件，其性能對柴油機的工作過程具有重要影響，已成為柴油機最為關鍵的部件之一[1]。

為滿足“節能減排”日益嚴格的要求，當前柴油機多采用多孔式噴油器。但由于加工精度的差異及結構和液力研磨等的不同，各孔內的流動特性將存在一定的差異，進而導致各孔噴射特性的差異，致使氣缸內尤其是燃燒室內隨時間和空間不均勻的燃油分布，并最終使得燃燒排放的惡化及缸內尤其是燃燒室內不一致的熱負荷[2-8]。對于多孔柴油機噴油器，雖各孔內部的流動特性及其差異對柴油機的工作過程具有重要影響，但當前的研究多集中于各孔均布的多孔噴油器[9-11]，對于各孔非均布的多孔噴油器，還鮮有人對其內部的流動特性及各孔內部流動特性的差異進行過系統研究。

由于各孔非均布的多孔噴油器應用廣泛，基于項目的實際需求，項目組已建立了可用于分析噴嘴內部流動特性的三維氣液兩相流空穴模型，并基于某各孔非均布的五孔噴油器，詳細研究了噴油壓力和噴油背壓對各孔內部流動特性及其差異的影響和影響規律[6]。為對各孔非均布多孔噴油器的相關特性進行系統了解，進而對多孔非均布噴油器的設計開發和匹配選型提供技術和理論支持，基于已建立并經試驗驗證的噴嘴內部流動三維氣液兩相流空穴模型，詳細研究了包括噴孔入口導圓半徑、噴孔長度和噴孔直徑的噴嘴結構參數對各孔非均布多孔噴油器各孔內部流動特性及其差異的影響和影響規律。

1 噴嘴模型及數學模型

采用Mixture模型附加空穴模型，對噴嘴內部的流動特性進行分析；基于噴油壓力和噴油背壓，對氣泡數密度進行修正；對于氣液混合相的湍流流動，采用RNGκ-模型進行計算；對于近壁區內的流動，采用標準壁面函數法進行處理。更加詳細的數學模型、求解過程和驗證過程，見文獻[6-8]。

所研究噴嘴各孔的空間布置如圖1所示，孔徑均為0.2 mm，噴孔軸線和針閥軸線夾角由小到大的順序為：噴孔四<噴孔三<噴孔二<噴孔五<噴孔一(簡記噴孔傾角βi：β4β3β2β5β1)。最大針閥升程時整個噴嘴的網格劃分情況如圖2所示，所有網格均為六面體結構化網格，并在噴孔入口導圓部位進行了加密處理。

圖1 噴嘴結構參數

圖2 噴嘴計算網格

2 計算結果對比分析

2.1 噴孔入口導圓對各孔內部流動特性的影響

噴油壓力90 MPa、噴油背壓5 MPa、不同入口導圓半徑下，各孔內的空穴分布如圖3所示。可以看出：在同一入口導圓半徑下，隨著噴孔傾角的增加(β4β3β2β5β1)，噴孔內的空化效應是逐漸增強的，該現象可從空穴層的長度、空穴層的厚度及最大氣相體積分數等明顯看出。同時，還可看出：對于任一噴孔，隨著噴孔入口導圓半徑的增加，噴孔內的空化效應逐漸減弱，且隨著噴孔傾角的增加，噴孔入口導圓半徑對噴孔內空化效應的抑制作用逐漸減弱：對于噴孔傾角最小的噴孔四，隨著噴孔入口導圓半徑的增加，噴孔內的空化效應明顯減弱；但對于噴孔傾角最大的噴孔一，隨著噴孔入口導圓半徑的增加，噴孔內空穴層的長度、厚度及最大氣相體積分數變化并不是很明顯，即此時噴孔入口導圓半徑對噴孔內空化效應的抑制作用是逐漸減弱的。

圖3 不同導圓半徑時各孔空穴分布

在上述邊界條件下，各孔出口平均流速、質量流量及流量系數隨噴孔入口導圓半徑的變化分別如圖4、圖5和圖6所示。可以看出：對于任一噴孔，隨著噴孔入口導圓半徑的增加，其噴孔出口平均流速、質量流量和流量系數均是逐漸增加的，且隨著噴孔入口導圓半徑的增加上述變量的增加幅度逐漸降低。同時，還可看出：在任一噴孔入口導圓半徑下，隨著噴孔傾角的增加(β4β3β2β5β1)，噴孔出口的平均流速、質量流量和流量系數均是逐漸降低的，這和已有的基于各孔均布噴嘴的研究結果是一致的[8,11]。

