多孔引燃柴油喷射器瞬态柴油初始喷雾过程模拟计算

李孟涵， 宫婷婷， 李贯， 张海涛， 李国祥

(1. 山东大学能源与动力工程学院， 山东 济南 250061； 2. 龙口龙泵燃油喷射有限公司， 山东 烟台 265701)



多孔引燃柴油喷射器瞬态柴油初始喷雾过程模拟计算

李孟涵1， 宫婷婷1， 李贯2， 张海涛2， 李国祥1

(1. 山东大学能源与动力工程学院， 山东 济南 250061； 2. 龙口龙泵燃油喷射有限公司， 山东 烟台 265701)

采用模拟计算的方法对多孔引燃柴油喷射器瞬态柴油初始喷雾过程进行了研究，并利用纹影试验结果对计算模型进行了验证。研究结果表明，KHRT模型对多孔引燃柴油喷射器柴油初始喷雾的贯穿距和喷雾形状的预测与试验结果均较为吻合；柴油初始喷雾贯穿距随背压升高而减小，随环境温度的升高而增大；索特平均直径随背压的升高而降低，随环境温度的升高而增加；喷雾锥角随背压的升高而增大，随环境温度的升高而减小；因此背压较小，环境温度较低时柴油的引燃可靠性较高。

柴油； 燃油雾化； 贯穿距； 索特平均直径

随着排放法规的日益严格和能源问题的日益突出，微量柴油引燃气体发动机成为国内外研究的热点。普通柴油喷油孔直径大，当引燃量少时，喷射时间短、贯穿度低、引燃可靠性差。为了提高天然气替代率和燃烧速度，通常采用减小喷嘴直径的方法，改善引燃效果。

对于以柴油为引燃源的多燃料发动机，柴油的雾化情况直接影响到发动机的燃烧效率和排放水平。目前针对于柴油喷雾的研究有两种方式：第一种是以基本的流体和热力学理论为基础，结合三维流体计算软件，对喷雾过程进行的仿真模拟计算[1]；另一种是以光学试验为基础，采用先进的高速摄影和图像处理技术，实时记录喷雾过程[2-3]。

目前，对柴油喷雾的研究主要集中于纯柴油机所用喷油器的喷射特性[4-8]，对于喷孔直径较小、喷射脉宽较短、喷油量较小的多孔引燃柴油喷射器喷射特性的研究比较有限，并且由于柴油喷雾的初始阶段喷束结构紧密，液滴与环境气体的相互作用更为强烈，模拟的难度较大，一直是喷雾仿真计算的研究重点。本研究将三维模拟计算与光学纹影技术相结合，针对多孔引燃柴油喷射器瞬态柴油初始阶段喷雾过程的模拟计算方法进行了探索，并研究了不同背压、环境温度对该型柴油初始阶段喷雾的影响。

1 试验装置及试验方案

1.1 试验装置

喷雾纹影试验装置见图1，主要包括定容装置、光源、高速摄影机及柴油供给装置。试验用喷油器为九孔喷油器，喷孔直径为0.125 mm；定容装置中充满高压氮气，氮气的压力通过氮气管路上的压力调节装置进行控制；高速摄像机图像分辨率为1 280×1 024，最短曝光时间为5 μs；柴油泵为柴油轨提供一定压力的柴油，柴油的压力可以根据需要调节。

1.2 试验方案

试验中定容装置内氮气的压力设置为4 MPa，定容装置内的温度稳定在20 ℃，柴油的喷射压力设置为30 MPa，喷射脉宽为1.0 ms，此喷射压力多用于以柴油为引燃源的直喷天然气发动机。重点研究柴油喷雾在初始阶段(0～0.4 ms)的发展状况，在0～0.4 ms内每隔0.05 ms用高速摄像机记录柴油喷雾瞬态纹影图像，同一时刻记录10次，并对所得图像进行平均化处理分析。

2 柴油喷雾模拟

2.1 模型选择

湍流模型选择κ-ε模型，柴油喷雾的湍流扩散子模型采用O’Rourke模型，柴油喷雾的液滴相互作用子模型选择Nordin模型，喷雾的蒸发子模型选择多组分模型。液滴破碎雾化模型对于柴油喷雾模拟至关重要，因此，采用3种常用破碎雾化模型对柴油喷射进行模拟，并根据试验数据选取模拟准确性较高的模型。

