柴油機噴孔內流動及射流初始破碎過程研究

摘要：為研究噴孔內燃油流動特性與近孔區射流初始破碎的過程及影響因素，搭建柴油機燃油噴射霧化的可視化試驗平臺，采用高速可控閃光攝影及顯微成像技術，同時，基于計算流體力學（CFD）軟件OpenFOAM、大渦模擬LES （Large Eddy Simulation）理論和VOF（Volume of Fluid）方法，分別開展柴油機噴孔內流動及噴霧特性可視化試驗和數值計算。結果表明：噴孔內燃油流動呈現空穴流動，空穴從壓力室開始，逐漸向噴孔內發展。噴油壓力決定近嘴區射流破碎形式，噴油壓力20 MPa時，射流呈現Rayleigh破碎；噴油壓力40 MPa時，射流呈現第一、第二風生破碎；噴油壓力60 MPa時，射流呈現霧化破碎。射流破碎從射流“傘形”頭部開始，射流頭部氣/液相界面處存在很大的速度和壓力差，引起射流頭部的首先破碎。數值模擬還展現射流初次破碎以及液滴的二次破碎過程。

關鍵詞：噴孔內流；射流破碎；空化；可視化試驗；大渦模擬

中圖分類號：KT421" " " 文獻標識碼：A" " " 文章編號：2095?5553 （2024） 09?0159?07

Study on internal flow in a injector of diesel engine and near?field jet breakup

at the initial stage of injection

Lei Falin Gao Yongqiang Chen Xiushan Huang Xuetao Zhou shiqian Yin qianqi

（1. Rizhao Seven Star Auto Parts Co.， Ltd.， Rizhao， 276800， China;

2. School of Automotive Engineering， Shandong Jiaotong University， Jinan， 250357， China）

Abstract： In order to study the characteristics of fuel flow in the nozzle and the process and influencing factors of jet initial breakup near the nozzle， a visual test platform for the fuel injection atomization in diesel was set up， the high?speed controlled flash photography and microscopic imaging technology were adopted， and based on computational Fluid dynamics （CFD） software OpenFOAM， large eddy simulation （LES） theory and volume of fluid （VOF） method， the visual test and numerical calculation of flow and spray characteristics in nozzle of diesel engine were carried out respectively. The results show that the fuel flow in the jet hole presents a cavity flow， which starts from the pressure chamber and gradually develops into the jet hole. The jet breaking form in the near nozzle region is influenced by oil injection pressure. When the injection pressure is up to 20 MPa， the jet breaking is appeared Rayleigh breakup. With the increase of injection pressure， the jet breaking are appeared the first and second wind breakup at 40 MPa， and atomization breakup at 60 MPa. The breakup of the jet is begun at the “Umbrella” head of the jet. A large velocity and pressure difference at the gas/liquid interface of the jet head is formed， which causes the first breakup of the “Umbrella” head. The breakup of the jet and the second breakup of the droplets are also shown in numerical calculation.

Keywords： nozzle inner fuel; jet breakup; cavitation; validation experimental; large eddy simulation

0 引言

柴油機噴油器燃油噴孔內流動特性以及噴霧特性的研究，一直以來受到國內外學者的高度重視，但限于當時的認識水平和計算能力，人們至今尚未全面理解燃油霧化機理。隨著科技飛速發展，特別是計算機性能和試驗條件的更新，人們對燃油霧化機理的研究無論在廣度上和深度上都有了一個質的飛躍，近年來大量國內外科技工作者進行了大量研究。Emberson[1]、高永強[2， 3]、Prasetya[4]、沈寶山[5]等分別通過試驗和數值計算研究了噴孔內流動特性以及燃油射流破碎過程，研究結果表明噴孔結構、噴油壓力、環境背壓以及燃油理化性能等均能影響噴孔內流動特性，同時能夠改變燃油射流的霧化特性，增大噴霧錐角、減小燃油液滴粒徑、粒徑分布更加均勻及縮短射流的破碎長度，改善油氣混合質量。魏云鵬[6]、Gao[7]等采用高速顯微成像技術分別對噴孔流動特性及近孔區域射流結構進行可視化研究，從不同角度分析噴孔內流、噴油策略等對近場噴霧特性的影響。Wei[8， 9]、Wang[10]等研究了噴孔內空穴特征和多次噴射條件下燃油霧化特征。文華等[11]對針閥關閉時刻噴孔內的瞬態流場進行了數值計算，發現壓力室內有氣泡形成，并分析該氣泡的形成。何天宇等[12]采用Gerris建立了燃油霧化的計算模型，準確地捕捉液滴破碎過程。

