针阀粗糙度对柴油机喷孔空化现象的影响

杜 青，杨 贤，郭瑾朋，常 青，白富强，

（1. 天津大学内燃机燃烧学国家重点实验室，天津 300072；2. 天津大学内燃机研究所，天津 300072）

针阀粗糙度对柴油机喷孔空化现象的影响

杜 青1，杨 贤1，郭瑾朋1，常 青1，白富强1，2

（1. 天津大学内燃机燃烧学国家重点实验室，天津 300072；2. 天津大学内燃机研究所，天津 300072）

针对目前柴油机广泛应用的无压力室（VCO）喷嘴，搭建大尺度可视化喷嘴稳态实验系统，采用高速摄像及粒子图像测速（PIV）技术，研究针阀粗糙度及粗糙区域长度对喷孔内空化现象及流动特性的影响．研究结果表明：针阀粗糙度的增大对喷孔内空化现象有明显的抑制作用；针阀粗糙度对空化现象的影响是通过改变喷孔内部流体的时均速率和湍动能等流动特征实现的；针阀粗糙区域长度变化对空化现象的影响规律与粗糙度相似，但影响程度较弱；粗糙度及粗糙区域长度对空化现象的抑制作用随针阀升程增大而减弱．

喷嘴；空化；粒子图像测速；粗糙度；针阀

现代柴油机中，喷嘴的喷射压力和射流速度不断提高，喷孔直径不断减小，从而使燃油流速升高，极易在喷孔内部发生空化现象［1］．空化现象会显著影响喷孔内的流动状态，因此喷孔内的空化现象引起了研究者们的广泛关注．空化现象的实验研究主要集中于实际尺寸可视化喷嘴内的观测和使用大尺度可视化喷嘴进行的模拟实验［2-4］．实际尺寸的可视化喷嘴由于喷孔直径小、长径比大，加工受到限制，且难以对其内部的流动状态进行综合研究，所以使用的方法多是以实际喷嘴尺寸为基础，按照几何相似原则进行放大，得到大尺度可视化喷嘴模型，并通过控制空化数来保证动力相似，模拟实际喷嘴中孔内流动的情况，以达到研究目的．

研究者们对影响空化现象的各种因素已经做了大量的研究工作．Ruiz等［5］在研究喷孔的管内流动时，发现空化与湍流存在明显的耦合作用．Schmidt等［6］总结了前人的研究，指出空化现象从喷孔入口拐角处出现，发展一段后消失．在使用同一喷嘴时，空化现象消失的位置不变，但消失的位置与喷孔内壁面的粗糙度有关；空化区域的长度随上游压力的变化而变化．Chaves等［1］制作了一个内壁面未充分研磨光滑的喷嘴，同样发现粗糙度能引起空化现象的变化．Echouchene等［7］研究了喷孔内壁面粗糙度对于空化情况下流量系数的影响．Nouri等［8］观察到在低空化数时，空化泡先零散地形成于针阀附近，随后流入喷孔；当空化数逐渐增大时，空化现象直接形成于喷孔入口处．

从目前的研究进展看，研究者们已经证明了空化现象与喷孔中的湍流相耦合；喷孔内壁面的粗糙度对空化现象的形成有影响；在一定情况下，空化现象首先形成于针阀表面，因此，针阀参数会对空化现象造成影响．针阀与针阀体是精密配合的偶件，不宜从结构上对针阀造成的影响进行研究．从以往研究结果分析，流动表面的粗糙度会对空化现象造成影响，针阀圆柱面的粗糙度也是影响因素之一．喷孔内壁面粗糙度对于空化现象的影响研究目前已比较充分，但对针阀圆柱面粗糙度的影响却鲜见报道，其对于空化现象的影响情况尚不清楚．本文定义针阀圆柱面的粗糙度为针阀粗糙度，通过搭建大尺度可视化喷嘴稳态实验系统，利用高速摄像技术获得喷孔中空化现象的形貌特征，配合使用粒子图像测速（particle image velocimetry，PIV）系统，研究了喷孔内流场的分布特征，进而获得针阀不同升程下针阀粗糙度和粗糙度区域对空化现象的影响规律，进一步加深了对液体两相流动影响因素的理解．

