噴嘴內(nèi)流影響下的噴油器性能參數(shù)敏感性分析

摘要：為探究噴嘴結(jié)構(gòu)設(shè)計對噴油器乃至電控高壓共軌燃油噴射系統(tǒng)流通特性、噴霧特性等影響，基于高壓共軌噴嘴內(nèi)部流動及噴霧可視化試驗(yàn)平臺，探究真實(shí)尺寸噴嘴內(nèi)部空化流動瞬態(tài)特性，利用修正的空化模型結(jié)合湍流模型與多相流模型開展噴嘴幾何結(jié)構(gòu)對內(nèi)部空化流態(tài)及其對噴嘴綜合性能影響的數(shù)值模擬研究，并結(jié)合規(guī)則兩水平分?jǐn)?shù)因子設(shè)計開展幾何參數(shù)敏感性分析。結(jié)果表明：在燃油噴射過程中，噴嘴內(nèi)可能同時存在幾何空化與線空化兩種空化流態(tài)，且針閥運(yùn)動直接影響噴嘴內(nèi)線空化現(xiàn)象；噴孔出口直徑、噴孔錐度系數(shù)、針閥升程及噴孔長度等因素對噴嘴的綜合性能影響最為顯著；不同結(jié)構(gòu)噴嘴內(nèi)部空化流態(tài)的差異是噴油器流通與噴霧性能差異的主要原因；噴嘴內(nèi)部的線空化對噴霧宏觀特性影響顯著，且空蝕風(fēng)險較小。研究可為噴嘴結(jié)構(gòu)設(shè)計提供參考，為實(shí)現(xiàn)高壓共軌燃油噴射系統(tǒng)噴油規(guī)律、噴油量及噴霧的精準(zhǔn)控制提供理論支撐。

關(guān)鍵詞：噴嘴；敏感性分析；空化；噴霧；空蝕風(fēng)險

中圖分類號：TK422 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

DOI：10.7652/xjtuxb202505018 文章編號：0253-987X（2025）05-0189-09

Parameters Sensitivity Analysis of Injector Performance

with the Effect of Nozzle Internal Flows

XU Shuohan¹， ZHAO Kai²， BAI Tianyang¹， GAO Zhang²， GUO Genmiao¹， HE Zhixia¹， Raul PAYRI³， SHAO Zhuang^1，4

（1. Institute of Energy Research， Jiangsu University， Zhenjiang， Jiangsu 212013， China; 2. China Automotive Technology and

Research Center （Changzhou） Co.， Ltd.， Changzhou， Jiangsu 213100， China; 3. CMT-Clean Mobility amp; Thermofluids， Universitat

Politècnica de València， Valencia 46022， Spain; 4. Shandong Zhongke Advanced Technology Co.， Ltd.， Jinan 250101， China）

Abstract：To investigate the impact of nozzle structure design on the flow characteristics and spray characteristics of injectors and the electronically controlled high-pressure common rail fuel injection system， a high-pressure common rail nozzle internal flow and spray visualization test platform is utilized to explore the transient characteristics of cavitation flow within a full-scale nozzle. A modified cavitation model， combined with a turbulence model and multiphase flow model， is used to conduct numerical simulations on the effects of nozzle geometry on internal cavitation flow patterns and overall nozzle performance. Additionally， a two-level fractional factorial design is employed for geometric parameter sensitivity analysis. The results indicate that both geometric cavitation and string cavitation can coexist within the nozzle during fuel injection， and needle valve movement directly affects the occurrence of string cavitation in the nozzle. Factors such as nozzle outlet diameter， nozzle conicity coefficient， needle valve lift， and nozzle hole length have the most significant impact on the nozzle’s overall performance. Differences in internal cavitation flow patterns across different nozzle structures are the primary reason for differences in flow and spray performance. String cavitation within the nozzle has a notable effect on the spray’s macroscopic characteristics， with minimal risk of erosion. This study provides a reference for nozzle structure design and theoretical support for precise control of regular injection， fuel quantity， and spray in high-pressure common rail fuel injection systems.

