基于FLUENT的發動機噴油嘴霧化特性數值模擬研究＊

曹福來，郭瑞瑞

（許昌學院 電氣與機械工程學院，河南 許昌 461000）

前言

燃油通過發動機噴油器進行噴射、霧化以及與空氣混合，因此研究噴油器燃油霧化的特性意義重大[1]。國內對噴油嘴霧化特性研究起步晚，華中科技大學魏明瑞分析了流動空穴對霧化特性的影響；江蘇大學王謙搭建了噴霧可視化試平臺；天津大學張軍利用歐拉多相流計算方法模擬計算噴霧特性[2]。計算機技術的飛速發展使得計算流體動力學得到了廣泛的應用，它既不像傳統流動學過分依賴抽象假設也不需要浪費資源搭建實驗平臺，利用FLUENT軟件領先的計算方法、超高的前后處理水平以及豐富而先進的湍流模型來研究發動機噴油嘴霧化特性具有明顯的優勢。

1 噴霧模擬計算的基本計算方法

發動機燃油在噴油嘴里流動的過程中屬于連續運動的介質，而所有流體都遵循物理學的三大守恒定律，因此發動機噴霧的模擬也遵循基本的控制方程，主要有流體力學質量守恒方程、流體力學動量守恒方程、流體力學的能量守恒方程和流體力學組分質量守恒方程[3]。傳統的湍流數值模擬方法主要有三種，第一種是雷諾平均N-S方程方法，通過封閉的雷諾平均N-S方程求解脈動對平均運動的影響，其包含渦黏性封閉與雷諾應力兩種模式，渦黏性封閉模式忽略部分微量因素用低階參數代替高階參數在工程中有廣泛應用。第二種是大渦模擬，大渦容易受流場的影響，能量通過大渦傳遞給小渦，呈現各向異性的大渦和呈現各向同性的小渦，利用N-S方程可以模擬計算大渦，對計算機的數據處理能力提出了要求。第三種是直接數值模擬（DNS），該方法不需要建立湍流模型但要求劃分的網格極小，對計算機要求極高，目前尚未在工程實踐中應用[2]。本文選用在工程領域內的應用較多標準k-ε雙方程模型，k方程用于衡量湍動能的大小，ε方程用于衡量湍動能的耗散程度，具體的k-ε雙方程可以表示成：

其中式（1）是k方程，式（2）為ε方程，它們分別表達湍動能的大小和耗散程度。

2 噴霧特性

噴霧特性的研究主要集中兩個方面，第一宏觀特性，主要指貫穿距離（spray penetration）和噴霧錐角（spray angle）[4]。貫穿距離是指燃油在軸線方向上所能達到的最遠噴射距離，貫穿距離過大則噴射到內壁，過小則燃料局部集中。噴霧錐角是霧場兩條外邊界線的夾角，反映了油滴分布松散的程度，影響因素主要有油品、環境背壓，一般噴霧錐角越大霧化效果越好但噴霧錐角過大會使貫穿距離減小。第二微觀特性，主要包含液滴分布，平均直徑和分裂長度，其中索特平均直徑（SMD）的液滴分布被廣泛用來評價霧化性能的好壞，其公式如下[5]：

3 初始方案的設置

選擇ANSYS自帶的ICEM CFD軟件建立與實際尺寸相對應的幾何模型，根據燃燒爐的尺寸構建霧化空間，本文的霧化空間采用四面體的非結構化網格劃分，網格總數為40.93萬個單元，這樣可以很好地解決邊界問題。

3.1 燃油霧化模型的選擇

燃油的霧化需要經歷碎裂、碰撞、聚合、蒸發，以及與空氣的混合過程，霧化狀態不同子模型特征不同。在Fluent軟件中包含WAVE和TAB兩種液滴碎裂模型，TAB模型模擬彈簧質量系統的強迫簡諧振動原理，認為波動振幅的不斷增加導致液滴的破碎，考慮到二次破碎階段韋伯數大于100且屬于低速射流，因此選擇WAVE模型[6]。液滴蒸發對油霧化程度影響很大，蒸發性越好則混可氣體形成的速度越快，常用的液滴蒸發子模型有Dukowicz、SPlading、Multi-com-ponent 模型等，考慮到液滴表面的均勻性以及徑向溫度的線性變化和液相與氣相的熱平衡，選擇迭代步數少計算量小的Dukowicz模型。液滴動態曳力系數對霧化精度有很大影響，直接決定噴霧過程數值模擬的準確性，該模型在TAB模型和KHRT模型上有著廣泛應用，因此擇動態曳力模型Dynamic-drag model[7]。

