燃油噴嘴結構參數對空化性能的影響研究

陸洪杰，甘樹坤，呂雪飛

(吉林化工學院 機電工程學院，吉林 吉林 132022)

柴油噴嘴噴霧的霧化特性包括霧滴破碎、霧化、形成燃料與空氣的混合物等，對內燃機的性能和排放有很大的影響.但由于工藝的復雜性，高壓噴霧的霧化機理尚不清楚[1-3].因此，有必要研究噴管內部產生的空化、湍流等流動現象，以及外部液體燃料與周圍氣體的氣動相互作用，這通常被認為是導致初始破裂的主要因素.空化對于燃油噴嘴是一個非常重要的因素，因此，對噴嘴內部流動和誘導空化的全面了解，對于進一步研究噴霧破碎和燃燒是必要的.

虞育松等[4]報道了噴嘴外空氣和流體的相互作用以及噴嘴內的空化都是影響初始霧化的重要因素.采用高噴射壓力可達80 MPa，Gavaises M 等人[5]發現空化效應大于環境氣體與噴霧相互作用的效應，即增強空化作用至關重要.Bergwerk等人[6]指出，由于壓力差減小，高環境壓力抑制了空化的產生.Badock等人使用了[7]的真實尺寸對單孔透明噴嘴的空化現象進行了研究，提出了在高引射壓力下，空化現象會擴展到噴嘴出口，同時還發現噴嘴中部的流體為純液柱，說明噴嘴壁面附近存在空化現象.Wei等[8]報道了隨著注入壓力的增加，空化來得更強，開始得更早.此外，空化首先發生在針座區域.Sou等[9]研究了噴霧速度，計算了不同轉速下的空化數，發現了4種類型的空化流動，即不空化、局部空化、超空化和水力翻轉.He等[10]采用了一個10倍放大的跨母管，研究了不同噴射壓力下空化的變化，并報道了3種類型的流動，局部空化和超空化隨著注入壓力的增大而出現.鐘汶君等[11]建立了一個增大噴管的噴射系統，研究了不同燃料溫度下空化的影響，認為燃料溫度的變化會影響空化的發生.Oishi等[12]通過計算不同針位下的內湍流度，用STAR-CD研究了噴嘴的內部流動.Yuan等[13]通過計算汽相和液相的體積分數，利用VOF對噴嘴內部流動和噴嘴出口的噴霧破碎進行了研究，發現噴嘴內湍流性強，需要建立多相流模型.為了更好地理解錐形噴霧噴射器的空化流動，Jia等[14]使用了混合多空化模型和全空化模型來研究噴嘴內部流動的行為.結果表明:空化隨進口速度的增大而增強，超空化只發生在環境壓力很小的狹窄區域.劉琦、歐陽光耀等[15]為了對燃油噴嘴出口液滴破碎狀態進行改善,并在其中提高初始湍動能，推導出了非常態燃油的物性參數和壓力之間的相互作用關系，實驗研究結果顯示，非常態燃油的物性參數對于燃料空化的增強具有很大的影響.Zamuner.B利用數值模擬仿真的方法分別對雙極軸向旋流器模型燃燒室、雙級軸向旋流器環形燃燒室以及斜切徑向旋流器環形燃燒室等3種雙旋流航空發動機三維兩相湍流燃燒整體流場與污染物排放進行了數值模擬[16].Dudubout.R、Reynolds.B和MollaHosseini.K 3人對液體噴嘴動態特性進行了數值模擬，分別采用“頻率法”對直流、離心噴嘴的動態特性進行了數值模擬，所得結果表明：增加振蕩頻率會導致直流和離心噴嘴流量的振幅降低和相移增大，而增大壓降則結果相反，在相同工況下當直流噴嘴增大長徑比或離心噴嘴增大幾何特性時均會導致振幅降低和相移增大而對振幅無明顯影響[17].

1 噴嘴模型建立

1.1 幾何模型

雙腔串聯自激振蕩噴嘴采用鄧嶸[18]及汪朝暉等[19]研究中的幾何模型進行了改動.在原有的單相流噴嘴上加一個進氣口，一方面對燃油的擾動進行進一步的加強，另一方面保證燃油在燃燒時，防止噴口積碳.結構優化模型如圖1所示，d1進氣口直徑，取d1=5 mm；d2為進液口直徑；D1為一級諧振腔高度；D2為二級諧振腔高度；α氣液進口夾角；l1為進氣口長度；l2為進液口長度.由于本文采用無量綱量的方法，為統一量化，故引進氣液進口夾角比，其定義式為：

(1)

圖1 噴嘴幾何模型圖

α1為定量，其值為30°.故λ=1、2、3，d1/d2=0.8、1、1.3，l1/l2=0.7、1、1.2，3個無量綱參數的取值進行計算.

1.2 網格模型

采用ANSYS Workbench軟件建立有限元模型，有限元模型采用二維四邊形網格劃分方法，并在噴嘴入口處、噴嘴出口處都進行局部加密以保證數值仿真的精確性.有限元網格模型如圖2所示.