Keywords：nozzle; sensitivity analysis; cavitation; spray; erosion risk

開發(fā)高效、清潔以及可持續(xù)的柴油機(jī)技術(shù)是實(shí)現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)的迫切需求。在噴油嘴內(nèi)部存在著復(fù)雜的微尺度多相流體流動現(xiàn)象——空化，空化的關(guān)鍵效應(yīng)之一是它與湍流的關(guān)聯(lián)。在內(nèi)燃機(jī)噴射液體燃料的情況下，噴油器噴嘴內(nèi)外的空化流動主導(dǎo)著液體燃料的破碎和霧化，對燃燒效率和排放有顯著影響^［1-5］。現(xiàn)代柴油機(jī)噴射系統(tǒng)通常采用高噴射壓力及小噴孔直徑提高噴霧質(zhì)量，以促進(jìn)燃料混合燃燒^［6-10］。與噴嘴內(nèi)湍流對噴霧霧化的影響相比，空化現(xiàn)象更為重要。根據(jù)流動形態(tài)，噴嘴內(nèi)部空化分為幾何誘導(dǎo)空化和渦旋誘導(dǎo)空化兩種。前者由噴嘴幾何結(jié)構(gòu)引起的流動收縮所致，能夠促進(jìn)射流破碎^［11-13］，但也會引致空蝕，從而影響噴嘴壽命^［14］。后者呈線狀（故又稱線空化），主要與噴嘴內(nèi)渦旋流動有關(guān)，其可誘導(dǎo)中空噴霧，進(jìn)而改善霧化質(zhì)量^［15］，但噴嘴內(nèi)的渦流場具有強(qiáng)瞬態(tài)特性，誘導(dǎo)條件較為苛刻^［16］。已有研究表明，柴油機(jī)噴嘴內(nèi)部幾何結(jié)構(gòu)的微小改變就可以產(chǎn)生完全不同的空化形態(tài)^［17-21］。

目前，關(guān)于噴嘴幾何結(jié)構(gòu)對內(nèi)部空化流動及噴霧特性影響的探究多集中于噴孔結(jié)構(gòu)與針閥運(yùn)動。陶希成等^［22］基于比例放大透明噴嘴試驗(yàn)臺，探究了不同錐度噴孔內(nèi)空化流動差異，結(jié)果表明，在漸擴(kuò)孔中最易發(fā)生空化現(xiàn)象，直孔次之，漸縮孔最難。何志霞等^［23］通過X射線同軸相襯成像技術(shù)準(zhǔn)確獲得噴嘴內(nèi)部幾何結(jié)構(gòu)尺寸，結(jié)果表明較小的噴孔長徑比有助于提高初次霧化效果，噴霧貫穿距最小；噴孔入口處倒圓角設(shè)計會大大減弱噴嘴內(nèi)空化強(qiáng)度，使噴霧破碎效果變差。Moon等^［24］通過X射線示蹤成像方法在真實(shí)金屬噴嘴內(nèi)部觀察到了渦流、渦線空化及流動分離的瞬態(tài)行為，結(jié)果表明渦流強(qiáng)度隨針閥升程的增加先增大后減少。Salvador等^［25］基于雷諾時均湍流模型（RANS）探究了10種固定針閥升程的多孔噴嘴，模擬結(jié)果表明噴嘴內(nèi)部湍流的發(fā)展和壓力演變依賴于針閥升程，在低針閥升程下更明顯。

上述研究表明，噴嘴幾何結(jié)構(gòu)對其內(nèi)部空化流動及噴嘴流通特性、噴霧發(fā)展特性具有顯著影響。因此，在噴油器設(shè)計中，針對其幾何結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化成為提高噴油器性能的重要途徑。本文基于高壓共軌噴嘴內(nèi)部流動可視化實(shí)驗(yàn)平臺，探究針閥運(yùn)動對噴嘴內(nèi)部空化兩相流動的影響，并在此基礎(chǔ)上利用數(shù)值模擬方法與常規(guī)兩水平因子設(shè)計探究顯著影響噴嘴性能的幾何結(jié)構(gòu)參數(shù)。

1 可視化試驗(yàn)裝置及噴嘴結(jié)構(gòu)

