喷油嘴喷孔内流动特性数值仿真与试验分析

谢 阳,罗麒元,麻 剑,许沧粟

(浙江大学 动力机械及车辆工程研究所,浙江 杭州 310027)



喷油嘴喷孔内流动特性数值仿真与试验分析

谢 阳,罗麒元,麻 剑,许沧粟

(浙江大学 动力机械及车辆工程研究所,浙江 杭州 310027)

采用X射线相衬成像技术研究喷嘴喷孔内试验的流动特性,验证数值仿真结果.利用CFD软件模拟得到入口压力下燃油的质量流量、空穴分布、有效喷射速度与无量纲流动系数,结合试验数据对流动特性进行分析.结果表明：X射线相衬成像技术的成像效果良好,仿真结果与试验结果吻合较好；喷射压力越高,更容易进入临界超空穴状态；喷孔出口速度的增幅略大于体积流量的增幅；雷诺数随着喷射压力的上升呈幂函数型上升,空穴数随着雷诺数的增加呈指数下降,流量系数都随着雷诺数的上升缓慢增加直至趋于稳定.

柴油机；空穴；X射线；相衬成像

现代柴油发动机多配备高压共轨喷射系统.柴油通过喷油器的多喷孔直接向缸内喷射,从而实现更好的排放性能.高压共轨系统会加剧燃料在孔内的湍流度[1].研究表明,燃油喷雾的形成及雾化过程受到喷嘴内湍流和空穴的影响,并且喷孔内空穴引起的液流紊乱对孔外雾化的影响远远大于周围空气摩擦的影响[2-3].

近年来,随着相关测试技术的发展,对喷孔内空穴流动特性的各项研究逐渐发展起来.X 射线相衬成像技术作为一项新型的测试技术,得到了极大的发展.目前,国外已有文献运用同步辐射X射线相衬成像技术来对喷雾机理以及喷孔内的流动特性进行研究[4-5].试验成像的效果良好.目前,国内利用该项技术探究喷孔内的空穴流动特性较少[6].

由于真实喷孔的尺寸极小,使用可视化手段难以识别小区域内的流态变化,为了降低这种情况的影响,选用放大喷孔是一种较好的解决方法[7-12].相似准则[7]是在设计放大喷孔时的主要理论依据.为了消除喷孔曲面的影响,采用二维平面喷嘴可以直观地观察孔内流动状态的变化[7-11].

本文采用X射线相衬成像技术研究喷嘴喷孔内试验的流动特性,配合数值仿真结果进行相互验证,探究该技术的可行性.通过试验和CFD仿真计算了不同喷射压力下喷孔内流量及喷孔出口处有效喷射速度等,并配合空穴数、雷诺数和韦伯数进一步分析喷射压力对孔内流动特性参数的影响.

1 燃油的理化特性

测试燃料选取市售0#柴油.柴油的理化特性如表1所示[13-14].表中,ρ、μ、pv和σ分别为密度、黏度、饱和蒸汽压和表面张力.

表1 柴油的物性参数

2 试验装置及原理

采用上海光源( SSRF )的第3代同步辐射光源,研究喷孔内的流动特性.试验系统如图1所示,包括比例放大的喷油器、稳压供油系统、X射线成像及采集系统.

1-氮气；2-减压阀；3-油箱；4-油路开关；5-体积流量计；6-压力计；7-喷嘴；8-X射线源；9-回油槽；10-闪烁晶体； 11-ICCD相机；12-成像系统图1 X射线相衬成像试验系统Fig.1 X-ray phase contrast imaging system

图2 喷嘴示意图Fig.2 Physical model

二维喷孔模型如图2 所示.喷孔的几何参数如下：喷孔宽度为5 mm,考虑到部分真实喷嘴的长径比为1.8,因此选取9 mm作为喷孔长度,厚度为2 mm.透明视窗的材料采用聚稀亚胺.该材料有利于X射线的穿透,并且能够在高温下保持良好的力学强度.

如图1所示,试验开始时,打开减压阀,使得氮气瓶中的气体进入油箱,从而将柴油压入供油管路,打开开关,燃油喷入大气环境中的回油槽(背压约为0.1 MPa).此时,流量计和喷嘴上方的压力计开始读数,调整减压阀使得喷嘴上方压力表示数达到试验设定值的一定范围内,待压力稳定后启动X射线源,此时图像采集系统通过ICCD相机采集2 s的图像.一次试验完成后,通过改变进入油箱的气压来调节喷射压力,从而得到不同喷射压力条件下喷孔内的流动状况.流量计与压力表的数据直接由采集系统采集后,与图像系统采集的相片同时间轴输出,因此数据的处理较方便.

