喷射参数对燃油闪急喷雾特性的影响研究

周乃君　王　元　杜志环　张诗典（中南大学能源科学与工程学院　湖南 长沙　410083）

喷射参数对燃油闪急喷雾特性的影响研究

周乃君王元杜志环张诗典
（中南大学能源科学与工程学院湖南 长沙410083）

基于FLUENT程序建立了燃油闪急雾化的计算模型，对油温、喷射压力及喷嘴直径等参数对喷雾特性的影响进行了数值模拟。研究结果表明：在燃油闪急喷雾过程中，升高温度可有效地减小液滴索特尔平均直径，使燃油分布更加均匀细化；小直径喷嘴有利于改善雾化质量；但是提高喷射压力所起的作用并不显著。

内燃机 闪急沸腾喷射 数值模拟

引言

燃油雾化作为内燃机燃烧的关键环节之一，直接影响了发动机的动力性、经济性、排放性及寿命。燃油喷雾是一个复杂的物理过程，其中油温、喷射压力及喷嘴直径等参数都会影响燃油的破碎、碰撞、聚合以及分裂雾化过程，进而影响燃油喷雾的速度场、粒径场及浓度场分布。高温燃油的闪急雾化技术，能够使液滴分裂破碎得更加均匀细化，改善了燃油在气缸内的时空分布，显著地改善了发动机的燃烧特性及排放特性［1-2］。本文借鉴国内外燃油闪急雾化技术的最新进展，采用数值模拟方法对喷射参数对燃油闪急沸腾喷雾特性的影响进行系统研究。

1　计算模型的建立及验证

1.1数学模型

燃油的闪急沸腾喷雾是一个复杂的气液两相流动过程，按已有数学模型，本文需要用到的质量守恒、动量守恒及能量守恒等基本控制方程及标准湍流模型均参阅文献［3］。破碎模型采用基于Reitz 和 Bracco的圆柱射流不稳定理论发展而来的WAVE模型［4］。雾化模型则采用平口喷嘴雾化模型（plain-orifice atomizer），喷嘴内部认为是空穴流流动形态［5］。

下面给出雾化模型中空穴数、流量系数、喷出速度以及喷嘴喷射角度的表达式［5］。

式中：p1为上游压力，p2为下游压力（雾化背压），pv 为液体的饱和蒸汽压力。

式中：ρl为液体粘度，m.为通过喷嘴的液体质量流率，A为喷嘴截面积。

式中：Cc为收缩系数，表示收缩后的流体面积与实际截面积之比。

式中：ρg为环境相空气密度，CA为经验系数，可由实验测定。

蒸发模型包括液滴加热与冷却、液滴蒸发及液滴沸腾模型，液滴沸腾模型如下［6］：

式中：cp∞为气相定压比热，ρp为液滴密度，K∞为气相导热率，Tp为液滴温度，T∞为连续相温度，hfg为汽化潜热，Red为以颗粒直径为定性尺寸，颗粒与流体的速度差定义的雷诺数。

离散相与连续相交替求解，双耦合计算中的动量、能量及质量交换参考文献［7］所述。

1.2模型检验

利用fluent软件建立计算模型，针对文献［8］的试验工况进行数值模拟，结果对比如表1所示。

表1　喷雾液滴SMD实验值与计算值的对比

总体来看，仿真计算结果与实验结果的变化趋势和规律是比较吻合的，证明了本文的计算模型准确有效。

2　计算条件

本文的物理模型为圆柱形定容容器，直径75 mm，有效长度150 mm，采用的博世单孔喷油器喷嘴直径为0.25 mm，置于进口中心轴线处用来向定容容器内喷油。物理模型在结构上空间对称，单孔喷油器置于进口中心轴线处，在结构上也几何对称，为了减少三维模拟的求解计算量，采用二维轴对称模型来建模划分网格。

燃油喷雾模拟计算的初始条件为：壁面设置为恒温293K，DPM模型的边界条件类型为reflect，采用二维轴对称非稳态求解计算，控制方程的离散方法采用SIMPLEC算法。不同温度及压力工况下的燃油在t=0时刻喷入定容室，每个时间步内喷入定容室的粒子束为15，迭代求解的时间步长为2×10-6s。