1.1 高壓共軌噴嘴內(nèi)部流動與噴霧可視化試驗(yàn)臺

自行搭建的高壓共軌噴嘴內(nèi)部流動與噴霧可視化試驗(yàn)臺如圖1所示。試驗(yàn)系統(tǒng)主要包括電控高壓共軌燃油噴射系統(tǒng)和高速數(shù)碼顯微成像系統(tǒng)。油箱內(nèi)的燃油經(jīng)由過濾器、低壓油泵和高壓油泵至高壓共軌管穩(wěn)壓，然后經(jīng)油管至噴油器噴出。試驗(yàn)時，從電腦端控制電子控制單元發(fā)出噴油信號，同時采用同步信號觸發(fā)相機(jī)拍攝，實(shí)現(xiàn)噴嘴內(nèi)部流動及噴霧同步高精度捕捉。

1.2 噴嘴結(jié)構(gòu)及參數(shù)定義

可視化試驗(yàn)噴嘴為基于某型9孔船用噴油器噴嘴研制出的具有相同尺寸的2孔光學(xué)透明噴嘴，噴嘴材質(zhì)為機(jī)玻璃。如圖2所示，首先將金屬噴油器噴嘴頭部自噴油嘴偶件密封線以下切除，然后替代裝配光學(xué)透明噴嘴。

基準(zhǔn)噴嘴具體幾何尺寸詳見表1。圖3給出了噴嘴主要結(jié)構(gòu)參數(shù)定義示意圖。其中，噴孔錐度系數(shù)K強(qiáng)烈影響噴孔內(nèi)部空化流動特性，定義如下

K=100（D_in－D_out）L_h （1）

式中：D_in為噴孔入口直徑；D_out為噴孔出口直徑；L_h為噴孔長度。經(jīng)計算，圓柱形噴孔的錐度系數(shù)K為0，漸縮噴孔的錐度系數(shù)K大于0。

試驗(yàn)中，燃油介質(zhì)為柴油，噴射壓力分別取50、60、70、80 MPa，背壓為當(dāng)?shù)丨h(huán)境壓力，噴油脈寬為1 800 μs；柴油溫度與環(huán)境溫度相同，均為293 K；柴油密度為832 kg/m³，柴油黏度為0.003 kg/（m·s）。每個試驗(yàn)工況均進(jìn)行3次重復(fù)試驗(yàn)。

2 數(shù)值模擬模型及方法

基于ANSYS Fluent計算流體力學(xué)軟件，采用基于歐拉框架的氣液界面追蹤方法（VOF）對兩相界面進(jìn)行跟蹤，氣液兩相流中考慮了液相燃油、燃油蒸汽和空氣3種組分。同時，忽略流動過程中的燃油微小溫度變化，將多相流假定為等溫可壓縮湍流。該模型通過求解一組動量方程，在整個計算域中跟蹤每一相的體積分?jǐn)?shù)，連續(xù)性方程和動量方程如下

?ρ?t+Δ·（ρU）=0 （2）

?ρU?t+Δ·（ρUU）=－ΔP+Δ·σ （3）

式中：ρ為密度；t為時間；U為速度；P為壓力；σ為混合流體的剪應(yīng)力張量。

雷諾應(yīng)力湍流（RSM）模型忽略了Boussinesq假設(shè)，直接求解雷諾應(yīng)力輸運(yùn)方程與耗散方程，克服了常用兩方程湍流模型渦粘假設(shè)的局限性，可較好地預(yù)測旋流和二次流等湍流動態(tài)特性。同時，RSM模型考慮了流線曲率、渦旋以及快速應(yīng)變率的影響，對噴嘴內(nèi)線空化流動的預(yù)測具有更大潛力。

基于簡化Rayleigh-Plesset方程發(fā)展出的空化模型（如Zwart-Gerber-Belamri、Schnerr-Sauer等）對局部壓力非常敏感，結(jié)合RANS模型解析噴嘴內(nèi)部旋流將會高估渦核附近的湍流黏度，從而低估了渦核的速度梯度和壓降，導(dǎo)致數(shù)值模擬預(yù)測的線空化強(qiáng)度總是明顯比試驗(yàn)結(jié)果弱^［26-27］。本文考慮了旋渦流場中渦量張量的影響，修正了Zwart-Gerber-Belamri空化模型，提高了有限傳質(zhì)速率類空化模型對線空化現(xiàn)象的預(yù)測精度。

