柴油机双层多孔喷油嘴内部空穴两相流动研究

王 谦，李 念，何志霞，闫 毅，张 亮

柴油机双层多孔喷油嘴内部空穴两相流动研究

王 谦，李 念，何志霞，闫 毅，张 亮

（江苏大学能源与动力工程学院，江苏镇江，212013）

针对柴油机喷油嘴内部两相流动影响柴油的雾化质量、燃烧特性及整车的排放特性，而柴油机喷油嘴头部细微结构的变化显著影响喷油嘴内部流动等问题.以某型国产喷油器喷油嘴为对象，在X射线精确测量其几何结构参数的基础上建立物理模型，基于多维数值模拟软件AVL FIRE对喷孔内部空穴两相流动特性进行模拟，分析不同位置喷孔及不同喷射压力对喷孔内部两相流动特性的影响.结果表明：同一喷射压力下，上下层喷孔位置对喷孔内部空穴产生时刻、分布区域及强度都产生影响，压力分布、液相速度分布及液相湍动能分布也各不相同；不同喷射压力下，空化强度随喷油压力的增加而提高.

喷油嘴；空穴两相流动；位置；喷射压力；AVL FIRE；数值模拟

numerical simulation

面对日益严格的排放法规及世界范围内石油资源的枯竭，对柴油机燃烧和排放性能提出越来越高的要求，提高柴油机经济性、改善排放的一个重要手段是改进燃油喷射技术，其喷射系统参数的设计对柴油机的燃烧排放特性有重要影响［1-2］.而喷射系统的重要组成部分是燃油喷油器，其结构参数对喷孔内燃油流动有重要影响.由于喷油嘴结构复杂，喷孔内部流动空间几何尺寸小，燃油又以极高的压力和速度流过喷孔，且喷孔内流有很高的湍流强度，因此直接观察与测量孔内的流动非常困难.而且，喷孔内部流动是伴随有空穴现象的气液两相流问题，因此试验测量难度加大.多维数值模拟方法能够详细描绘喷嘴内部流场变化，获得更加精确的结果［3-5］.其模拟结果的准确性可通过采用相似性透明喷嘴的可视化试验进行验证.笔者根据X射线测试方法获得喷嘴内部详细几何结构参数并建立数值计算物理模型，基于此，开展喷嘴内空穴两相流动的3维数值模拟，分析喷孔所处的不同位置及不同喷油压力对喷嘴内瞬态流动特性的影响，为设计出能提高喷雾质量的喷孔结构提供理论依据.

1 物理模型及数学模型

1.1 物理模型

本研究的对象是某型国产双层交错喷孔的喷油器喷油嘴.为了获得喷嘴内部几何结构的详细信息，采用同步辐射高能X射线对试验用双层8喷孔喷油嘴进行了3维CT（computed tomography）扫描，在不损坏喷嘴的情况下获得喷嘴内部结构的高精度3维图像，为数值模拟提供精确的物理模型.

试验在上海光源“X射线成像及生物医学应用光束应用线站”上完成，该线站采用Wiggler光源，光子能量调整范围为8.0～72.5 keV，能量分辨率（ΔE/E）小于3×10-3，最大束斑尺寸为48 mm（H）×5.3 mm（V），光子通量密度为1.9× 1010phs·s-1·mm-2.光源点到样品台原点的距离为34 m，探测器前后可调的距离为8 m，可通过精密导轨调节（精确到μm）.测量过程中，同步辐射存储环内的电子经过磁场转向时辐射出高能X射线后再经过一系列处理后，当这些射线的能量被调整为55 keV之后穿透喷油器前端照射到闪烁晶体上，转变为普通可见光，通过快速CCD相机就可接收喷油器前端图像.喷油器在样品旋转台上以1.8（°）·s-1的速度旋转180°，完成断层扫描.在旋转过程中，每0.2°拍摄1幅X射线吸收到的图像，图像曝光时间为30 ms，图像设计空间分辨率为500 nm［6-7］.图1为试验喷嘴的X射线CT成像过程，包括X射线源的产生、X射线对喷嘴的透射、透射后的X射线探测、计算机成像以及图像处理等过程.

试验测量得到的双层8喷孔交错布置喷嘴结构及喷孔位置结构关系3维造型图如图2所示，图中显示了8个喷孔的位置结构关系.