綜上，這些研究都具有較高的學術價值，但是對于燃油初始射流的破碎機理的認識仍然不十分清楚。鑒于此，柴油機燃油射流破碎機理這一問題，通過有效的數值計算和測試方法可以獲得新的認識，這也正符合科學的發展規律和人類的認識規律。

因此，自行搭建的可視化試驗臺上，采用高速可控閃光攝影技術與長工作距離顯微技術相結合獲得實際尺寸大小噴孔內部流動及近孔區域射流結構清晰圖像，然后采用LES湍流模型進行數值計算，對噴孔內流動及射流初始破碎過程進行研究，加深和完善射流破碎機理研究的理論基礎。

1 試驗裝置及原理

1.1 試驗裝置

噴油系統為試驗提供噴油壓力、噴油脈寬和噴油頻率。光學系統記錄噴孔內燃油流動及近孔射流結構形態，主要由相機、鏡頭轉接環（自制）、長距離顯微鏡（QM-100）和頻閃儀（閃光燈）組成。相機是佳能EOS 700D數碼單反相機，鏡頭轉接環主要是將相機和長距離顯微鏡連接起來，長距離顯微鏡代替原相機鏡頭，主要功能是對噴孔進行放大（最大放大381倍），另外還具有極高的分辨率（1.1 μm）。頻閃儀為試驗提供180 ns的閃光脈沖，用來相機拍攝時曝光。由于曝光時間越短，拍攝圖片就越清晰，可消除拍攝圖片時的運動模糊，如流場“凍結”一樣。同步裝置類似于控制單元，主要用于噴油時刻和頻閃儀發出脈沖（曝光）時刻同步，可以抓拍到任何一個噴油時刻的照片。計算機主要用于設置噴油時刻、控制相機的B門啟閉以及拍攝圖像的儲存。圖2為可視化試驗臺實物圖。

圖3為噴油器透明噴孔結構圖。噴油器采用商用BOSCH電磁式噴油器，磨去球頭部分，用透明材料加工出含壓力室及噴孔，再用環氧樹脂膠粘劑將其黏結到噴油器上，形成試驗用可視化部分。透明材料采用有機玻璃，因為其具有極佳的透光率（92%以上），同時還具有較高機械強度和韌性，折射率與柴油的折射率接近，可消除材料對可視化成像的影響，使拍攝到的圖像能真實反映噴油器噴孔內流體流動形態及噴霧特性。

1.2 試驗方法步驟

如圖1所示布置好試驗裝置，閃光燈與相機分別置于噴油器噴孔的兩側，要求與噴嘴透明部分在一條直線上。在其他設備都處于工作條件下，首先調節顯微鏡焦距，保證拍攝照片清晰。設置好噴油時刻，打開相機B快門，開啟噴油信號，觸發閃光燈脈沖信號，就能完成一次拍攝，然后關閉相機B快門。然后調節噴油時刻進行下一次拍攝，通過對噴油時刻設置，可拍攝不同噴油時刻噴油過程圖片。

試驗中所有噴油壓力為表壓，試驗條件及燃油物性參數如表1所示。

2 數學模型

2.1 LES控制方程

大渦模擬采用過濾方法消除湍流小尺度脈動，濾波后的連續方程及動量方程

2.2 空化模型

采用Schnerr-Sauer[14]空化模型，此模型在進行LES計算時可以加快收斂速度，并且其對網格尺度的敏感性要小于完全空化模型。氣相質量分數輸運方程

2.3 計算網格

為了研究燃油噴孔內流動特性及近孔噴霧特性，考慮到噴孔上游（壓力室）及下游（燃燒室）對噴孔內燃油流動的影響。計算域選擇壓力室直徑為D=0.6 mm，噴孔孔徑為d=0.2 mm，噴孔長度為L=1 mm。如圖4所示。計算域尺寸與試驗用噴孔尺寸完全相同。