修正后的空化模型源項(xiàng)如下：

當(dāng)P_v≥P_∞時，氣泡開始生長（即蒸發(fā)階段），有

_e=F_vap3α_nuc（1－α_v）ρ_vR_B2（P_v－P_∞）3ρ_l （4）

當(dāng)P_vlt;P_∞時，氣泡開始潰滅（即冷凝階段），有

_c=CF_cond3α_vρ_vR_B2（P_∞－P_v）3ρ_l （5）

C=（1+t_∞Ω）^－1 （6）

式中：_e和_c分別為氣泡生長和潰滅過程的質(zhì)量輸運(yùn)源項(xiàng)；α_v為蒸汽相體積分?jǐn)?shù)；ρ_v為蒸汽相密度；ρ_l為液相密度；P_v為柴油的飽和蒸汽壓；P_∞為局部遠(yuǎn)場壓力；α_nuc為成核部位體積分?jǐn)?shù)；R_B為氣核半徑；F_vap和F_cond為模型系數(shù)，分別取50和0.01；C為冷凝系數(shù)修正系數(shù)；Ω為渦度張量；t_∞為時間尺度，用于歸一化渦量張量。

求解中，采用隱式有限體積法、基于壓力的求解器，以及SIMPLEC壓力-速度耦合算法。采用二階迎風(fēng)格式對密度進(jìn)行插值，采用壓縮格式對蒸汽體積分?jǐn)?shù)輸運(yùn)方程進(jìn)行離散化，并且時間積分采用二階格式。作者前期工作中對求解設(shè)置作了詳細(xì)描述^［28］。

3 噴嘴內(nèi)瞬態(tài)空化流動特性

為了捕獲燃油在噴嘴內(nèi)部流動時發(fā)生的瞬態(tài)空化現(xiàn)象，采用背光成像法進(jìn)行試驗(yàn)，采用與柴油折射率相近的有機(jī)玻璃加工透明噴嘴。光線在穿過有機(jī)玻璃和燃油液相的交界處時發(fā)生的偏折較小，而當(dāng)噴嘴內(nèi)部發(fā)生空化現(xiàn)象時，會同時存在液相柴油與柴油蒸汽，兩者折射率差異較大，光線在經(jīng)過燃油液-汽界面時會發(fā)生折射，導(dǎo)致從空化區(qū)域進(jìn)入顯微鏡頭的光線減少，因此從試驗(yàn)圖像上看，噴嘴內(nèi)部空化區(qū)域呈現(xiàn)黑色，液相柴油呈透明色。當(dāng)燃油經(jīng)噴孔噴射后，在近場噴霧區(qū)域，由于表面張力及液體內(nèi)部流動的不穩(wěn)定性，燃油由最開始的完整液柱開始破碎，逐漸形成液膜與液絲，此時油束仍比較稠密，光線穿過油束時會發(fā)生多次反射與折射，導(dǎo)致進(jìn)入顯微鏡頭中的光線極少，因此在噴孔外部的液相噴霧區(qū)呈現(xiàn)為黑色，柴油蒸汽及空氣呈透明色。

圖4給出了不同噴射壓力下，一次噴油循環(huán)中噴嘴內(nèi)部燃油的流動特性。可以看出，不同噴射壓力下該噴嘴內(nèi)均產(chǎn)生了強(qiáng)烈的幾何空化和線空化。在噴射初期，隨著針閥開啟，噴嘴內(nèi)的殘余氣泡與上游燃油經(jīng)噴嘴壓力腔（SAC）進(jìn)入噴孔，流道方向與截面的突變導(dǎo)致噴孔入口附近形成局部低壓區(qū)，誘導(dǎo)產(chǎn)生幾何空化。幾何空化迅速延伸至噴孔出口，發(fā)展為超空化流態(tài)。同時，噴嘴內(nèi)產(chǎn)生了線空化，噴孔內(nèi)強(qiáng)烈的超空化導(dǎo)致孔內(nèi)線空化難以區(qū)分，但在針閥抬起和落座階段可清楚觀察到SAC內(nèi)部的線空化現(xiàn)象。這主要是因?yàn)獒橀y運(yùn)動改變了上游流道橫截面，影響了噴嘴內(nèi)部流體的壓力演變和速度場，而在針閥升程處于比較低的位置時，由于流道截面減小流體速度大幅提升，并沿著針閥錐面及底部進(jìn)入SAC，形成較強(qiáng)的渦旋結(jié)構(gòu)，從而誘發(fā)渦線空化的產(chǎn)生。