1　实验系统

图1所示为大尺度可视化喷嘴稳态实验系统装置，喷射系统的具体结构如图2所示．喷嘴内部关键尺寸由VCO型喷嘴尺寸按几何相似原理放大20倍得到，喷孔长度为27，mm，直径为3，mm，该长径比的喷嘴中空化现象的发展历程较为适合观察［9］．针阀与针阀体是配合偶件，装配间隙为0.05，mm．定义图2中针阀圆柱面上的S区域为粗糙区域．根据GB/T 5772—2010《柴油机喷油嘴偶件技术条件》，针阀圆柱面的粗糙度Ra=0.05，μm．因加工限制，且粗糙度相差极小，以放大32倍后的Ra=1.6，μm为基础，进一步增大粗糙度值并改变粗糙度值和粗糙区域长度，研究其对空化现象的影响．实验中使用的针阀参数如表1所示，其他流动表面的粗糙度如表2所示．将实际最大针阀升程0.3，mm放大20倍，得到实验最大针阀升程6，mm．针阀升程通过调整顶端的连接螺纹控制，针阀落座时升程为0，mm．喷嘴无起喷压力.本实验通过比较升程为2，mm和6，mm时的情况，研究空化现象随针阀升程的变化情况．

采用柴油作为实验流体，通过调节节流阀和回流阀改变喷射压力．喷射压力调节范围为0.10～0.25，MPa，背压采用环境压力，以无量纲空化数Nc保证动力相似．空化数Nc定义为

式中：p1为喷射压力；p2为背压；pv为液体相的饱和蒸汽压，取3.540，kPa．柴油温度为室温，由于实验过程中油泵运行时间较短而油箱容积很大，柴油温度变化不大，因此忽略温度的影响．

图1 大尺度可视化喷嘴稳态实验系统示意Fig.1Schematic diagram of large-scale transparent nozzle steady-state test rig

图2 可视化喷嘴结构示意Fig.2 Structure diagram of the transparent nozzle

表1 针阀的主要参数Tab.1 Main parameters of needles

表2 针阀其他表面的粗糙度RaTab.2 Roughness Raof other surfaces of needles

高速摄像系统拍摄频率设定为5，000 帧/s，背景光源由两盏QH-1300W2双联卤素灯提供．PIV系统使用双脉冲氦氖激光发射器，使片光源由下往上竖直穿过喷嘴中心线．激光波长为532，nm，最大能量为200，mJ．片光光腰为1，mm，假设流场横向分布均匀，该片光面上的信息具有统计意义．使用12倍CCD变焦镜头，采用双帧双曝光模式，能量输出比调节范围为12%，～25%，帧间隔调节范围为40～50，µs，计算喷孔入口处二维流场的速度场信息和湍动能场信息．示踪粒子使用聚苯乙烯制成的小球，直径为15，µm，密度为1.05，g/cm3，其密度与柴油的差别小至可以忽略［10］，从而具有良好的流场跟随性．

图3所示为实验中所获得的喷嘴空化图像（L为针阀升程，pin为喷射压力）．实验中保持喷射压力及背压不变，在各工况下拍取100幅图片并进行平均处理．用Photoshop软件对平均后的图片进行处理，得到灰度信息．因针阀附近的空化现象并非一直存在，故仅研究喷孔内的空化现象．将喷孔内灰度值大于90的地方定义为空化区域，将喷孔入口到空化区域末端的距离与喷嘴总长度的比值定义为空化区域比例［9］.图中喷孔右端区域（黑色）是空化区域，左端（灰色）区域是柴油．与Nouri等［8］观察到的现象一致，在喷射压力为0.125，MPa时（Nc≈0.3），空化泡先出现在针阀附近，随后流入喷孔；当喷射压力为0.175 MPa时（Nc≈0.8），空化现象出现在喷孔入口处．