圖2 噴嘴網格模型圖

1.3 多相流模型

由于本文選用的噴嘴為氣液兩相混合噴嘴，所以選用VOF模型進行界面追蹤，計算過程假定是流動等溫的，氣液均不可壓縮，質量守恒方程為：

(2)

動量方程為：

(3)

(4)

式(4)為VOF法[20]的控制方程，其原理是用指示函數F來確定自由面，F表示計算單元內流體體積與網格體積之比，即流體體積分數，根據F的定義，混合相的物性參數密度和黏度可做如下計算：

(5)

其中，下標l和g分別表示液體和氣體．

動量方程式(6)中的FSV表示由表面張力σ所產生的源項，可通過CSF(continuum surface force)模型[21]將表面力轉化為體積力，

FSV=σκnδ，

(6)

式中：σ為表面張力；n為界面的單位法向矢量，n=F/|F|；κ為界面曲率，κ=·n；δ是Delta函數．

1.4 湍流模型

本文對燃油內部空化流動數值模擬采用的是使用最廣泛的RNGk-ε模型，其流動方程如下:

(7)

(8)

式中：Gk為速度梯度產生的湍動能項；Gb為浮力產生的湍動能項；YM為湍流脈動膨脹對耗散率的貢獻項；αk、αε為湍流Prandtl數；C1ε、C2ε、C3ε為常數項；R為附加項，以適應應變率和流線曲率變化迅速流動計算的需要.

1.5 空化模型

使用的空化模型[22-25]為Schnerr-SauerModel，該模型考慮了不可凝結氣體(non-condensablegas，NCG)的影響.其中，蒸發與凝結項分別為：

(9)

(10)

式中：ρl為液態水密度；αV，ρV為空泡體積分數和密度；αg為NCG為體積分數；ρm為混合流體的密度.

2 結果與討論

2.1 氣液進口夾角比對于燃油內部空化的影響

本節的自變量是氣液夾角的比值，通過數值仿真的結果，研究在不同的夾角比下空化的效果，所設定的不同工況下的研究見表1.

表1 氣液夾角比

從圖3氣相百分比云圖可以看出，夾角比值λ=1時，空化程度好于λ=2或λ=3時.從理論上分析，在λ=1時，燃油進入于氣體進入不會產生特別大的對沖，導致壓力損失較小，氣體的速度會更大，帶動燃油速度，導致壓差變大，空化程度變大.當λ=2或λ=3時，燃油和氣體混合時，會損失大量的能量，導致內部壓差變化沒有λ=1時大，空化程度沒有λ=1時好.所以在λ=1時空化程度較好.

圖3 不同氣液夾角比時的氣相百分比云圖

2.2 氣液進口長度比對燃油內部空化的影響

氣液進口的長度是影響燃油內部空化的一個重要因素.本小節研究不同的氣液進口長度比對于空化效果的影響，同時需要保證其他參數均相同，其中氣液夾角確定為30°，具體數值見表2.

表2 進口長度比影響計算值

根據圖4的氣相百分比云圖，在進口長度比為0.7時，燃油的內部空化程度較好.燃油內部的空化是由于流體流速產生壓差低于燃油的飽和蒸氣壓而發生空化.從理論上來講，燃油的密度和黏性都要比空氣大很多，所以通常情況下燃油的流速會慢于空氣的流速，當燃油進口的長度小于空氣進口長度時，就能使燃油和空氣混合得更加充分，更有利于空化的產生.所以在氣液進口長度比為0.7時(l1/l2=0.7)，空化效果比較理想.

圖4 不同氣液進口長度比時的氣相百分比云圖

2.3 氣液進口直徑比對燃油內部空化的影響

氣液進口的直徑對于燃油的內部空化有著很大的影響.本小節研究氣液進口的直徑對空化效果的影響，保證其他參數相同，液體進口的直徑在之前已經確定，將噴嘴液體進口直徑作為對照參數，具體數值見表3.

表3 氣液進口直徑比影響計算值

根據圖5的氣相百分比云圖，所有工況下的噴嘴在不同的氣液直徑比下均出現了空化現象，且最大空化率達到了90%以上.在進氣口與進液口直徑相同時，空化效果較好.從理論上講，在進液口過大或過小時，燃油與氣體的混合振蕩效果均不會太理想，導致空化程度的降低.所以在d1/d2等于1時，空化效果較好.

圖5 不同氣液進口直徑比時的氣相百分比云圖

3 結 論

采用仿真模擬的方法對氣液兩相燃油噴嘴進行結構優化.采用無量綱量的方法，對氣液進口夾角比、氣液進口直徑比、氣液進口長度比3個無量綱參數進行單因素參數改變獲得以下結論：在d1/d2=1、l1/l2=0.7、λ=1時，燃油噴嘴內部會獲得較好的空化效果.為以后對氣液兩相燃油噴嘴的實驗研究奠定一定的基礎.