燃油溫度及噴嘴結構對燃油內部流動性能影響研究

甘樹坤，陸洪杰，呂雪飛

(吉林化工學院 機電工程學院，吉林 吉林 132022)

燃油噴嘴作為內部燃油系統的關鍵部件，其結構參數直接或間接影響噴嘴內燃油的湍流和空化流動效果，同時對缸內燃油霧化質量也有很大影響，決定了柴油機的動力使用特性、燃油經濟效率和空氣污染物的排放.所以，研究噴嘴結構參數對噴嘴內部燃油流動性能的影響具有重要的工業應用價值.

劉愛虢[1]等通過試驗測試和數值模擬兩方面對燃油內部流動特性、溫度和壓力對于燃油霧化的影響，研究結果表明溫度增加會使霧化的周向分布不均勻性增大，油膜厚度也會增厚.M.G.De Giorgi，A.Ficarella[2]研究發現，空化數可以有效地抑制噴嘴中空化區域的膨脹，溫度也會對其出現明顯的影響.Raul Payri等[3]人通過使用大渦模型研究了進口燃料的流速超過500 m·s-1時，不同進口邊界狀態條件對噴嘴流動區域湍動能和射流速度的直接影響.結果顯示，在等壓進氣狀態的條件下，燃油的流速與真實值更為接近，而在湍流進氣狀態條件下，燃油的流速會出現振蕩.Wei等[4]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，空化首先發生在針閥區域.Sibendu Som[5]運用兩相流模擬研究噴嘴的結構參數對出口空化、湍動能以及外流場液滴破碎程度的影響，發現噴嘴錐度、入口倒角和噴嘴入口半徑比值的存在，削弱了噴嘴出口處的空化和湍流動能強度，降低了噴霧破裂程度.陳海龍等[6]對燃油噴嘴的在穩定噴射時內部的空穴現象進行了模擬，運用Fluent軟件中的Mixture多相流模型和空穴模型，分析了噴嘴的直徑和長徑比等無量綱結構參數對噴嘴內部空化現象的影響，研究結果表明，在一定情況下，增加長徑比和提高直徑比均能使空穴在噴嘴出口上分布得更均勻.王艷華、楊世春等[5-7]采用歐拉模型對噴嘴內流場進行了研究，結果表明，氣泡個數密集可以有效地提高燃油空化水平，增加噴嘴出口的平均燃油流量，同時，空化現象也會對噴嘴中燃油流量系數產生顯著的影響.李志龍、吳志軍等[8]利用上海光源的高能、高通量的X射線進行同步輻射掃描注入器的內部結構，獲得一個精確的三維噴管結構模型.提出一種測量噴嘴內部進口直徑、空間角、錐角和過渡圓角的新技術，此測量方法對噴嘴內部的流動特性研究十分重要.江蘇大學的盧鵬[9]采用了可視化的平臺進行研究，并在實踐中運用多種光學技術，研究了噴嘴的主要結構參數(K系數和針閥升程)對噴霧特性的影響，研究發現，隨著壓力的增大，針閥升起的速度越大，高度也就越高，壓力對針閥在初期閉合的過程中影響較小，針閥的升程與針閥完全閉合所需時間是成正比的關系，針閥的升程對于直孔燃油噴嘴的噴霧燃燒特性影響很小.劉琦、歐陽光耀等[10]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.鐘汶君、何志霞等[11]研究了燃油溫度對于空化影響的可視化實驗，采用高速攝像機和顯微成像技術對其進行分析，研究表明隨著溫度升高，燃油空穴數的臨界壓力減小，雷諾數增大.張培紅、杜慧勇[12]通過采用Fire采用計算軟件進行計算，分析不同結構對燃油噴嘴內部流動的影響，所得的結果表明，噴嘴直徑和入口圓角的大小都對流速、質量流率和空穴數有一定程度上的影響.

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[13]及汪朝暉等[14]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一步的加強，另一方面防止燃油在燃燒時噴口積碳.結構優化模型如圖1所示.