考慮到透明噴嘴的材質(zhì)強(qiáng)度以及試驗(yàn)重復(fù)性，噴油壓力設(shè)置為50、60、70、80 MPa，噴油持續(xù)期為1 800 μs，進(jìn)行3次重復(fù)試驗(yàn)，得到不同噴射壓力下針閥升程運(yùn)動及線空化強(qiáng)度曲線，如圖5所示。噴射壓力直接顯著影響針閥升程運(yùn)動，隨著噴射壓力增加，針閥抬升速率與最大針閥升程單調(diào)增加，且噴油脈寬也單調(diào)增大，其中，50 MPa噴射壓力下噴嘴的針閥最大升程為0.3 mm。然而，自信號觸發(fā)不同噴射壓力下針閥抬起至最大升程的時刻相近，均約為1 800 μs。同時，隨著噴射壓力增大，針閥落座速率減小，50 MPa噴射壓力下針閥落座最迅速。從噴射壓力對線空化強(qiáng)度的影響可以看出，渦線空化的產(chǎn)生與針閥升程密切相關(guān)，且線空化強(qiáng)度呈現(xiàn)出一定的規(guī)律性：不同噴射壓力噴射末期噴嘴內(nèi)都會出現(xiàn)強(qiáng)烈的線空化現(xiàn)象。此處，線空化二維強(qiáng)度被定義為圖像中的線空化區(qū)面積與噴孔面積的比，詳見文獻(xiàn)［16］。

4 數(shù)值模擬模型驗(yàn)證

基于50 MPa噴射壓力、0.13 mm針閥升程工況下的可視化試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行數(shù)值模擬模型驗(yàn)證，此時在針閥抬起和落座階段噴嘴內(nèi)均產(chǎn)生了穩(wěn)定且強(qiáng)烈線空化與超空化，見圖6。考慮到噴嘴結(jié)構(gòu)的高對稱性，為減少計算成本，計算域選取噴嘴一半結(jié)構(gòu)。由于本研究重點(diǎn)關(guān)注噴嘴內(nèi)部空化流動特性，因此對SAC與噴孔區(qū)域進(jìn)行了局部加密。

為了驗(yàn)證數(shù)值計算結(jié)果網(wǎng)格無關(guān)性，針對表2所示6種尺寸網(wǎng)格開展數(shù)值模擬計算。考慮到透明噴嘴內(nèi)部空化流動的特點(diǎn)，定義SAC腔線空化三維強(qiáng)度I_sac和噴孔空化三維強(qiáng)度I_hole的計算公式為

I_sac=V_cav，sacV_sac （7）

I_hole=V_cav，holeV_hole （8）

式中：V_cav，sac和V_cav，hole分別表示噴嘴壓力腔和噴孔內(nèi)的線空化區(qū)體積；V_sac和V_hole分別表示噴嘴壓力腔和噴孔體積。

圖7給出了不同網(wǎng)格尺寸下噴嘴內(nèi)部空化流態(tài)。由圖可知，方案Ⅰ粗糙網(wǎng)格下噴嘴內(nèi)部幾何空化與線空化形態(tài)均不能被很好刻畫。隨著網(wǎng)格細(xì)化，噴嘴內(nèi)部線空化初生并發(fā)展為貫穿SAC且并連接噴孔中的幾何空化的連續(xù)結(jié)構(gòu)，噴孔中迅速發(fā)展為超空化流態(tài)，并且在線空化作用下超空化呈現(xiàn)出明顯的向噴孔軸線處匯聚趨勢。結(jié)合圖6給出的可視化試驗(yàn)結(jié)果，僅從幾何空化和線空化宏觀形態(tài)看，方案Ⅲ網(wǎng)格已達(dá)到求解精度。圖8給出了不同網(wǎng)格尺寸下，噴嘴內(nèi)部線空化、幾何空化強(qiáng)度及噴孔出口流量特性。由圖8可知，隨著網(wǎng)格細(xì)化，噴嘴內(nèi)部線空化和幾何空化強(qiáng)度逐漸增大，導(dǎo)致噴嘴質(zhì)量流量逐漸減小。當(dāng)網(wǎng)格細(xì)化至方案Ⅳ時，噴嘴內(nèi)部空化現(xiàn)象強(qiáng)度及噴孔質(zhì)量流量趨于穩(wěn)定，呈現(xiàn)出了穩(wěn)定的網(wǎng)格無關(guān)性。同時，方案Ⅳ網(wǎng)格數(shù)值模擬結(jié)果與圖6展示的噴嘴內(nèi)空化形態(tài)可視化試驗(yàn)結(jié)果具有更好的一致性，驗(yàn)證了數(shù)值模型的可靠性。因此，本文在方案Ⅳ網(wǎng)格尺寸下開展噴嘴結(jié)構(gòu)參數(shù)敏感性分析。

