生物柴油/正戊醇混合燃油噴嘴內(nèi)流動特性模擬

劉彤馨， 潘江如， 孔得丞

（1.新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)交通與物流工程學(xué)院，新疆 烏魯木齊 830052； 2.新疆工程學(xué)院控制工程學(xué)院，新疆烏魯木齊 830052； 3.長安大學(xué)省部級重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710064）

0 引言

農(nóng)業(yè)機(jī)械化的發(fā)展使得內(nèi)燃機(jī)在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)作業(yè)中得到廣泛應(yīng)用，與此同時(shí)，能源環(huán)境問題日益凸顯及燃油排放法規(guī)越發(fā)嚴(yán)厲，傳統(tǒng)柴油機(jī)燃油消耗量大、污染物排放嚴(yán)重等問題亟待解決。為了改善柴油機(jī)燃用柴油的條件限制，尋求更加清潔高效的替代燃料成為內(nèi)燃機(jī)領(lǐng)域研究和發(fā)展的重點(diǎn)。

長期以來，國內(nèi)外專家學(xué)者對柴油燃料做了大量研究。生物柴油作為柴油替代燃料，具有清潔、無毒、可再生的特點(diǎn)，加上其理化性質(zhì)與柴油接近，可以在不改變柴油機(jī)結(jié)構(gòu)的前提下直接燃用生物柴油，研究表明，盡管生物柴油作為一種新型清潔燃料，可以有效減少CO、HC 等污染物的排放量，但會產(chǎn)生較多的NOx[1-2]。研究表明，將生物柴油和乙醇混合使用，既能顯著降低CO 排放，又能有效地減少NOx的排放[3-4]。但短鏈醇如甲醇和乙醇具有較低的十六烷值和較高的汽化潛熱，同時(shí)著火延遲較長，與其他傳統(tǒng)燃料摻混穩(wěn)定性不佳，限制了短鏈醇在柴油發(fā)動機(jī)上的應(yīng)用[5]。因此，碳原子數(shù)較多的長鏈醇引起了研究人員的關(guān)注，正戊醇是具有5 個(gè)碳原子的長碳鏈高碳醇，壓燃著火性更好，燃料更易蒸發(fā)汽化，霧化質(zhì)量更好，這些特性對于改善發(fā)動機(jī)的冷啟動性能一定程度上具有積極意義[6]。

目前，使用生物柴油/正戊醇混合燃料作為柴油機(jī)替代燃料的研究尚處于起步階段，并且大多集中在基于發(fā)動機(jī)臺架試驗(yàn)的燃燒與排放性能的研究，而對于其噴霧特性的研究卻鮮有報(bào)道[7-9]。霧化是燃燒過程的前一階段，燃油的燃燒效率直接受到霧化質(zhì)量好壞的影響，燃油在噴孔內(nèi)的空化流動對霧化特性影響顯著[10-12]。因此，有必要深入研究生物柴油/正戊醇混合燃料在燃油噴孔內(nèi)的空化流動特性。本研究利用FLUENT 混合多相流模型對不同摻混比下混合燃料在噴孔內(nèi)的流動進(jìn)行仿真模擬，分析燃油物性差異對噴孔內(nèi)壓強(qiáng)、速度和空化的影響。

1 計(jì)算模型建立

1.1 數(shù)學(xué)模型

流體流動問題本質(zhì)上都遵循物理守恒定律，基本的守恒定律包括質(zhì)量守恒定律、動量守恒定律。

連續(xù)性方程為

上面給出的是瞬態(tài)三維可壓縮流體的質(zhì)量守恒方程，若流體為不可壓縮穩(wěn)態(tài)流動，則 ρ為常數(shù)，式（1）變?yōu)椋?/p>

式中 ρ-密度

t-時(shí)間

u、v、w-速度矢量在x、y和z方向上的分量

動量守恒方程為

選用FLUENT 軟件中的Zwart-Gerber-Belamri 空化模型，該模型假設(shè)所有空泡為相同直徑，假設(shè)相間質(zhì)量傳遞速率僅與氣相密度有關(guān)，由于氣相體積分?jǐn)?shù)增長會導(dǎo)致氣核位置密度減小，因此該模型引入氣核體積分?jǐn)?shù) αnuc，用來修正這種變化在空泡潰滅時(shí)造成的影響。

其氣相輸運(yùn)方程為

式中Re、RC-空泡生長和潰滅相關(guān)的質(zhì)量傳遞源項(xiàng)

Pv-汽化壓力

R0-空泡半徑

Fvap-汽化系數(shù)

Fcond-凝結(jié)系數(shù)，αnuc=5×10-4

1.2 幾何模型及網(wǎng)格劃分

對BOSCH 電磁閥式單孔噴油器進(jìn)行幾何建模，其噴孔直徑D為0.13 mm，噴孔長度L為0.65 mm，噴孔入口過渡圓角半徑R=0，噴嘴結(jié)構(gòu)示意如圖1 所示。由于主要研究柴油機(jī)噴孔內(nèi)燃油流動情況，同時(shí)考慮到計(jì)算機(jī)的計(jì)算性能和仿真效率，在不影響數(shù)值仿真準(zhǔn)確性的條件下，可以對噴嘴幾何結(jié)構(gòu)進(jìn)行適當(dāng)簡化，簡化后的模型如圖2 所示，僅保留噴嘴的頭部，即壓力室部分和噴孔部分。?