3　计算结果分析及讨论

3.1油温对喷雾特性的影响

为了分析温度对燃油喷雾宏观特性的影响，仿真计算了喷射压力40 MPa，背压1 MPa，温度分别为300K、673K及723K工况下的喷雾状况。

如图1所示，在同一时刻高温673 K及723 K工况下的喷雾贯穿距要小于常温300 K工况下的喷雾贯穿距，而喷雾锥角则刚好相反。这是由于高温工况下，燃油离开喷嘴的过程中，其温度高于定容室压力对应的沸点温度，从而发生沸腾现象，增强了喷雾体和空气之间的相互作用，使得喷雾体所受的阻力变大，同时燃油的闪急沸腾增强了燃油液滴的径向扰动以及喷雾体对空气的卷吸作用，使得喷雾体的径向扩展速度增加，进而导致贯穿距减小而锥角增大。

图1　喷雾贯穿距、喷雾锥角随时间的变化

由图2可知，高温燃油的闪急沸腾过程中，气相燃油的瞬间膨胀作用加剧了液滴的分裂破碎，而且高温燃油的蒸发作用增强，因此燃油在高温工况下破碎得更加剧烈，液滴分裂雾化得更加细小，高温工况下燃油液滴在轴向和径向上的分布更加均匀。

图3为温度对燃油喷雾速度场分布的影响。由图中可知，高温工况下燃油雾化蒸发更加强烈，与空气之间的相互作用增强，喷雾锥角及喷雾面积增大，导致高温工况下燃油喷雾贯穿过程中受到的阻力增大，轴向速度相对会小一些。

图2　温度对喷雾体液滴SMD的影响

图3　不同温度下喷雾体轴向平均速度

3.2喷射压力对喷雾特性的影响

仿真研究了喷射压力对燃油喷雾特性的影响，其中背压1 MPa，油温673K，喷射压力分别为35 MPa、40 MPa、45 MPa，其喷射压力参照文献［8］中直喷式转子发动机常用压力来选取。

由图4同一时刻不同喷射压力下的液滴粒径分布场可知，在其它条件一定的工况下，喷射压力为35 MPa时最大液滴直径为1.44×10-3m，喷射压力为45 MPa时最大液滴直径为8.61×10-4m，因此从燃油喷雾粒径分布图上可以看出，喷射压力的提高可有效地减小液滴破碎后的直径。在喷雾体的边缘处燃油液滴在空气的剪切作用下破碎得更加细小，在喷雾体的前端处，由于空气阻力的作用液滴的速度逐渐减慢，液滴之间的聚合作用大于破碎作用，因此喷雾体的前端处液滴直径相对较大。

图4　不同喷射压力下1.2 ms时刻的喷雾粒径分布

高喷射压力工况下，单位质量的喷雾体具有较大的初动量，增强了喷雾体对空气的卷吸作用，在喷雾体与空气间较大速度差的剪切作用下，更容易撕裂喷雾体表面的燃油液滴，使其更容易发生分裂破碎，因此高喷射压力有利于燃油的分裂雾化，使燃油液滴粒径更加细小。但是根据图5的统计结果，通过提高喷射压力来使燃油破碎成细小的液滴所起的作用是有限的，而且喷射压力的提高不仅增加了能量消耗，而且还容易发生燃油撞壁造成燃烧恶化，因此在燃油的闪急雾化过程中，喷射压力对雾化效果的影响是不显著的。

图5　不同喷射压力下喷雾体轴向液滴SMD粒径

3.3喷嘴直径对喷雾特性的影响

为了研究喷嘴直径对燃油喷雾特性的影响［9-10］，仿真计算了喷射压力35 MPa，背压1 MPa，油温673K，喷嘴直径分别为0.25 mm、0.32 mm、0.40 mm工况下的喷雾状况。