圖4 不同導圓半徑時各孔出口平均流速

圖5 不同導圓半徑時各孔質量流量

圖6 不同導圓半徑時各孔流量系數

2.2 噴孔長度對各孔內部流動特性的影響

噴油壓力60 MPa、噴油背壓5 MPa、不同噴孔長度時各孔內的空穴分布如圖7所示。對于圖1和圖2所示的噴嘴，對于任一噴孔，隨著噴孔長度的增加，雖空穴發生的起始位置基本不變，距噴孔入口相同距離處空穴層的厚度變化也不是很明顯，但較高氣相體積分數的分布區域有逐漸減小的趨勢，這可從較高氣相體積分數層的厚度和形狀較為明顯地看出。這是因為：對于噴孔長度較短的噴嘴，其噴孔出口附近的背壓約5 MPa；而和噴孔長度較短的噴嘴相比，較長噴孔下游壓力是高于5 MPa背壓的，而噴油背壓的增加對噴孔內的空化效應具有抑制作用[6]。從圖7還可看出：在任一噴孔長度下，隨著噴孔傾角的增加，噴孔內的空化效應是逐漸增強的。同時，對于0.6 mm和0.8 mm的噴孔長度，有較多噴孔內的空穴層已延伸到噴孔出口處，即處于所謂的“超空化”狀態；對于1.0 mm的噴孔長度，各孔內的空穴層均未達到噴孔出口處，即噴孔長度的增加可一定程度上抑制噴孔內的“超空化”現象。

圖7 不同噴孔長度時各孔空穴分布

圖8、圖9、圖10分別為噴油壓力60 MPa、噴油背壓5 MPa、不同噴孔長度時各孔出口平均流速、質量流量和流量系數的變化情況。和第2.1節的研究結果相一致，在任一噴孔長度下，隨著噴孔傾角的增加，噴孔的出口平均流速、質量流量和流量系數均是逐漸降低的。同時，還可看出：對于任一噴孔，隨著噴孔長度的增加，其出口平均流速、質量流量和流量系數也是逐漸降低的。這主要是因為：在噴孔直徑、表面粗糙度及進出口邊界等均不變的情況下，隨著噴孔長度的增加，燃油流經噴孔時的沿程損失是逐漸增加的[12]，使得噴孔出口的平均流速逐漸降低，進而使得噴孔的質量流量和流量系數也逐漸降低。

圖8 不同噴孔長度時各孔出口平均流速

圖9 不同噴孔長度時各孔質量流量

圖10 不同噴孔長度時各孔流量系數

2.3 噴孔直徑對各孔內部流動特性的影響

各孔長度0.8 mm、噴油壓力和噴油背壓分別為60 MPa及5 MPa時，各孔內空穴分布隨噴孔直徑的變化情況如圖11所示。可以看出：隨著噴孔直徑的增加，各孔內的空化效應均逐漸增強，這可從空穴層的長度、厚度、最大氣相體積分數及較高氣相體積分數的存在區域等明顯看出。當噴孔直徑為0.15 mm時，各孔內的空話效應均比較弱，但當直徑增大至0.2 mm及以上時，對于所研究的噴嘴，各孔內均處于“超空化”狀態。同時，還可看出：當噴孔直徑較小時，各孔內的空穴層基本是沿著噴孔壁面向噴孔下游逐漸發展的，但隨著噴孔直徑的增加，各孔內的空穴層還有向噴孔中心逐漸發展的趨勢，該變化趨勢，和圖12所示的噴孔直徑對各孔內高流速區域和低流速區域的分布位置及大小的影響和影響規律是基本一致的。

各孔質量流量和流量系數隨噴孔直徑的變化，分別如圖13和14所示。明顯看出：隨著噴孔直徑的增加，各孔的質量流量均逐漸提高，但各孔的流量系數變化并不大，且整體上還有略微降低的趨勢。這主要是因為：在相同的邊界條件下，噴孔的理論流量是隨著噴孔直徑的增加呈比例增加的；對于噴孔的實際流量，由于空化效應隨噴孔直徑增加而逐漸增強的影響，其隨噴孔直徑增加而提高的幅度是要小于理論流量的增加幅度的。這和已有的研究結果是基本一致的[11]。但上述研究結果和文獻[8]所示結果略有差異，這主要是由噴嘴結構和類型的差異、空化效應的強弱及沿程損失的變化等差異造成的。

圖11 不同噴孔直徑時各孔空穴分布

圖12 不同噴孔直徑時各孔流速分布

圖13 不同噴孔直徑時各孔質量流量

圖14 不同噴孔直徑時各孔流量系數

3 結論

采用三維氣液兩相流空穴模型，以各孔非均布的多孔柴油機噴油器為依托，進行了噴孔結構參數對各孔內部流動特性的影響研究，主要結論如下：

(1)隨著噴孔入口導圓半徑的增加，各孔內的空化效應均逐漸減弱，但各孔出口平均流速、質量流量和流量系數均逐漸提高；

(2)噴孔長度的增加對各孔內的空化效應具有一定的抑制作用，同時，各孔出口的平均流速、質量流量和流量系數也逐漸降低；

(3)隨著噴孔直徑的增加，各孔內的空化效應逐漸增強，質量流量逐漸提高，但流量系數的變化并不是很明顯。