圖1 噴嘴結(jié)構(gòu)示意Fig.1 Nozzle structure

圖2 噴嘴簡化模型示意Fig.2 Simplified noozle model

針對噴嘴幾何模型，采用ICEM-CFD 軟件建立噴油器內(nèi)部三維仿真模型并對其進(jìn)行結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格劃分。由于壓力室與噴孔入口處燃油流動情況復(fù)雜，劃分網(wǎng)格時(shí)對該部分進(jìn)行了加密處理，如圖3 所示。將噴嘴幾何模型最上方設(shè)置為入口，最下方設(shè)置為出口，其他設(shè)置為壁面。

圖3 噴嘴計(jì)算網(wǎng)格Fig.3 Nozzle computational grid

1.3 物性參數(shù)及邊界條件

以生物柴油（BD100）作為基準(zhǔn)燃料，然后向純生物柴油中加入不同體積比的正戊醇（P100）配比成混合燃料。在考慮柴油機(jī)燃用燃料必要的氧含量和理化性質(zhì)的條件下，參考相關(guān)生物柴油/正戊醇混合燃料相關(guān)研究，最終選取BD100、BDP10（正戊醇的摻混比例為10%）、BDP20 和BDP40 共4 種燃油作為數(shù)值仿真的模擬用油。燃油的物性參數(shù)如表1 所示[13-15]。

表1 燃油物性參數(shù)（20 °C）Tab.1 Physical parameters of fuel （20 °C）

混合燃油BDP10、BDP20 和BDP40 的物性參數(shù)采用Kay 方程進(jìn)行估算，計(jì)算公式為[16]

式中n-燃油組分?jǐn)?shù)

ω-混合燃油物性參數(shù)

xi- 第i種燃油質(zhì)量分?jǐn)?shù)

ωi-第i種燃油物性參數(shù)

由于BDP10、BDP20 和BDP40 的蒸汽參數(shù)難以測得，因此采用柴油的蒸汽參數(shù)代替計(jì)算[17]。

表2 為數(shù)值模擬的邊界條件設(shè)置，噴嘴進(jìn)出口、壁面分別為壓力邊界條件及標(biāo)準(zhǔn)壁面邊界條件。

表2 數(shù)值模擬邊界條件Tab.2 Numerical simulation of boundary conditions

1.4 計(jì)算條件設(shè)置

燃油在噴孔內(nèi)的流動是一種典型的氣液兩相流過程，為了更好地模擬噴孔內(nèi)部燃油流動出現(xiàn)空化的多相流流動，通過Mixture 多相流模型進(jìn)行數(shù)值仿真，模擬時(shí)關(guān)閉滑移速度，將液體燃油作為第1 相，將氣體燃油作為第2 相。湍流模型選擇realizable k-? 模型，空化模型選擇Zwart-Gerber-Belamri 模型。壓力-速度耦合求解器的求解選擇Coupled 耦合，各離散格式均采用一階迎風(fēng)格式，欠松弛因子采用軟件默認(rèn)設(shè)置。

2 模型驗(yàn)證

采用WINKLHOFER E 等[18]在U 型噴嘴中的空化流動試驗(yàn)對數(shù)值模擬模型進(jìn)行驗(yàn)證，試驗(yàn)噴孔幾何尺寸與柴油機(jī)噴嘴噴孔尺寸量級相似，其試驗(yàn)結(jié)果可以作為反映噴嘴內(nèi)空化的基礎(chǔ)依據(jù)，因此該模型被廣泛應(yīng)用于空化模型的驗(yàn)證。

進(jìn)口壓力為10 MPa，出口壓力分別為4、3 和2 MPa 下噴孔內(nèi)氣相體積分布的試驗(yàn)結(jié)果和仿真模擬對比如圖4 所示。

圖4 不同壓差下空化分布試驗(yàn)值和仿真值對比Fig.4 Comparison of experimental and simulation values of cavitation distribution under different pressure differences