2.1.1WAVE标准模型

液体表面初始扰动的增长与扰动的波长以及所喷射燃料和环境流体的物理和动力学参数有关[9]。基于线化稳定性理论和扰动波分析的WAVE模型包含两种破碎方式，即针对于高速流体的破碎方式以及低速雷诺破碎方式。对于高速流体破碎方式，破碎液滴的尺寸与增长最快或最不稳定的扰动波的波长相同，而对于低速雷诺破碎方式，破碎产生的液滴尺寸要大于原始液滴尺寸，这种破碎方式不适用于高压喷射。WAVE模型原始液滴半径的衰减率为

(1)

(2)

rstable=C1·Λ，

(3)

(4)

(5)

T=Oh·Weg0.5。

(6)

式中：r为原始液滴半径；rstable为破碎液滴半径；τa为模型的破碎时间；Λ为增长率最快的不稳定波波长；Ω为不稳定波的增长率；ρg为气体密度；σ为液体表面张力；Oh为奥内佐格数;Weg为气体韦伯数。

2.1.2KH-RT模型

在KH-RT模型中KH不稳定波和RT扰动在液滴破碎过程中始终处于竞争状态。在高速和高环境密度的工况下，KH表面波对液滴破碎过程起主导作用，而液滴快速减速时会导致表面波在液滴滞止点的增长，这时RT扰动的作用不可忽略。KH不稳定波用Wave模型来表述，RT扰动可用增长率最大的不稳定波的频率Ωt及其波数Kt来表述：

(7)

(8)

式中：gt为传播方向的减速度；ρl为液体的密度；ρc为连续相的密度；τt为RT扰动的破碎时间；Λt为RT扰动波的波长；C1，C2为常数。

2.1.3FIPA模型

在FIPA模型中，初次和二次破碎采用不同的计算方式。初次破碎采用基于液体表面扰动的WAVE模型进行计算，二次破碎采用Pilch和Erdman提出的经验公式计算，该模型将液滴的破碎时间作为液滴破碎计算的基本参数，模型中定义的液滴破碎时间为

(9)

式中:τbu为量纲1非黏性流体的破碎时间；ρl为液体密度；ρg为气体密度；d为液滴直径；Vr为气体和液体的相对速度。

图2示出采用不同液滴破碎模型时模拟柴油喷雾贯穿距与试验测量贯穿距的对比。图3示出采用不同液滴破碎模型时所得到0～0.4 ms柴油喷雾的发展过程与纹影试验结果的对比，时间间隔为0.10 ms。

由图2可知，KH-RT与WAVE破碎雾化模型对柴油初始喷雾贯穿距的预测值与试验值均有较好的吻合度，而FIPA模型在0.10～0.20 ms之间对贯穿距的预测值偏小，在0.20～0.35 ms之间对贯穿距的预测值偏大。由图3中各破碎模型与试验纹影图像对比可知，KH-RT模型对柴油初始喷雾形状模拟的准确性较高，WAVE模型对于径向破碎的预测不足，因此采用KH-RT模型对柴油初始喷雾的液滴破碎雾化过程进行模拟分析。需要指出的是，KH-RT模型虽然对多孔引燃柴油喷射器瞬态柴油初始喷雾的贯穿距和基本外部形态有较好的预测准确性，但对索特平均粒径具体尺寸的预测精确度有一定的误差。因此，本研究对索特平均粒径的预测仅限于定性研究，即仅仅反应索特平均粒径的变化趋势，而难以实现对索特平均粒径真实尺寸的准确预测。

2.2 背压对柴油初始喷雾的影响

保持环境温度为293 K不变，计算不同背压下柴油喷雾的发展过程。图4示出不同背压下柴油喷雾贯穿距的模拟结果，图5示出不同背压下柴油喷雾索特平均直径的模拟结果。由图4可见，背压提高后，环境气体密度也相应提高，环境气体对柴油喷雾的阻滞作用增加，柴油喷雾的动能衰减加快，喷雾贯穿距随背压的升高而缩短[10]。喷射时间在0～0.10 ms时，不同背压下喷雾贯穿距差距较小，这是因为在此阶段喷雾的运动主要受喷孔几何尺寸以及燃油本身性质的影响，受环境气体的影响较小，喷射时间越长，柴油喷雾贯穿距越长，受到周围环境气体的阻力越大，不同背压下柴油喷雾贯穿距的差距越明显。背压在4～7 MPa之间时，背压对柴油喷雾贯穿距的影响较大，背压大于7 MPa后，空气密度的变化幅度减小，背压对柴油喷雾贯穿距的影响减弱。由图5可见，索特平均直径随喷射时刻的推迟而变小，且背压越高，气液交界面上的扰动越剧烈，促进了液滴的破碎，索特平均直径越小；0.25 ms以后，各背压下的柴油喷雾索特平均直径变化较小。