图1 喷嘴X射线3维CT成像过程

图2 喷油嘴3维造型及断层切片图像

从图2可以看出：8个喷孔形状大小基本相同，均匀分布于上下层2个圆周上，每层各4个喷孔，沿周向交错均匀分布，具有周期性.在保证能够比较上下层喷嘴内流动特性的基础上，为减小计算量，选取完整喷嘴的1/4（选取含有2个分布在不同圆周上的喷孔区域）建立模型来模拟8喷孔喷油器喷嘴内部两相流动.依据X射线测得喷孔的精确几何结构在3维UG制图软件中建立的柴油机喷油嘴流体流经区域模型图如图3所示，喷孔直径D=0.18 mm，孔长L=0.65 mm，上下层喷孔的高度差Δh约为0.12 mm.

图3 柴油机喷油嘴模型图

1.2 数学模型

利用CFD商业软件AVL fire对双层交错均匀分布的8喷孔喷油嘴喷嘴内部的3维空穴流动进行计算，软件中多相流模型是基于欧拉-欧拉方法，它包含3个模型：均匀模型、多相流模型和流体体积（VOF）自由面法.其精度依次提高.均质模型是使用统一的动量方程对各相流体的守恒方程分别进行求解；VOF法与均质模型相似，它的流体体积方程求解精度相对较高；多相流模型是对各相的动量方程及守恒方程进行分别求解［8］.文中选用多相流模型求解.

喷嘴3维空穴两相流动湍流模型的基本控制方程连续性方程、动量方程、气相输运方程、单个气泡的成长破碎过程方程、k-ε方程以及壁面规律方程等的具体描述形式如下［9-10］：

连续性方程为

式中：ρ为混合密度；t为时间；v为流速.

动量方程为

式中：p为压力；F为体积力；μ为混合黏度；T为温度.

气相输运方程为

式中：n0为单位体积纯液体中所含气泡数；ρ1为纯液相密度；ρ2为纯气相密度；α为气体体积分数.

单个气泡的成长破裂过程，可以根据Rayleigh-Plesset方程得

式中：pB为气泡内压力；σ为表面张力系数.

式中：

式中：Cμ=0.09；k为湍动能，k=0.42；ε为耗散率.壁面方程为

式中：u+为速度；B=5.44；y为壁面距离；y+为距壁面的量纲一距离；u为速度沿壁面的切向分量；uτ为切应力速度；υ为动力黏度.

离散方程均采用基于内节点的有限容积法，对压力场的修正采用SIMPLE算法，动量相和连续相的空间差分采用2阶中心差分，其余相采用1阶迎风格式.进出口均采用压力边界，在计算过程中，针阀升程固定在最大0.35 mm处，出口压力为6 MPa.计算时假设柴油为不可压缩流体，喷油嘴内的气液两相流计算采用欧拉-欧拉算法，壁面边界条件采用标准函数法；采用分块耦合、局部加密的方法生成3维结构化网格，网格单元数为190 656，计算区域网格如图4所示.

图4 喷油嘴计算网格

2 计算结果及分析

2.1 上下层喷孔内流动特性对比分析

喷射压力为80 MPa，背压为6 MPa时，8喷孔喷油嘴上下不同位置处的2喷孔孔内的空穴现象产生时刻及空穴、压力、液相速度和液相湍流动能的分布随喷射时间变化的情况如图5所示，t1为喷射时间，本次计算的喷油持续时间为2 ms.

由图5可以看出：喷孔的上下层位置不仅影响空穴现象的产生时刻，而且对喷孔内空穴现象的分布也有显著影响；上层喷孔较之下层喷孔，其孔内产生空穴的时刻提前，且空化现象发展更加迅速，上层喷孔内形成的空化区范围和强度显著提高，而下层喷孔空穴现象产生晚，发展缓慢，下层喷孔的空穴区不能延伸至喷孔出口，只能呈现部分空化流状态；这种差异主要是由喷油嘴上下层喷孔入口锐边过渡不同引起的喷孔内部流动状态的不同所造成的，并且喷孔内流动状态、各相参数在喷油开始后的0.000 2 s基本达到稳定状态，在之后的喷射时间里孔内流动状态基本稳定；上层喷孔的锐边过渡小于下层喷孔，而随着喷孔锐边过渡的减小，喷孔入口拐角减小，液相主流的突变程度增强，更易于与喷孔壁面产生流动分离，入口拐角处压力降更加显著，喷孔内部空穴区延伸范围和强度增加；同时，由于空化程度的加强，也使得液相的湍流程度显著增强，出口状态更为紊乱，油束破碎得到强化，能取得更好的雾化效果.