5 噴嘴結(jié)構(gòu)參數(shù)敏感性分析

為了探究各結(jié)構(gòu)參數(shù)及兩因素交互作用對噴嘴性能的影響，在Design Expert軟件中，選取常規(guī)兩水平因子設(shè)計中的部分因子設(shè)計方法開展噴嘴結(jié)構(gòu)參數(shù)的敏感性分析。敏感性分析共包含11個結(jié)構(gòu)參數(shù)，均取高（+）、低（－）兩組水平，各因素兩水平取值如表3所示。

鑒于噴嘴各結(jié)構(gòu)參數(shù)之間存在一定的匹配關(guān)系，為保證試驗(yàn)設(shè)計所得到的結(jié)構(gòu)在幾何空間可行，在進(jìn)行試驗(yàn)設(shè)計時需要針對具有關(guān)聯(lián)的結(jié)構(gòu)參數(shù)給出其相對范圍。定義針閥頭部寬度L_Z低水平（－）為SAC半徑的0.2倍，高水平（+）為SAC寬度的1.4倍；噴孔入口圓角半徑r低水平（－）為0，即無倒圓角設(shè)計，高水平（+）為1/3D_in；值得說明的是，噴孔高度H_h是在噴嘴其他結(jié)構(gòu)參數(shù)確定后，根據(jù)噴孔幾何上能達(dá)到的最大噴孔高度H_max和最小噴孔高度H_min，定義低水平（－）為H_min，高水平（+）為H_max，如下所示

H_max=0.8R+D_in2sin θ_h=0.8R+K+100D_out200sinθ_h （9）

H_min=D_in2sin θ_h=K+100D_out200sin θ_h （10）

以流量系數(shù)C_d、空蝕風(fēng)險指數(shù)E_ero、液相近場擴(kuò)散角θ和類噴霧貫穿距P_e作為噴嘴的性能指標(biāo)。其中，C_d與E_ero反映了噴嘴的流動特性，θ與P_e則可以反映近場噴霧的特征。具體地：流量系數(shù)C_d是反映噴嘴流通特性的無量綱參數(shù)，可以衡量噴嘴在給定壓差下對流體的流通能力；E_ero為噴孔區(qū)域內(nèi)傳質(zhì)率大于0（代表空化泡潰滅）網(wǎng)格單元的面積分；P_e為噴孔出口截面上軸向動能與非軸向動能之比，其大小與噴霧貫穿距成正相關(guān)^［29］。θ的定義如圖9所示：基于射流噴霧圖像，首先選取射流近噴孔1/2區(qū)域輪廓（即近噴孔出口下游0.75 mm），隨后以噴孔軸線為基準(zhǔn)，尋找所截取區(qū)域內(nèi)距離該軸線最大距離的坐標(biāo)點(diǎn)e，獲得經(jīng)坐標(biāo)點(diǎn)e的橫截線與射流噴霧區(qū)輪廓線的交點(diǎn)f。分別連接噴孔出口邊界點(diǎn)（點(diǎn)g和h）與坐標(biāo)點(diǎn)e和f形成兩條直線，它們的夾角即為噴孔射流的液相擴(kuò)散角。

