双层交错多孔喷嘴喷雾特性仿真与试验研究*

黄 康，欧阳光耀，安士杰，常汉宝

(1.中国空气动力研究与发展中心高速所，绵阳 621000； 2.海军工程大学动力工程学院，武汉 430033)



2015090

双层交错多孔喷嘴喷雾特性仿真与试验研究*

黄 康1,2，欧阳光耀2，安士杰2，常汉宝2

(1.中国空气动力研究与发展中心高速所，绵阳 621000； 2.海军工程大学动力工程学院，武汉 430033)

本文中采用高速摄影和图像处理技术，研究了双层交错多孔喷嘴的喷雾特性，获取了喷雾的特性参数，对比了双层交错多孔喷嘴与传统单层喷嘴的喷雾贯穿距和喷雾锥角。结果表明，双层交错多孔喷嘴喷雾贯穿距较短、喷雾锥角较大。同时建立了与定容室内喷雾发展过程的仿真模型并进行了仿真，双层交错多孔喷嘴喷雾贯穿距的仿真结果与试验数据很接近，验证了所建模型的准确性。

双层交错多孔喷嘴；喷雾贯穿距；喷雾锥角

前言

柴油机传统燃烧方式属于喷雾的扩散燃烧，因此在柴油机工作过程中喷雾特性对燃烧排放性能的优劣起决定性的影响[1-2]。双层交错布置多孔喷嘴的喷孔采用上下两层交错布置方式，目的是使燃油在燃烧室空间内在轴向和周向上尽可能地均匀分布，减少燃烧过程中的高温富油区[3]。

对于双层交错布置的多孔喷嘴，喷孔布置方式与传统喷嘴有很大不同，必将导致喷雾形态的改变。因此对双层交错布置多孔喷嘴高压喷射雾化和油束特性进行深入的研究，是进一步改善发动机燃烧特性与排放特性的迫切需要，也是准确模拟采用双层交错布置多孔喷嘴的柴油机燃烧过程的一个关键因素。

本文中采用高速摄影技术对双层交错布置多孔喷嘴和传统单层喷嘴在定容室内的喷雾发展过程进行高速摄影研究。

1 试验装置简介

高压喷射高速闪光摄像测试台架示意图如图1所示。燃油喷雾高速闪光摄像测试台架由高压油泵、共轨管路、电控喷油器和ECU等组成。拍摄系统采用FastCAM-APX120K CCD高速摄影仪，在拍摄速率为10 000fps下，拍摄的有效像素为512×256，光谱响应范围为0.4～1.1m。控制系统是由电脑操纵的控制端，与ECU和驱动电路连接。背压系统用于燃烧室的静态模拟。

2 试验方案

试验主要研究单层喷嘴和双层交错布置多孔喷嘴的喷雾特性，试验方案见表1。试验环境温度27℃，高压共轨腔压力保持在120MPa，喷油脉宽为2ms，喷射用柴油为0#轻柴油。传统单层喷嘴和双层交错布置多孔喷嘴头部放大图如图2所示。

表1 喷雾试验方案

3 仿真模型与计算网格

AVL公司的Fire软件对喷雾的模拟采用离散液滴模型(DDM)，本文中选用KH-RT二次油滴破碎模型模拟燃油的二次破碎过程，选用Nordin模型模拟燃油液滴的碰撞聚合。

计算网格如图3所示。将前期双层交错布置多孔喷嘴内流场计算出nozzle文件作为边界条件导入，使喷孔内流场与喷雾发展过程耦合起来，进行喷雾的数值模拟。计算初始条件设置与试验条件相同，喷射压力为120MPa，喷射脉宽为2ms，喷射背压为3MPa。

4 仿真和试验结果及分析

4.1 双层交错布置多孔喷嘴与单层喷嘴喷雾的比较

图4为单层喷嘴和双层交错布置多孔喷嘴喷雾过程的侧向喷雾图像，背压为大气压。由图可见，双层交错布置多孔喷嘴由于喷孔采用上下层交错布置，喷雾作用范围明显增大，非常适用于提高喷雾过程中燃油在燃烧室内的均匀分布。

图5为单层喷嘴和双层交错布置多孔喷嘴在喷射压力为120MPa、喷油控制脉宽为2ms和背压为3MPa时，从喷油器底部拍到的喷雾发展过程。从图中可以看出，双层交错布置多孔喷嘴相邻雾束间存在一定的差异，这主要是因为相邻喷孔采用上下层布置方式，上下层喷孔喷射夹角不同所致。