图3 喷孔的空化现象（2号针阀，L= 6，mm）Fig.3 Cavitation in nozzle orifice（No. 2 needle，L= 6，mm）

在实验中，液流沿针阀圆柱面进入喷孔，因此在片光面上，流体流速自入口起从小变大，直至液流完全汇聚于片光面时达到最大速度．4号针阀喷孔流场截面如图4所示，取2个截面研究截面上的时均速度和湍动能分布，其中A截面距入口4，mm，B截面距入口6，mm．在轴向距离为6，mm之后，流速发展至最大．图中坐标轴x在截面B上，原点为喷孔中点．

图5给出的是3号针阀，其针阀升程为2，mm、喷射压力为0.15，MPa时的PIV原始图像和处理后的图像．从图中可以看出，在A截面之后，时均速率场和湍动能场有了明显的数据，并在B截面之后充分发展；时均速率场与湍动能场之间存在着某种关系．

图4喷孔流场所取截面（4号针阀，L=6 mm，pin=0.15 MPa）Fig.4Sections of the flow field in nozzle orifice（No.4 needle，L=6，mm，pin=0.15，MPa）

图5PIV原始图像及处理图像（3号针阀，L=2，mm，pin=0.15，MPa）Fig.5Original and processed images of PIV（No.3 needle，L=2，mm，pin=0.15，MPa）

2　结果与分析

2.1针阀粗糙度值对空化现象及流场特征的影响

粗糙度值对喷孔空化现象及流场特征影响规律的研究是通过采用具有相同粗糙区长度、不同粗糙度值的1号、2号和4号针阀实现的．图6～图8给出了不同针阀升程条件下分别采用1号、2号和4号针阀喷孔内空化特征及流场特征的实验结果．

图6给出了不同针阀在不同升程下喷孔空化区域比例随喷射压力的变化规律．从图中可以看出，空化现象随着喷嘴喷射压力的提高趋于剧烈．同时，1号针阀较之2号针阀、2号针阀较之4号针阀，喷孔内部的空化现象在各种条件下均更为显著．在小针阀升程条件下，3个喷孔内的空化区域比例差别明显，而在大针阀升程条件下差别则相对较小．这表明针阀粗糙度值增大对喷孔内空化现象有明显的抑制作用，猜测其原因为增大的针阀粗糙度降低了液流的时均速度，从而抑制空化现象，而这种抑制作用随着针阀升程的提高而逐渐被衰减．

图6 针阀粗糙度对喷孔空化现象的影响Fig.6 Effect of needle roughness on cavitation in nozzle orifice

图7给出了3个针阀喷孔内不同截面、不同升程条件下的喷孔时均速率分布特征．从图中可以看出，无论是对于A截面还是B截面，针阀1所对应的喷孔内各点的时均速率均大于针阀2所对应的时均速度、针阀2对应的时均速度则大于针阀4对应的时均速度，且随着针阀升程的增加差距趋于减小．显然，时均速率的变化会带来喷孔内部液体压力的改变，从而对喷孔内部的空化现象带来显著的影响．这一结论与图6所得到的粗糙度值对空化现象的影响显然是吻合的，并可对图6的结论给出明确的解释．

图7针阀粗糙度对喷孔时均速率的影响（pin=0.15 MPa）Fig.7Effect of needle roughness on average speed innozzle orifice（pin=0.15，MPa）

图8给出了相同条件下针阀粗糙度对喷孔内流体湍动能的影响．可以看出，流场不同位置1号针阀流体的湍动能均小于2号针阀、2号针阀则小于4号针阀，并且湍动能的差别随着针阀升程的逐渐增加而趋于减小．这表明针阀粗糙度的增加所带来的湍动能的变化是导致流场速度变化的主要原因，从而对喷嘴内的空化现象带来显著的影响．

湍流在某点上的瞬时速度u随时间的变化值为

图8 针阀粗糙度对喷孔湍动能的影响（pin=0.15 MPa）Fig.8 Effect of needle roughness on turbulent kineticenergy in nozzle orifice（pin=0.15 MPa）

2.2针阀粗糙区域长度对空化现象的影响

粗糙区域长度对喷孔空化现象及流场特征影响规律的研究是通过使用具有相同粗糙度但具有不同粗糙区域长度的3号和4号针阀实现的．图9～图11给出了不同针阀升程条件下，分别采用3号和4号针阀喷孔内空化特征及流场特征的实验结果．