图6是不同喷嘴直径下喷雾贯穿距及喷雾锥角的统计结果，可见喷嘴直径越大，燃油的质量流量越大，喷雾体的初动量就越大，因此在相同的空气阻力作用下，单位时间内喷雾体贯穿的距离就越远，即同一时刻大直径喷嘴的喷雾贯穿距要大于小直径喷嘴。当喷嘴直径较大时，喷雾体受喷嘴的节流效应减弱从而使喷嘴流量系数增大，喷雾体的轴向及径向扩展增强，喷雾面积增加，因此大直径喷嘴的喷雾锥角也会增加。

图7是喷雾体不同轴向截面位置处液滴SMD统计结果，可以看出，当增大喷嘴直径时会使燃油液滴破碎后的直径增加，这是由于在喷射压力及背压一定的情况下，喷嘴直径增大会使燃油的流量增加，因此喷雾体中心轴线附近连续液核的面积增加，从而不利于燃油的分裂雾化，其次当喷嘴直径增加时燃油液滴的初始破碎直径也会增大，导致了大直径喷嘴燃油液滴分裂雾化的尺寸较大，其索特平均直径也会升高。

图6　喷嘴直径对喷雾贯穿距、喷雾锥角的影响

图7　喷嘴直径对喷雾体轴向液滴SMD的影响

4　结论

1）在燃油的闪急雾化过程中，高温使得燃油离开喷嘴的瞬间发生沸腾现象，有效地减小了喷嘴出口附近连续液核的面积，降低了液滴破碎直径，使燃油更容易蒸发雾化。

2）在燃油闪急喷雾过程中，通过提高喷射压力来减小液滴的破碎直径所起的作用，相对于温度条件来说效果不太显著。

3）喷嘴直径的增加，会使喷雾中心轴线处连续液核的面积增加，同时也会增大液滴的初始破碎直径，使液滴的索特尔平均直径增大，因此小直径的喷嘴更有利于改善燃油雾化质量。

1余敬周，张煜盛，Elkelaw M，等.闪急沸腾喷雾研究的现状与展望［J］.车用发动机，2007，170（4）：1-7

2Zeng Y B.Modeling of multi-component fuel vaporization in internal combustion engines［D］.Champaign:University of Illinois at Urban-Champaign，2000

3周乃君.工程流体力学［M］.北京：机械工业出版社，2014

4Reitz R D.Mechanisms of atomization processes in highpressurevaporizingsprays［J］.AtomizationandSpray Technology，1987，3（4）:309-337

5Schmidt D，Corradini M L.Analytical prediction of the exit flow of cavitating orifices［J］.Atomization and Sprays，1997，7 （6）:603-616

6Kuo K K Y.Principles of combustion［M］.New York:John Wiley and Sons，1986

7Jain S.Three-dimensional simulation of turbulent particle dispersion［D］.Utah:University of Utah，1995

8She J.Experimental study on improvement of diesel combustion and emissions using flash boiling injection［J］.SAE Paper 2010-01-0341

9杜志环，岂斌，刘慧，等.高压共轨燃油喷射雾化特性试验研究［J］.内燃机与动力装置，2011（2）：4-7

10杜志环.燃油闪急喷雾过程的数值模拟研究 ［D］.长沙：中南大学，2011

Numerical Study on the Flash Boiling Spray Characteristics Induced by Different Injection Parameters

Zhou Naijun，Wang Yuan，Du Zhihuan，Zhang Shidian
School of Energy Science and Engineering，Central South University（Changsha，Hunan，410083，Hunan）

A simulation model for fuel flash boiling spray was established by means of FLUENT software. The effects of fuel temperature，injection pressure and inner diameter on fuel injection spray characteristics were numerically simulated.Results indicate:In fuel flash boiling spray process，the rising temperature effects on decreasing the droplet diameter，and improving the fuel spray distribution；Spray quality can be improved by using a small-diameter nozzle，while the effect of injection pressure on this improvement is limited.

Engine，Flash boiling spray，Numerical simulation

TK411+.12

A

2095-8234（2016）01-0027-05

周乃君（1963-），男，教授，博士生导师，主要研究方向为内燃机燃烧与排放。

2015-11-09）