結(jié)合噴嘴結(jié)構(gòu)的數(shù)值模擬結(jié)果，采用數(shù)值分析方法量化不同結(jié)構(gòu)參數(shù)對噴嘴各性能指標(biāo)的影響顯著性，結(jié)果如圖10所示。可以看出，噴孔出口直徑、噴孔錐度系數(shù)、針閥升程及噴孔長度4個單因素對噴嘴綜合性能影響最為顯著。噴孔出口直徑強(qiáng)烈影響噴嘴噴霧宏觀特性（液相近場擴(kuò)散角θ和類噴霧貫穿距P_e），同時也強(qiáng)烈影響噴嘴內(nèi)部流動，進(jìn)而影響著空蝕風(fēng)險指數(shù)E_ero，但對噴嘴流量系數(shù)C_d影響不明顯。噴孔錐度系數(shù)K對流量系數(shù)C_d及空蝕風(fēng)險指數(shù)E_ero的影響最為顯著，針閥升程L_n次之。這是由于錐度系數(shù)K強(qiáng)烈影響了噴嘴內(nèi)部幾何空化流動，而幾何空化的形態(tài)及強(qiáng)度與噴孔流量及空蝕密切相關(guān)；隨著針閥運(yùn)動，噴嘴內(nèi)燃油流道結(jié)構(gòu)不斷改變，導(dǎo)致噴嘴內(nèi)出現(xiàn)完全不同的流動狀態(tài)。在針閥升程較低時，燃油流道截面小，燃油流動湍動性增強(qiáng)，誘發(fā)空化現(xiàn)象，導(dǎo)致流量系數(shù)減小，空蝕風(fēng)險增加，噴嘴錐角增大。對于兩因素交互作用影響的敏感性參數(shù)主要包含針閥升程與噴孔高度（L_n、H）、針閥升程與SAC高度（L_n、L₂）。針閥升程、噴孔高度與SAC高度共同決定了燃油進(jìn)入噴孔前的流動特性，進(jìn)而顯著影響了噴嘴的各項(xiàng)性能。一方面，針閥升程與噴孔高度的相對位置對線空化特性具有強(qiáng)烈影響。另一方面，當(dāng)針閥升程與SAC高度較低時，燃油經(jīng)上游流道流入SAC后沒有徑直流向噴嘴孔，而在噴嘴SAC內(nèi)形成了平行于孔軸線的強(qiáng)渦結(jié)構(gòu)，隨著該渦結(jié)構(gòu)發(fā)展到孔內(nèi)，形成起源于針閥錐面的線空化現(xiàn)象；當(dāng)針閥升程與SAC高度較高時，燃油進(jìn)入SAC的入口遠(yuǎn)離噴孔，燃油在SAC腔中向噴孔的轉(zhuǎn)向更加平穩(wěn)，不易誘導(dǎo)空化現(xiàn)象。

6 結(jié) 論

本文結(jié)合噴嘴內(nèi)部流動及噴霧的可視化試驗(yàn)與數(shù)值模擬，探究高壓噴嘴內(nèi)部空化流動的瞬態(tài)特性，并采用常規(guī)兩水平分?jǐn)?shù)因子開展噴嘴幾何結(jié)構(gòu)參數(shù)的敏感性分析，主要結(jié)論如下。

（1）圓柱形噴孔內(nèi)易誘發(fā)強(qiáng)烈的幾何空化，且?guī)缀慰栈c線空化可同時存在于噴嘴內(nèi)部。針閥抬起與落座階段，燃油流入噴孔前在噴嘴壓力腔內(nèi)形成強(qiáng)烈的旋渦，誘發(fā)線空化。

（2）噴孔出口直徑、噴孔錐度系數(shù)、針閥升程及噴孔長度等因素對噴嘴的綜合性能影響最為顯著。噴孔錐度系數(shù)對噴嘴流量系數(shù)和空蝕風(fēng)險指數(shù)影響最顯著，噴孔出口直徑對液相近場擴(kuò)散角和類噴霧貫穿距的影響最顯著。針閥升程與噴孔高度的交互作用以及針閥升程與噴嘴壓力腔高度的交互作用對噴嘴性能的影響亦不容忽視。

（3）噴嘴綜合性能差異受噴嘴內(nèi)部流動特性強(qiáng)烈影響，尤其是幾何空化與線空化現(xiàn)象。幾何空化與線空化現(xiàn)象均具有優(yōu)化燃油霧化特性的潛力，但也會降低噴嘴流通特性并加劇空蝕風(fēng)險。與幾何空化相比，線空化對噴霧宏觀特性的影響更為顯著，且對流通特性及空蝕風(fēng)險的影響較小，具有更好的應(yīng)用前景。

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（編輯 亢列梅）