2.4 計算方法

數值模擬采用開源軟件OpenFOAM，控制方程的時間離散采用隱式歐拉格式離散，動量方程和連續性方程中的對流項采用二階中心差分格式進行離散，其他方程中的對流項采用一階迎風差分格式進行離散；擴散項采用高斯線性格式離散，壓力、速度場耦合采用PISO算法。

2.5 模型驗證

采用試驗條件相同參數進行數值計算可靠性驗證。噴油壓力為50 MPa，背壓為0.1 MPa，燃油物性參數如表1所示。圖5和圖6分別為噴孔內燃油流動和孔外噴霧結構的試驗與數值模擬的對比，可以看出，模擬值與試驗結果吻合較好，從而驗證模型的合理性。

網格大小與計算精度有較大影響，因此需要對網格無關化的驗證。如圖7所示，當噴油壓力為50 MPa，背壓為0.1 MPa時，孔內的質量流量隨網格大小的變化。計算顯示，當網格尺寸為1 μm和2 μm時，質量流量已經非常接近，考慮計算機性能及計算準確，計算的網格尺寸選擇為2 μm。

3 結果及分析

3.1 噴孔內燃油流動分析

將噴油壓力設定為50 MPa，圖8為不同時刻噴孔內燃油流動拍攝到圖像。圖8中黑顏色區域為氣-液兩相流動區域（發生空穴），因為空穴時，光通過有機玻璃照射到氣泡表面后會發生散射，空穴在圖片上顯示為黑色，而液相（柴油）部分與有機玻璃的折射率相同，呈現透明。可以看出，噴油初期，首先觀測到壓力室內出現絮狀的陰影（空穴），然后空穴向噴孔內發展、延伸。主要可能是針閥上升過程中，壓力室內燃油產生一個初始的擾動，燃油由于流動分離產生了相變。隨著噴射進行，針閥開啟增大，噴孔內燃油流速增大，壓力減小，當壓力減小到燃油的飽和蒸汽壓時，發生相變而產生空穴，并逐漸向噴孔出口處發展。這與Moon[17]試驗也很吻合。

3.2 近噴孔區域燃油射流可視化分析

圖9為不同噴油壓力下近噴孔區域射流結構圖。從圖9可以發現，在較低噴油壓力20 MPa，燃油從噴孔噴出后呈“傘狀”狀形態，噴束表面光滑，隨著噴射進行，噴束表面出現微小波動，呈現“啞鈴”形表面波。從25 μs開始，射流表面開始出現“褶皺”或“坑洼”狀結構，但射流頭部仍光滑，未見射流表面帶狀液絲出現。50 μs時在射流表面開始出現少量液絲，射流出現扭曲變形。在整個噴射過程，燃油霧化程度、霧化質量很低。文獻[18]表明，射流離開噴孔后就存在粘性力和破碎力的競爭，由粘性力和破碎力競爭產生的擾動會發生增長并最終導致液體射流發生分裂霧化，噴射壓力較低時射流表面主要是粘性力占主導地位。

增大噴油壓力時，發現燃油從噴孔噴出后就呈現“傘狀”形的射流結構，15 μs時射流表面就開始出現褶皺、表面凸起結構，噴霧錐角開始增大，射流表面出現液絲形態，射流頭部仍然光滑，這一點在Cyril Crua[19]的試驗中也觀測到此現象。隨著噴射的發展，可以看出射流噴霧形態的發生變化，射流向前運動的趨勢受阻，頭部的液體產生了徑向的分速度，致使噴霧錐角迅速增大。此時氣液界面處發生了大尺度的卷吸作用，液絲逐漸形成，并與射流表面分離，Liu等[20]將這些液絲稱為織狀物。上述主要原因是由于高速射流與周圍氣體發生強烈擾動，后噴出來的燃油相對于之前噴出的燃油具有更高的速度，所以會撞擊之前噴出的燃油而匯聚成較大的燃油團，由于邊界燃油微團的速度可以分解為軸向和徑向，又加之受到周圍空氣的剪切作用，故微團會被推至射流外圍并被拉長，受到空氣的卷吸作用就會形成這種織狀結構。當微團被拉成液絲，射流與周圍空氣的作用面積大大增加，當液絲增長到一定長度后會斷裂成許多細小微團。