与图6类似，从图9可以看出，使用3号针阀时的喷孔内部的空化现象较之4号针阀更为显著．在小针阀升程条件下，两喷孔内的空化区域比例差别明显，而在大针阀升程条件下差别则相对较小．这表明针阀粗糙区长度增长对喷孔内空化现象也有一定的抑制作用，而这种抑制作用随着针阀升程的提高而逐渐被衰减．

图9针阀粗糙区长度对喷孔空化区域的影响（pin=0.15 MPa）Fig.9Effect of needle rough area on cavitation in nozzle orifice（pin=0.15 MPa）

图10给出了两针阀不同升程下的喷孔时均速率分布特征．从图中可以看出，与图7类似，针阀3所对应的喷孔内各点的液体时均速率均大于针阀4所对应的时均速率，且随着针阀升程的增加，时均速率的差距趋于减小．其中的原因显然亦与图7相同．

图10针阀粗糙区长度对喷孔时均速率的影响（pin= 0.15，MPa）Fig.10Effect of needle rough area on average speed in nozzle orifice（pin=0.15 MPa）

图11给出了相同条件下针阀粗糙区长度对喷孔湍动能特性的影响．从图中可以看出，3号针阀下流体的湍动能低于4号针阀的湍动能，并且湍动能的差别随着针阀升程的逐渐增加而趋于减小．针阀粗糙区长度对喷孔湍动能特性的影响与针阀粗糙度相似．

图11 针阀粗糙区长度对喷孔湍动能的影响（pin=0.15 MPa）Fig.11 Effect of needle rough area on turbulent kinetic energy in nozzle orifice（pin=0.15，MPa）

对比图6～图8与图9～图11的结果可以看出，针阀粗糙度、粗糙区域长度对喷嘴内部空化现象和流动特征的影响规律类似，但显然粗糙度的影响更为显著，这是因为大粗糙度引起的扰动更大，对时均速率的减缓作用更强烈．

3　结 论

（1） 针阀粗糙度增大对喷孔内空化现象有明显的抑制作用．

（2） 针阀粗糙度对空化现象的影响是通过改变喷孔内部流体流动的时均速率和湍动能等流动特征实现的．

（3） 针阀粗糙区域长度变化对空化现象的影响规律与粗糙度类似，但影响程度较弱．

（4） 针阀粗糙度及粗糙区域长度对空化现象的抑制作用随针阀升程增大而减弱．

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（责任编辑：金顺爱）

Effects of Needle Roughness on Cavitation in Diesel Nozzle Orifice

Du Qing1，Yang Xian1，Guo Jinpeng1，Chang Qing1，Bai Fuqiang1，2
（1．State Key Laboratory of Engines，Tianjin University，Tianjin 300072，China；2．Internal Combustion Engine Research Institute，Tianjin University，Tianjin 300072，China）

Valve covered orifice（VCO）nozzle is widely used in diesel engines nowadays，and based on this nozzle，a large-scale transparent nozzle steady-state test rig was constructed．With high speed photography and particle image velocimetry（PIV）measurements，several important parameters including needle roughness and needle rough area were used to analyse the cavitation and flow characteristics in nozzle orifice．It can be seen from the experimental results that the increase of the needle roughness supresses the cavitaion in nozzle orifice obviously．The effect of needle roughness on cavitation is realized via changing the flow characteristics including average speed and turbulent kinetic energy in nozzle orifice．The effect of needle rough area on cavitation is similar to that of needle roughness，except that it’s smaller．It should be pointed out that both the effects of needle roughness and needle rough area will be reduced by the increase of the needle lift.

nozzle；cavitation；particle image velocimetry（PIV）；roughness；needle

TK421.4

A

0493-2137（2016）07-0749-06

10.11784/tdxbz201502007

2015-02-02；

2015-04-13.

国家自然科学基金资助项目（51176136）.

杜 青（1968— ），男，博士，研究员.

杜 青，duqing@tju．edu．cn.

网络出版时间：2015-04-21. 网络出版地址：http://www.cnki.net/kcms/detail/12.1127.N.20150421.0958.001.html.