由圖4 可知，數(shù)值模擬的空化現(xiàn)象與試驗(yàn)觀測的空化現(xiàn)象發(fā)展趨勢基本一致：當(dāng)進(jìn)出口壓差為6 MPa 時(shí)，噴孔入口處開始出現(xiàn)空化現(xiàn)象；進(jìn)出口壓差為7 MPa時(shí)，空化范圍明顯增多；當(dāng)進(jìn)出口壓差為8 MPa 時(shí)，出現(xiàn)超空化現(xiàn)象。對比可知，試驗(yàn)與模擬的空化位置和大小基本一致。

不同進(jìn)出口壓差條件下數(shù)值模擬和試驗(yàn)噴孔出口質(zhì)量流量結(jié)果如圖5 所示。噴孔出口的質(zhì)量流量隨壓差的增大呈線性增加趨勢，仿真值與試驗(yàn)值較為吻合。誤差主要來源于試驗(yàn)中壁面存在一定的粗糙度，對內(nèi)部流體流動會產(chǎn)生一定影響，而在數(shù)值模擬中假設(shè)壁面是光滑的，從而使仿真值略高于試驗(yàn)值。但數(shù)值模擬過程中整體最大誤差不超過4%，處于工程誤差可接受的范圍內(nèi)。綜上所述，選取的模型可以較好地預(yù)測噴孔內(nèi)的空化流動現(xiàn)象。

圖5 不同壓差下質(zhì)量流量試驗(yàn)值和仿真值對比Fig.5 Comparison of experimental and simulated mass flow ratesunder different pressure differences

3 結(jié)果分析

為了詳細(xì)分析噴嘴的內(nèi)流動特性，選取距噴孔入口軸向不同距離（距噴孔入口每隔0.13 mm 設(shè)置一個(gè)截面）的多個(gè)截面和噴嘴中心對稱平面上的云圖及數(shù)據(jù)結(jié)果，分析不同摻混比下生物柴油/正戊醇的壓強(qiáng)、速度和空化分布特性。

3.1 壓強(qiáng)分布

4 種燃油在相同工況下，噴孔內(nèi)壓強(qiáng)的分布云圖如圖6 所示；4 種燃油在噴孔中的壓強(qiáng)隨截面位置變動而產(chǎn)生的變化如圖7 所示。

圖6 4 種燃油噴孔內(nèi)壓力分布Fig.6 Pressure distribution of four fuel injection holes

圖7 4 種燃油在不同截面處的壓強(qiáng)變化Fig.7 Pressure variation of four fuels at different cross sections

（1）4 種燃油的壓強(qiáng)數(shù)值大小和分布規(guī)律是相似的，燃油經(jīng)壓力室流入噴孔入口時(shí)壓力變化較大，從入口壓力的60 MPa 迅速下降至25 MPa 左右。這是由于噴孔入口拐角處燃油流通截面積急劇縮小，造成燃油流通速度急劇加快，導(dǎo)致壓力迅速降低。進(jìn)入噴孔后，由于受到燃油流向改變的影響，壓力繼續(xù)下降直至達(dá)到燃油的飽和蒸汽壓后基本保持穩(wěn)定。隨著燃油向噴孔出口處流動，受到壁面粘滯力的作用和環(huán)境背壓的影響，壓力略有回升，直至達(dá)到出口背壓壓力。

（2）在燃油向噴孔出口處流動的過程中，不同截面處的壓強(qiáng)大小為BD100＞BDP10＞BDP20＞BDP40，這是因?yàn)槿加蛪簭?qiáng)隨著其在噴孔內(nèi)流動速度的增加和方向的改變逐漸降至飽和蒸汽壓后再趨于平穩(wěn)，而BD100 的飽和蒸汽壓最大，BDP40 的飽和蒸汽壓最小。

3.2 速度分布

4 種燃油噴孔內(nèi)的速度分布情況如圖8 所示，4 種燃油在同一噴孔不同截面處的速度變化如圖9 所示。

圖8 4 種燃油噴孔內(nèi)速度分布Fig.8 Air velocity distribution of four types of fuel injection

圖9 4 種燃油在不同截面處的速度變化Fig.9 Velocity variation of four fuels at different sections

（1）4 種燃油的速度分布呈現(xiàn)相似趨勢，均表現(xiàn)為階梯型分布，即噴孔中心處速度較高，越靠近壁面處速度越低，這是由于噴孔內(nèi)燃油流動受邊界層影響，黏性流體越靠近邊界層湍流耗散越大，速度越低；同時(shí)由圖10 可以觀察到在壁面處產(chǎn)生空化現(xiàn)象，該現(xiàn)象使燃油有效流通面積減小，從而導(dǎo)致燃油流速減小。因此速度呈現(xiàn)中心速度大，邊界速度小的趨勢。