在相同的喷射压力、喷射背压下，双层交错布置多孔喷嘴和单层喷嘴的喷雾贯穿距如图6所示。由图可见，在同一时刻下，双层交错布置多孔喷嘴的喷雾贯穿距要明显小于单层喷嘴的喷雾贯穿距。因此，双层交错布置多孔喷嘴能避免或减轻喷雾与燃烧室壁面或气缸壁面的撞壁现象。

图7为由喷雾照片处理而得的双层交错布置多孔喷嘴和单层喷嘴喷雾对应图像的喷雾锥角。从图中比较得出，双层交错布置喷孔油嘴的喷雾锥角比单层喷嘴的喷雾锥角要大。主要是因为双层交错布置多孔喷嘴喷孔直径较小，燃油从喷孔喷出后发生二次破碎的距离提前，燃油索特平均直径减小，燃油颗粒易受空气阻力的影响而发生运动偏移。

4.2 双层交错布置多孔喷嘴喷雾发展过程仿真结果

图8为双层交错布置多孔喷嘴在定容室内喷雾过程侧面及底部图像。图9为试验测试所得喷雾贯穿距与仿真值的比较。由图可见，双层交错布置多孔喷嘴喷雾贯穿距试验值与仿真值吻合较好，说明喷雾模型参数设置较为合理，能较好地模拟燃油喷雾过程。

5 结论

建立了定容室内的双层交错布置多孔喷嘴喷射模型，并采用高速摄像技术，研究了双层交错布置多孔喷嘴与单层喷嘴的喷雾特性的差异，对喷雾特性参数进行了分析，并验证了所建喷雾模型的正确性，得出了以下结论。

(1) 通过比较分析单层喷嘴与双层交错布置多孔喷嘴的喷雾特性，得出双层交错布置多孔喷嘴的喷雾贯穿距比单层喷孔喷雾贯穿距要小，喷雾锥角较大。

(2) 通过喷雾特性试验研究中获得的试验数据，验证了喷雾仿真模型，仿真所得喷雾贯穿距与试验所得喷雾贯穿距吻合较好，说明所选喷雾模型和网格尺寸可以较好地模拟喷雾过程。

[1] 蒋德明.内燃机燃烧与排放学[M].西安:西安交通大学出版社,2001.

[2] 苏万华,赵华,王建昕,等.均质压燃低温燃烧发动机理论与技术[M].北京:科学出版社,2010.

[3] 黄康,欧阳光耀,安士杰,等.双层交错布置多孔喷嘴设计与仿真研究[J].上海交通大学学报,2013(3):434-437.

[4] Benajes J, Pastor J V, Payri R, et al. Analysis of the Influence of Diesel Nozzle Geometry in the Injection Rate Characteristic[J]. Journal of Fluids Engineering,2004,126(1):63-71.

[5] Ahmet Kilic. Influence of Nozzle Parameters on Single Jet Flow Quantities of Multi-Hole Diesel Injection Nozzles[C]. SAE Paper 2006-01-1983.

[6] Inderpal S, Lurun Z, Minq-Chia D, et al. Effect of Nozzle Hole Geometry on a Hsdi Diesel Engine-Out Emissions[C]. SAE Paper 2003-01-0704.

[7] AVL-Fire Reference Manual, Version8.5[EB/OL]. http://www.avl.com,2006-12.

Simulation and Experimental Study on the Spray Characteristics ofDouble-row Staggered Multi-hole Nozzle

Huang Kang1,2, Ouyang Guangyao2, An Shijie2& Chang Hanbao2

1.TheHighSpeedAerodynamicInstitute,ChinaAerodynamicResearchandDevelopmentCenter,Mianyang621000;2.PowerEngineeringAcademy,NavyUniversityofEngineering,Wuhan430033

In this paper, by using the technologies of high-speed photography and image processing, the spray characteristics of double-row staggered multi-hole nozzle is studied with the spray characteristic parameters obtained and the spray penetration distance and cone angle of double-row staggered multi-hole nozzle and traditional single-row nozzle compared. The results show that the spray penetration distance of double-row staggered multi-hole nozzle is shorter and its spray cone angle is larger, compared with traditional single-row nozzle. Meanwhile a simulation model for spray development process in constant volume chamber is established and a simulation is conducted with the simulation result of the spray penetration distance of double-row staggered multi-hole nozzle very close to test data, verifying the correctness of the model built.

double-row staggered multi-hole nozzle; spray penetration distance; spray cone angle

*国防“十二五”预研项目(2010701010101)资助。

原稿收到日期为2013年10月9日，修改稿收到日期为2013年11月13日。