3 数学模型

3.1 计算网格

考虑到喷孔上游及下游燃烧室对喷孔内柴油流动的影响,选择上游10 mm喷孔以及下游燃烧室12 mm区域作为计算区域.采用混合网格划分区域,对喷孔入口拐角处进行加密处理,得到精度更高的结果.如图3所示为喷孔网格图.在验证网格独立性后,选择网格数为623 548作为后续计算的基础.

图3 喷油嘴计算网格Fig.3 Mesh of physical model

3.2 边界条件和计算方法

数值模拟采用 ANSYS 软件,利用均相模型计算空穴现象.对喷孔内部的空穴流动进行气液两相湍流数值模拟,以 Rayleigh 所发展的单气泡溃灭模型,湍流模型选用Jones和Launder提出的标准k-ε模型；进出口均采用压力边界,入口压力设置为0.15、0.20、0.25、0.30、0.35、0.40 MPa,背压设置为0.101 MPa；固壁处理,两相间流速无滑移；由于较高入口压力带来的强湍流度,使用给定湍流强度I和湍流长度l来取代湍动能k和耗散率ε；压力修正采用SIMPLE算法；采用一阶迎风格式.

3.3 无量纲数

为了区别喷孔内的单相流与空穴流,并反映空穴出现后的发展程度,引入无量纲空穴数K来判断空穴初生：

(1)

式中：pi、p0分别为入口压力和背压.大量研究表明,对于不同结构的喷油嘴,存在不同的临界空穴数Kcr,当K高于Kcr时,不管雷诺数多大,也不会产生空穴,都是单相流；一旦K低于Kcr,在喷孔入口处将产生空穴,形成部分空穴流动；随着喷射压力的增大或者背压的减小,K不断减小,流动发展为超空穴流[15].

流量系数Cd是影响喷油器设计的一个主要因素.随着孔内流动状态的改变,流量系数随之改变.Cd的定义如下：

(2)

式中：qm为实际质量流量,A为喷孔几何截面积,Δp为喷孔两端压降,ρl为液体密度.

通过式(2)得到的K和Cd,结合雷诺数和韦伯数(式(3)和(4)),可以更清晰地展示孔内流动状态.

(3)

(4)

式中：v为喷射速度，d为直径.

4 计算结果及分析

4.1 网格独立性

图4 网格独立性验证Fig.4 Mass flow rate with respect to cell number

网格数对模拟计算精度有很大的影响,因此对网格独立性的验证是必要的[16].本文预先对网格独立性进行验证.如图4所示为当入口压力为0.2 MPa,背压为0.1 MPa时,孔内的质量流量随网格数n增加的变化情况.通过大量的计算显示,当网格数达到54 298时,后续的质量流量已经保持恒定.为了保证计算的精度,后续计算的网格数选择为62 548.

4.2 质量流量及有效喷射速度

很多实验表明：在相同背压下,随着喷射两端压差不断增加,体积流量逐渐增大.如图5所示为喷孔出口处体积流量随入口压力变化的曲线.由图5(a)可见,在相同背压的情况下,体积流量都随着入口压力的增加呈幂函数型增大,这与理论预测一致.相比于体积流量,燃油出口处的有效速度(液相平均速度)能够更直观地反映喷射状况.有效速度的定义如下.

试验结果为

ve=qV/Al.

(5)

CFD结果为

(6)

从图5(b)可以看出,有效喷射速度随着入口压力的不断上升而增加,有效速度增幅略大于体积流量.这是由于喷孔内的超空穴现象减小了喷孔出口的有效面积,从而进一步加剧了有效喷射速度.

图5 不同入口压力下的喷孔出口体积流量和有效喷射速度Fig.5 Flow rate and effective velocity at outlet under different injection pressure

在试验时,供油系统采用氮气提供压力,因此供油管路中的压力存在一定的波动,从而导致了体积流量存在波动值.为了便于数据处理,对体积流量进行取平均处理.如图6所示为体积流量波动偏差分析.可以看出,体积流量的偏差η随着入口压力的不断提高而下降,从最高的14%降低至4%.这是由于在压力表后端的管路中存在一定的沿程损失,入口压力增加产生的沿程损失在总动能中的占比不断下降.