圖1 噴嘴幾何模型圖

d1為進氣口直徑，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為氣液進口夾角；l1為進氣口長度；l2為進液口長度，K表示噴孔的形狀和大小.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)

α1為定量，其值為30°.故以λ=1、2、3；d1/d2=0.8、1、1.3；l1/l2=0.7、1、1.2；K=-1、0、1，4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

根據VOF模型的基本設計思想，用一組連續性方程來描述液體和氣體之間的相互作用:

(2)

(3)

動量方程式(3)中，τ為剪切應力；S為源項.還可表示為：

S=Fσ+ρg，

(4)

其中Fσ為表面張力.由于對表面張力無法直接進行計算，所以需要考慮采用Brackbill[15]提出的連續表面力(CSF)模型，將一個表面力近似看成一個連續不間斷的體積張力，則可以通過下式求解:

Fσ=Cκ?α，

(5)

在式(5)中，C為表面張力系數；κ為自由界面曲率；?α為界面的法向量.混合體的密度表示為：

ρ=αρl+(1-α)ρg.

(6)

1.4 湍流模型

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)

在式(7)和(8)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

采用的空化傳質模型是Zwart-Gerber-Belamri[16]模型，該模型是利用一個單位體積內的空化氣泡多少來計算出空化的傳質效率：

(9)

Rayleigh-Plesset方程式中的二階導數項通常可以直接忽略不計，其中的黏性項和在給定物體上的二階表面張力項直接計算，可得:

(10)

將式(10)代入式(9)中得出體積分數表示的傳質效率：

(11)

為了區別最終的蒸發和凝結工藝過程中的差別，傳質效率的一種表達方法定義式為:

(12)

(13)

式(12)中αnuc為氣核體積分數.

2 結果與討論

2.1 不同溫度下噴嘴結構參數對空穴數的影響

依據圖3可知，λ=1時噴嘴內部燃油空穴數大于λ=2和λ=3時的燃油空穴數，由此可以看出，燃油空穴數會因氣液進口夾角比的增大而呈現明顯的下降.

溫度/℃圖3 不同溫度下氣液夾角比對空穴數的影響

從圖4可知，隨著燃油溫度的上升，空穴數逐步增大，即燃油的空化能力不斷提高.燃油噴嘴氣液進口長度比不斷地增大，反而更不利于燃油在噴嘴內部形成空穴現象，主要原因是噴嘴燃油進口長度太大時，使得燃油在流動時速度下降，導致局部靜壓增加，使得內部空化程度減弱.

溫度/℃圖4 不同溫度下長度比對空穴數的影響

從圖5中可以看出，當直徑比等于1.0時，空穴數在不同溫度下均大于0.025，遠遠大于直徑比為0.8和1.2時.

溫度/℃圖5 不同溫度下直徑比對空穴數的影響

從圖6中可以看出，K=-1時的空穴數大于K等于0和1時，主要在于燃油噴嘴出口孔徑的收縮，燃油在噴嘴內部壓力逐漸增強，導致低于燃油飽和蒸氣壓的局部靜壓區不斷減少，進而對空穴現象產生抑制.

溫度/℃圖6 不同溫度下K系數對空穴數的影響

2.2 不同溫度下噴嘴結構參數對混合相質量流率旳影響

由圖7可看出，在λ=1時混合相質量流率最大，而在λ=3時最小，主要原因在于不同的氣液夾角導致內部燃油和空氣的混合程度不同，內部的流動暢通性產生一定的差異.

溫度/℃圖7 不同溫度下夾角比對質量流率的影響

圖8可看出，當噴嘴的氣液進口長度比較大時，噴嘴出口處混合相質量流率逐漸變小，主要由于進液口長度增加，氣體進入使得部分液體回流，導致整體的質量流率下降.

溫度/℃圖8 不同溫度下長度比對質量流率的影響

圖9是在不同溫度下氣液進口直徑比對于內部混合相質量流率的影響，趨勢與K系數類似，但各水平之間變化的幅度都很小.

由圖10可知，隨著燃油噴嘴K系數的增大，在噴嘴出口處的質量流率明顯降低，尤其當K=-1時，在不同的溫度下它的質量流率都保持在0.08 kg·s-1之上，主要是因為K系數影響著噴嘴出口的形狀，所以對質量流率的影響非常顯著.通過對比分析，可以得到K系數對于混合相質量流率的影響最為明顯，并且隨著燃油噴嘴K系數的增大，噴嘴出口的質量流率逐漸降低.總的來說，在4種噴嘴結構參數的工作情況下，噴嘴出口處的混合相質量流率均會隨著溫度升高而逐漸變大，且除了K=1時所對應的溫度變化曲線外，其余所有的質量流率都能夠達到大于0.06 kg·s-1，在一定程度上均可以滿足柴油發動機在氣缸內部的供給燃油，保證動力穩定.