图6示出不同背压下0.4 ms时柴油喷雾外部形态，图7示出不同背压下0.4 ms时柴油喷雾y截面速度云图。由图6可见，背压越高，柴油喷雾的长度越短，柴油喷雾向径向发展的趋势增大，喷雾锥角越大；虽然液滴的索特直径有一定程度的降低，但喷雾的贯穿距减小幅度较大，喷雾过于集中于喷嘴附近，柴油的雾化质量降低。由图7可见，背压增大时，喷雾最高速度略有降低，喷雾中心高速区的面积也相应降低，喷雾的空间分布状态恶化。

2.3 环境温度对柴油初始喷雾影响

保持背压为4MPa不变，计算不同环境温度下柴油喷雾的发展过程。图8示出不同环境温度下柴油喷雾的贯穿距，图9示出不同环境温度下柴油喷雾的索特平均直径。由图8可知，环境温度越高，定容装置中气体的密度越小，环境气体对柴油喷雾的阻滞作用越小，且柴油的蒸发加快，喷雾贯穿距随之升高。环境温度在300～600K范围内时，环境温度对柴油初始喷雾的影响较大，环境温度高于600K时，液滴蒸发速度的趋势减缓，喷雾贯穿距受环境温度的影响相对较小。由图9可知，环境温度升高时，

由于气体密度减小，气体和液体之间的相互作用减弱，柴油喷雾的索特平均直径降低的速率减慢。当温度高于400K时，由于液滴与环境气体之间的剪切应力降低，液滴碰撞聚合的倾向增大，索特平均直径在0.15ms之后出现波动。

由图10可见，环境温度提高时柴油喷雾向径向发展的趋势减弱，喷雾锥角减小；同时因为温度提高时环境密度有所降低，液滴破碎减慢,喷雾根部越发紧密，液滴平均粒径变大；虽然柴油喷雾头部的液滴雾化改善，但喷雾头部涡流运动强，柴油浓度较大，并非柴油喷雾的引燃位置，因此随环境温度的升高，柴油喷雾整体雾化质量降低，引燃难度增大。

由图11可见，温度升高后，柴油喷雾轴向发展的空气阻力减小，液滴动能耗散速率降低，柴油喷雾最高速度略有升高，柴油喷雾中心高速区面积增大。说明随温度的升高，整个喷雾的动能耗散降低，虽然喷雾的贯穿距增大，但是脱离柴油主喷雾的液滴较少，不利于可燃混合气的快速形成和之后柴油的引燃。

3 结论

a) 通过与纹影试验结果对比可知，KH-RT液滴破碎模型对多孔柴油初始喷雾的模拟准确度较高；

b) 柴油初始喷雾贯穿距和索特平均直径随背压的升高而降低，喷雾锥角随背压的升高而增大，因此背压的增加不利于多孔柴油喷雾在初始阶段的发展；

c) 环境温度升高后，柴油初始喷雾贯穿距增大，喷雾锥角减小，但柴油初始喷雾的索特平均直径也同时增大，总体雾化质量变差，不利于柴油喷雾后续的引燃过程。

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[编辑： 潘丽丽]

Numerical Simulation of Diesel Transient Initial Spray for Multi-hole Pilot Diesel Injector

LI Menghan1, GONG Tingting1, LI Guan2, ZHANG Haitao2， LI Guoxiang1

(1. Department of Energy and Power Engineering, Shandong University, Ji’nan 250061, China；2. Longbeng Fuel Injection Co.， Ltd., Yantai 265701, China)

The spray transient characteristics of multi-hole pilot diesel injector were studied by numerical simulation and the computational model was verified with schlieren visualization method. The results indicated that the predicted spray penetration and spray shape of KHRT model were in good agreement with the experimental results. The penetration of initial diesel spray and Sauter mean diameter decreased with the increase of back pressure and increased with the rise of ambient temperature and the trend of spray cone angle were opposite. Accordingly, the ignition reliability of diesel was high under the low back pressure and ambient temperature.

diesel; fuel spray; penetration; Sauter mean diameter

2015-02-09；

2015-04-09

国家高技术船舶科研项目(2060303)

李孟涵(1990—)，博士，主要从事天然气发动机燃烧过程研究；sdulmh@163.com。

10.3969/j.issn.1001-2222.2015.04.010

TK421.43

B

1001-2222(2015)04-0049-05