图5 上下层喷孔孔内空穴、压力、液相速度和液相湍动能的分布随喷油时间的变化

2.2 不同喷油压力下上层喷孔内流动特性的比较

喷油压力对空穴、压力、湍流速度和液相湍动能分布的影响如图6所示，p为喷油压力，由于下层喷孔在很高的喷油压力下，空穴不但产生晚而且发展缓慢，空穴强度也很小，且一直呈现部分空化流状态，所以取上层喷孔进行比较分析喷油压力对孔内流动状态的影响.为更精确地分析现象，分别取每种工况下上层喷孔的3维图（上）和2维中心截面图（下）进行对比分析.在背压为6 MPa时，喷油压力为20，50，80，110 MPa的情况下孔内空穴、压力、速度和湍动能的分布情况如图6所示，当喷油压力较小时，孔内有较低的流动速度，漩涡区静压下降趋势减缓，这种情况会抑制气泡的产生.而后，随着喷油压力的升高，空穴现象产生时刻提前，喷孔内流动速度会加大，漩涡区范围也会加大，流场静压会进一步地降低，促进空穴气泡的产生，空穴区范围和强度均会增强.同时，当喷油压力很高（50，80，110 MPa）时，空穴层基本上是紧贴喷孔壁面延伸至喷孔出口的，而且空穴区域不再随喷油压力的进一步升高而发生明显变化；但是，当喷油压力比较小时，空穴区延伸长度开始明显缩短，流体空穴区域范围、速度和强度也都相应减小，至20 MPa时，空穴气泡达到出口之前就已全部溃灭，呈现部分空化流状态.

图6 喷油压力对空穴、压力、湍流速度和液相湍动能分布的影响

3 结 论

1）同一喷油压力下，喷油嘴上下层不同位置处喷孔的内部流动状态有显著差别.上层喷孔与下层喷孔相比，孔内空穴现象出现的时刻明显提前，而且空化现象发展更加迅速，喷孔内形成的空化区范围增加，空化强度提高.

2）当喷油压力较小时，上层喷孔内流动速度较低，抑制气泡的产生，会呈现部分空化流状态；而后，随着喷油压力升高，空穴现象产生时刻提前，喷孔内流动速度加大，促进空穴气泡的产生，空穴区强度和范围都增强；当喷油压力很高（＞80 MPa）时，空穴区域不再随喷油压力的进一步升高而发生明显变化.

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（责任编辑 贾国方）

Cavity flow in double-layer multi-holes diesel injector nozzle

Wang Qian，Li Nian，He Zhixia，Yan Yi，Zhang Liang
（School of Energy and Power Engineering，Jiangsu University，Zhenjiang，Jiangsu 212013，China）

In diesel engines，the cavity flow in nozzles not only greatly affects the characteristics of fuel atomization，but also has great influence on the subsequent combustion and exhaust emissions.However，the changing of detail structure of diesel nozzle tip greatly affects the flow characteristics in the nozzle hole.Taking a certain type of nozzle as research object，the simulative calculation model of multi-phases flow in the engine nozzle hole with high-pressure injection was established by AVL FIRE software. The effects of different orifice position and injection pressure on the characteristics of two-phase flow were investigated.The results show that when the injection pressure is fixed，the happened moment，the distribution region and the intension of cavitation in nozzle are affected by nozzle position，and the distribution of pressure，the turbulence velocity and the liquid turbulence energy are also different. When the injection pressure changes，the intension of the cavitation phenomena is promoted by the increase of injection pressure.

injector nozzle；cavity flow；position；injection pressure；AVL FIRE；

TK421.5

A

1671-7775（2015）02-0142-06

王 谦，李 念，何志霞，等.柴油机双层多孔喷油嘴内部空穴两相流动研究［J］.江苏大学学报：自然科学版，2015，36（2）：142-147.

10.3969/j.issn.1671-7775.2015.02.004

2014-06-09

国家自然科学基金资助项目（51276084）；江苏高校优势学科建设工程项目（苏财教［2011］8号）

王 谦（1968-），男，江苏镇江人，教授，博士生导师（qwang@ujs.edu.cn），主要从事热力机械工作过程的研究.李 念（1990-），女，江苏镇江人，硕士研究生（Nnianli1990@163.com），主要从事动力机械工作过程的研究.