溫度/℃圖9 不同溫度下直徑比對質量流率的影響

溫度/℃圖10 不同溫度下K系數對質量流率的影響

2.3 不同溫度下噴嘴結構參數對混合相湍動能的影響

圖11～14為噴嘴內部混合相湍動能平均數在不同溫度下受氣液進口夾角比、氣液進口長度比、氣液進口直徑比及K系數影響的曲線圖.從圖11中可以看出，氣液進口夾角比對于噴嘴內部的混合相湍動能影響較顯著，并且隨著氣液進口夾角比的逐步增大，在噴嘴內部湍動能減少，主要是由于氣液兩相進口之間夾角變大，增加了氣液兩相之間對沖的能量損耗，增加了湍動能的消耗.

溫度/℃圖11 不同溫度下夾角比對湍動能的影響

由圖12可知，氣液進口長度比為0.7時，噴嘴內部的混合相湍動能平均數較大，比氣液進口長度比為1.0和1.3時分別增加約100～3 000 m2·s-2不等.因此較小氣液進口長度比的湍動能平均數較大，并且還有助于燃油空化現象的產生.

溫度/℃圖12 不同溫度下長度比對湍動能的影響

由圖13可以看出，氣液進口直徑比對噴嘴內部混合相湍動能平均數的影響和氣液進口夾角比類似，但變化幅度較小.

溫度/℃圖13 不同溫度下直徑比對湍動能的影響

由圖14可知，在噴嘴擴張和收縮狀態下，湍動能沒有明顯影響.無論在何種結構下，隨著溫度的升高，湍動能平均數均呈現增大趨勢.

溫度/℃圖14 不同溫度下K系數對湍動能的影響

2.4 不同溫度下噴嘴結構參數對混合相流速的影響

圖15～18分別為噴嘴內部燃油在不同溫度及結構下對混合相流速影響的曲線圖.氣液進口直徑比對燃油流速的影響比其他3種情況明顯，且隨著氣液進口直徑比的減小，噴孔內燃油流速逐漸增加.在相同壓力和溫度下，噴孔直徑減小，燃油在噴嘴內部流動加快，從而使燃油流速增高，特別是氣液進口直徑比為0.8時的燃油流速比1.2時增加了約1倍.K系數的變化對流速也有一定的影響，主要由于噴孔收縮，導致速度有一定的增加.氣液進口夾角比對混合相速率影響的趨勢基本和K系數相似，氣液進口長度比對流速的影響相對較小.燃油在噴嘴中的速度受溫度影響較為顯著，隨著溫度的增大，燃油的密度和黏度均會減小，使得速度增加.

溫度/℃圖15 不同溫度下夾角比對流速的影響

溫度/℃圖16 不同溫度下長度比對流速的影響

溫度/℃圖17 不同溫度下直徑比對流速的影響

溫度/℃圖18 不同溫度下K系數對流速的影響

3 結 論

通過定量地分析，可以總結得到不同燃油溫度下不同的噴嘴結構參數對噴嘴內部燃油流動性能的影響規律：

(1)在相同溫度下，K系數對空穴系數和燃油噴嘴內部混合相質量流率的影響最為顯著.K=-1時內部燃油的空穴數比K=0時明顯地提高了將近1倍，混合相的質量流率也均高于0.8 kg·s-1，并且隨著溫度的升高，空穴數和混合相質量流率均逐漸增大.

(2)在相同溫度下，氣液進口夾角比、氣液進口直徑比和K系數對流速的影響大于氣液進口長度比.

(3)在同一溫度下，噴嘴的結構參數對內部混合相湍動能影響的主次順序為：氣液進口夾角比>氣液進口直徑比>氣液進口長度比>K系數.

(4)噴嘴內部燃油的空穴數、混合相質量流率、混合相湍動能平均數及混合相流速平均數均隨著噴嘴內部燃油溫度的增加而變大.

以上研究表明，不同結構參數和燃油溫度對噴嘴內部燃油流動特性的影響有明顯區別，該結果對燃油噴嘴的進一步的研究和設計具有一定的參考價值.