图6 偏差分析Fig.6 Deviation analysis

4.3 孔内云图分布

本试验基于X射线相衬成像技术,图像采集系统得到的图像难以直接识别,因此将图像矩阵化,并与背景图片进行差值处理,获得较清晰的孔内流动状态的图片.部分图片经过再次运算处理来加强需要分辨的细节.

图7 不同喷压下空穴分布Fig.7 Contours of volume fraction of vapor under different injection pressure

如图7所示为当环境温度为293 K,喷射背压为0.101 MPa时,不同入口压力下喷孔内空穴分布图(包括试验与数值仿真结果).图中,标尺为数值模拟结果,纯液相用1表示,纯气相用0表示.在喷孔平面截图中,通过对比孔内的平均气相区域,当喷孔入口压力达到0.15 MPa时,喷孔内的流动状态处于紊流状态,无空穴出现,这与试验结果(见图7(a))相符.如图7(b)所示为当入口压力为0.2、0.25 MPa时,CFD结果与试验结果喷孔内气液分布云图的对比.当入口压力为0.2 MPa时,孔内出现少量空穴,随着入口压力的增大,空穴向喷孔出口发展.当入口压力达到0.4 MPa时,CFD模拟计算结果中喷孔内流动状态进入超空化,试验结果(见图7(c))验证了这点.

4.4 空穴数以及流动系数

图8给出雷诺数在不同的入口压力情况下的比较.雷诺数(Reynolds number)与流场内部的湍流度呈正相关.雷诺数随着入口压力的增加而呈对数上升,喷孔内的湍流度不断上升.由于雷诺数正比于孔内流体的有效速度,而有效速度与喷嘴出、入口的压差的平方根成正相关,随着喷射压力的增加,有效速度增长趋缓,从而导致孔内湍流度的加剧程度变缓.这与图7相印证.

图8 雷诺数随入口压力变化的曲线Fig.8 Relationship between Reynolds number and injection pressure

图9 雷诺数和韦伯数对空穴数的影响Fig.9 Influence of Reynolds number and Weber number on cavitation number

图9给出雷诺数和韦伯数对空穴数的影响情况.在背压和燃料温度保持不变的情况下,空穴数随着入口压力的增加而减小.图9(a)表明：空穴数随着雷诺数的增加而呈指数下降.在紊流区域内,空穴数显著下降；在空化流区域,空穴数下降趋势放缓.根据式(1)的定义可知,当喷射的背压和流体的饱和蒸汽压为定值时,空穴数随着入口压力的上升而下降,并且这种趋势会逐渐放缓.由于空穴数与喷嘴出入口压差的倒数成正相关,雷诺数与喷嘴出入口的压差的平方根成正相关,因此空穴数随喷射压力的衰减程度强于雷诺数,呈现出指数式下降；同时,韦伯数对空穴数的影响与雷诺数相似.

如图10所示为不同入口压力下流量系数随雷诺数变化的情况.当喷孔内流态逐渐进入空穴流时,流量系数增加.当孔内流动进入空穴流后,随着雷诺数的不断增加,流量系数趋于稳定.

图10 流量系数随雷诺数变化的曲线Fig.10 Relationship between Reynolds number and discharge coefficient

5 结 论

(1)X射线相衬成像技术可以用来探究喷孔内的流动特性.X射线相衬成像技术获取的图像经过一定的处理能够清晰地展示喷孔内的流动状态.同时,仿真结果与试验结果能够较好地吻合.

(2)试验和数值计算都表明,在一定的背压条件下,质量流量随着入口压力的增加而增大,而有效速度的增幅较大,并且当入口压力达到一定值(本试验为0.4 MPa)时,喷孔内流态进入超空化状态.

(3)雷诺数随着喷压的上升呈幂函数型上升,空穴数随着雷诺数的增加呈指数下降,流量系数都随着雷诺数的上升而增加、直至趋于稳定.

[1] LOCKETT R D, LIBERANI L, THAKER D, et al. The characterization on of diesel nozzle flow using high speed imaging of elastic light scattering [J]. Fuel, 2013, 106: 605-616．[2] HE Z X, ZHONG W J, WANG Q, et al. Effect of nozzle geometrical and dynamic factors on cavitating and turbulent flow in a diesel multi-hole injector nozzle [J]. International Journal of Thermal Sciences, 2013, 70: 132-143．

[3] 马志炎, 谢阳, 许沧粟. 生物柴油对喷油嘴喷孔内部流动影响的仿真研究[J]. 内燃机工程, 2014, 35(01): 81-86． MA Zhi-yan, XIE Yang, XU Cang-su. Simulation research on effect of biodiesel on fuel flow in nozzle hole [J]. Chinese Internal Combustion Engine Engineering, 2014, 35(01): 81-86．