綜上所述，噴油壓力對近孔區域射流霧化影響較大，噴油壓力較低時，油束速度較低，油束表面擾動小，油束表面光滑，油束與周圍氣體相對運動引起的氣動作用很小，這種破碎表現為Rayleigh破碎；壓力升高后，油束速度增加，表面波不穩定增長以及射流與環境氣體之間相互作用力的影響變得更為顯著，這種破碎形式表現為第一類風生型破碎或第二類風生型破碎。

3.3 數值模擬結果及分析

采用試驗方法能夠得到近孔區域的射流結構形態，但卻無法得到壓力、速度、湍流結構等信息；另外，對于較高噴射壓力的燃油噴射霧化，燃油離開噴孔后可能立即發生霧化，噴束外圍往往被稠密液滴包圍，試驗方法無法得到該處噴束結構。因此可以通過數值模擬得到試驗無法得到的一些信息。

圖10為計算域內液相體積分數數值模擬結果。從圖10中可以看出，燃油從噴孔中噴出后，由于受到空氣阻力的影響，射流頭部的出現從中心向四周翻起，形成所謂的射流頭部的“傘狀”形態，這與試驗觀測到現象吻合。隨后頭部的液體薄片也開始破碎，形成了大量細小的液滴，散布在液柱的周圍。這是由于射流頭部受到周圍高密度空氣的剪切作用，剪切力把突出的射流頭部從中心向兩邊推，形成了比較薄的傘狀的頭部，然后傘狀頭部開始向周向擴展，頭部的液體薄片也開始破碎，形成了大量細小的液滴，散布在液柱頭部的周圍。這是由于外部氣流擾動和內部液體湍流運動，以及前期噴孔內生成的空穴氣泡在此處潰滅產生擾動的共同作用，使射流表面變得不穩定而產生了扭曲或液體脫落。

圖11和圖12分別為近孔區域獲得的射流表面的壓力和速度場分布云圖，噴油壓力為60 MPa，背壓為0.1 MPa。從壓力分布云圖上看，在射流頭部迎風面由于受到空氣動力作用而出現高壓區，在射流傘形頭部后面（射流頸部）存在低壓區。對比圖12發現，傘形頭部后面存在速度渦（高速回流區），射流中心處速度仍然較高，在靠近射流中心線處，速度的方向跟射流噴射方向很接近。沿著傘狀頭部向外，隨著與中心線之間距離的增加，速度跟中心線之間的夾角也增大。在傘狀的頭部液片的尾部破碎形成液滴后，受空氣阻力作用，速度變小，這些液滴不斷沿周向擴散，擴大了噴霧的周向范圍，從而形成了噴霧錐角頭部。

圖13為傘狀頭部液體破碎及發展趨勢示意圖，在燃油噴出后，由于定容室內空氣強烈的剪切作用，液柱頭部的液體開始從中心向四周翻起，形成所謂的噴霧頭部的“傘狀”型態。同時，外部氣流擾動和內部液體湍流運動的共同作用，使液體表面變得不穩定而產生了扭曲或液體脫落現象，致使油束表面呈現“坑洼”或“皺褶”狀。初始破碎最先出現在傘形頭部的液體薄片處，如圖13所示，顯示了射流頭部液體初次破碎以及隨后二次破碎的發展過程，射流頭部的邊緣首先發生斷裂，生成液塊、液滴或液絲，隨后繼續破碎形成更小液絲或液滴。

4 結論

1） 噴油壓力50 MPa時，利用可視化平臺和數值模擬探究柴油機噴孔內流動過程，獲取清晰的圖像展示噴孔內的空化現象，空化首先在壓力室形成，然后向噴孔內發展。試驗結果與仿真結果較好地吻合。

2） 噴油壓力決定射流破碎形式，噴油壓力較低時，如20 MPa，射流破碎主要表現為瑞利（Rayleigh）型破碎。隨著噴油壓力增加，如40 MPa、60 MPa時，射流破碎表現為第一和第二風生型破碎或霧化。

3） 獲得了射流頭部迎風面受到阻力作用而出現高壓區，而在射流“傘形”頭部后側（射流頸部）存在低壓區，在射流頸部的上游又出現高壓區。這些不均勻的壓力分布會提高射流表面的不穩定性，促進射流破碎。

4） 直觀呈現近嘴區射流初次破碎以及二次破碎過程，初次破碎首先從射流“傘形”頭部開始，“傘形”頭部邊緣的液體剝離，隨后剝離液滴發生的二次破碎，如液滴的變形、分裂霧化等。

參 考 文 獻

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