（2）燃油經(jīng)壓力室流入噴孔，速度呈現(xiàn)先迅速上升后逐漸下降的趨勢。這是由于噴孔入口拐角處燃油流通截面積急劇縮小，導(dǎo)致燃油流速迅速上升；而后燃油流過空化區(qū)域后，有效流通面積重新增大，但此時(shí)燃油受到噴孔壁面黏滯力的影響，流動損失增加，流動速度減小。

（3）同一截面處，不同燃油的速度大小為BDP40＞BDP20＞BDP10＞BD100，這是由于4 種燃油的物化特性不同，BDP40 的黏度和表面張力最小，從而在流動過程中受到的流動損失最小，流動速度最大。由此可見，向生物柴油中摻混一定比例的正戊醇，可以有效改善燃油的流動性。

3.3 空化分布

4 種燃油噴孔內(nèi)空化分布如圖10 所示，4 種燃油在各個(gè)截面處氣相體積分?jǐn)?shù)變化如圖11 所示，其中氣相體積分?jǐn)?shù)表征為燃油氣相體積與噴孔總體積之比。

圖10 4 種燃油噴孔內(nèi)氣相體積分?jǐn)?shù)分布Fig.10 Distribution of gas energy fraction in four fuel injection holes

圖11 4 種燃油在不同截面處的氣相體積分?jǐn)?shù)變化Fig.11 Variation of gas phase physical force fraction of four fuels at different cross sections

（1）4 種燃油的空化分布具有類似的特征，即空化現(xiàn)象均首先出現(xiàn)在噴孔入口拐角處，而后伴隨燃油噴霧的發(fā)展氣泡逐漸延伸到噴孔出口，形成了超空化現(xiàn)象，空化區(qū)域始終沿著噴孔壁面向噴孔出口位置延伸。這是由于燃油經(jīng)壓力室流入噴孔入口拐角處時(shí)，受到慣性力作用的流體流動方向和大小發(fā)生改變，燃油流通截面積急劇縮小，燃油流速迅速上升，壓力迅速下降至飽和蒸汽壓以下，因此在噴孔入口處首先出現(xiàn)空化現(xiàn)象，可見噴孔內(nèi)低壓區(qū)是空化現(xiàn)象形成的重要條件。由于燃油在流向噴孔出口的過程中受到空化不穩(wěn)定和氣泡潰滅的擾動作用，空化層厚度由噴孔入口向噴孔出口呈現(xiàn)先增加后逐漸減小的趨勢。空化區(qū)域始終沿著壁面是因?yàn)閲娍變?nèi)流體邊界層與壁面間更容易形成低壓區(qū)，從而更易產(chǎn)生空化現(xiàn)象。

（2）同一截面處不同燃油的氣相體積分?jǐn)?shù)大小為BDP40＞BDP20＞BDP10＞BD100，說 明BDP40 的 空 化 程度最高，BD100 的空化程度最低。這是由于4 種燃油的物化特性不同導(dǎo)致的，BDP40 的黏度和表面張力最小，在流動過程中更容易產(chǎn)生空化現(xiàn)象。由此可見，向生物柴油中摻混一定比例的正戊醇，可以提升混合燃油的空化效果。

4 結(jié)束語

采用數(shù)值模擬的方法，對4 種燃油在柴油機(jī)噴嘴內(nèi)的流動情況進(jìn)行了模擬，結(jié)論如下。

（1）4 種燃油經(jīng)壓力室流入噴孔入口時(shí)壓力迅速下降，從噴嘴入口的60 MPa 迅速下降至25 MPa 左右；進(jìn)入噴孔后壓力下降到燃油的飽和蒸汽壓時(shí)趨于穩(wěn)定；隨著燃油向噴孔出口處流動，壓力輕微回升直至達(dá)到出口背壓壓力。不同截面處的壓強(qiáng)大小基本相同，BD100 的壓強(qiáng)最大，BDP40 的壓強(qiáng)最小。

（2）4 種燃油的徑向速度分布均表現(xiàn)為中心速度較高，近壁面速度低；軸向速度呈現(xiàn)先迅速上升，后逐漸下降的趨勢；噴孔內(nèi)同一截面處，不同燃油的速度大小為BDP40＞BDP20＞BDP10＞BD100，說明在生物柴油中加入一定比例的正戊醇，可以有效改善燃油的流動性。

（3）4 種燃油的空化現(xiàn)象均首先出現(xiàn)在噴孔入口拐角處，而后伴隨燃油噴霧的發(fā)展，氣泡逐漸延伸到噴孔出口；同一截面處不同燃油的氣相體積分?jǐn)?shù)大小為BDP40＞BDP20＞BDP10＞BD100，說明在生物柴油中加入一定比例的正戊醇，可以提升混合燃油的空化效果。