3.2 初始條件和邊界條件

流場的確定需要先限定邊界條件和初始條件，入口條件、出口條件和壁面條件是Fluent的主要邊界條件，它們是一些數學和物理變量。由于本次模擬燃料進口的壓力是設定的已知量，三次進口壓力分別為60Mpa、80Mpa、100Mpa，因此選擇和設置了壓力進口邊界條件。出口邊界條件包括壓力出口邊界、速度出口邊界和自由出口邊界，在本文應選擇壓力出口邊界，并將出口壓力設為環境操作壓力?？紤]到燃料通過上述射流的引入，將邊界處的噴嘴內表面設置為壁面[8]。考慮到本研究主要是對無約束空間的研究，環境壓力應是真空的，其他參數應根據實際工況進行調整，搭建的模擬方案如表1所示。

表1 噴油嘴燃油噴射的方案設計

4 數值模擬結果及影響因素分析

4.1 噴孔數目對燃油霧化特性的影響

從圖1和圖2可以看出隨著嘴噴孔數目的增多，貫穿距離和SMD都呈減小趨勢，而噴霧錐角明顯增大。達穩定后可以看出噴孔數2與4相比穩定階段貫穿距離相差大約15%，而噴孔數4與8相比穩定階段貫穿距離減小30%。這是由于噴孔數的增加從噴孔射流出來的燃料速度減小，慣性力也減小，表現為貫穿距離的減小。同時噴孔橫截面積的增加使液滴沿著噴孔壁面到達的范圍更廣，液滴與空氣的作用更加強烈，表現為噴霧錐角的增大和SMD的變小[9]。適當增加噴孔數目可以提高霧化效果，但具體的噴孔數目還要綜合考慮其他因素的影響。

圖1 不同噴孔數時噴霧仿真圖

圖2 不同噴孔數時SMD曲線

4.2 噴孔直徑對燃油霧化特性的影響

從圖3和圖4可以看出噴孔直徑影響著噴霧特性，噴孔直徑的增大使噴霧錐角、穿距離和SMD都增大。到達穩定后可以看出孔直徑為0.2mm與0.3mm，相比穩定階段貫穿距離相差大約13%，而孔直徑為0.3mm與0.4mm，相比穩定階段貫穿距離10%。這是由于其他因素相同時，噴射出來的燃料會隨著噴孔直徑的增大而增加，在慣性力的作用下燃油以液體狀態傳播的距離增加，表現為貫穿距離的增加。同時燃料質量增加加劇了噴口內部湍流現象，粒子間的碰撞聚合頻率增大[10]，最終導致噴霧液滴直徑的增加，因此適當地減小噴空直徑可以提高霧化效果。

圖3 不同噴孔直徑時噴霧仿真圖

圖4 不同噴孔直徑時SMD曲線

4.3 噴射壓力對燃油霧化特性的影響

從圖5和圖6可以看出，噴油壓力對噴霧近場的影響比較大，燃油噴射壓力的增大使得燃油噴霧錐角和貫穿距離都增大而油滴的SMD減小。當噴霧到達穩定后可以看出噴射壓力為60Mpa，與到100Mpa相比，穩定階段燃油噴霧錐角增大了大約25%，噴霧貫穿距離增加了大約27%，油滴的SMD不斷減小，噴霧霧化效果變好。這是因為噴射壓力的增大，單位時間噴射出來的燃油質量增加速率增大，使油滴動能增大，沿著霧場徑向運動的距離增加表現為貫穿距的增加。同時噴孔內部的湍流現象以及空穴現象都在加劇，液滴與空氣更快地破碎霧化，表現為SMD的降低[9]。油壓力對噴霧近場的影響比較大，噴油壓力增加可以改善霧化效果。

圖5 不同噴射壓力時噴霧仿真圖

圖6 不同噴射壓力時SMD曲線

5 結論

利用FLUENT軟件建立燃油霧場的幾何模型來數值模擬研究發動機噴油器霧化特性具有明顯的優勢，通過對燃油霧場的影響因素進行分析得到，在不考慮其他因素的影響時，減小噴孔直徑和適當增加噴孔數目會使貫穿距離和SMD減小，可改善霧化效果；燃油噴射壓力對噴霧近場的影響比較大，噴油壓力增加可以也可提高霧化質量。