[4] KASTENGREN A L, POWELL C F, WANG Y, et al.Nozzle geometry and injection duration effects on diesel sprays measured by X-ray radiography [J]. Journal of Fluids Engineering-Transactions of the ASME, 2008, 130(4): 1-12．

[5] IM K S, CHEONG S K, POWELL C F, et al. Unraveling the geometry dependence of in-nozzle cavitation in high-pressure injectors [J]. Scientific Reports, 2013, 3(2067): 1-5．

[6] 张乐超, 魏建勤, 谢红兰, 等. X射线相衬成像技术测量喷油嘴几何特征尺寸的研究[J]. 内燃机学报, 2011, 29(04): 364-369． ZHANG Le-chao, WEI Jian-qin, XIE Hong-lan, et al. Measurement of nozzle geometry with X-ray phase contrast imaging technique [J]. Chinese Internal Combustion Engine Engineering, 2011, 29(04): 364-369．

[7] 马志炎. 柴油机喷油器喷孔内空穴流动的可视化试验研究与数值模拟分析[D]. 杭州：浙江大学,2013． MA Zhi-yan. The visualization experiment and numerical simulation for cavitation flow in a injector nozzle of diesel engine [D]. Hangzhou: Zhejiang University, 2013．[8] HYUM K S, CHANG S L. Effect of cavitation in nozzle orifice on the diesel fuel atomization characteristics [J]．International Journal of Heat and Fluid Flow, 2008, 29(4): 1001-1009.

[9] SU H P, HYUM K S, CHANG S L. Effect of cavitating flow on the flow and fuel atomization characteristics of biodiesel and diesel fuels [J]. Energy and Fuels, 2008, 22(1): 605-613．

[10] SOU A, TOMIYAMA A, HOSOKAWA S, et al. Cavitation in a two-dimensional nozzle and liquid jet atomization [J]. JSEM International Journal, 2006, 49(4): 1253-1259．

[11] HENRRY M E, COLLICOTT S H. Visualization of internal flow in a cavitating slot orifice [J]. Atomization and Sprays, 2000, 10(6): 545-563．

[12] 何志霞,柏金,王谦,等. 柴油机喷嘴内空穴流动可视化试验与数值模拟[J]. 农业机械学报, 2011, 42(11): 6-9． HE Zhi-xia, BO Jin, WANG Qian, et al. Visualization experiment and numerical simulation for cavitating flow in a diesel injector nozzle [J]. Transactions of the Chinese Society for Agricultural, 2011, 42(11): 6-9．

[13] FLAIG U, POLACH W, ZIEGLET G. Common rail system (CR-system) for passenger car DI diesel engines, experiences with applications for series productions projects [J]. SAE Paper, 1999-01-0191.

[14] 张登攀, 袁银南, 杜家益, 等. 生物柴油自由喷雾的试验研究[J]. 内燃机工程, 2010, 31(06): 13-16． ZHANG Deng-pan, YUAN Yin-nan, DU Jia-yi, et al. Experimental study on bio-diesel free spray [J]. Chinese Internal Combustion Engine Engineering, 2010, 31(06): 13-16．

[15] HE Z X, MU Q, WWANG Q. Effect of diesel nozzle geometry on internal cavitating flow [J]. Advanced Materials Research, 2010, 97-101: 2925-2928．

[16] MOHAMMAD T S T, SHEYEHVAZAYEFI M, GHORBANI M. Numerical study on the effect of the injection pressure on spray penetration length [J]. Applied Mathematical Modeling, 2013, 37(14/15): 7778-7788．

Numerical simulation and experimental validation of internal nozzle flow characteristic of injector

XIE Yang, LUO Qi-yuan, MA Jian, XU Cang-su

(InstituteofPower-DrivenMachineryandVehicleEngineering,ZhejiangUniversity,Hangzhou310027,China)

The X-ray phase contrast imaging technique was used to analyze the flow characteristics of internal nozzle in order to verify the simulation results. The mass flow, cavitation distribution, effective velocity at the outlet and non-dimensional flow coefficients under different injection pressure conditions were considered based on the CFD software simulation combined with the experimental results. Results show that X-ray phase contrast imaging technique contributes to the research, and the results accord with the simulation results. Critical super cavitation conditions are achieved easier when injection pressure rises. The growth of effective velocity at the outlet is slightly bigger than that of volume flow. Reynolds number shows positive correlation to the injection pressure, while the cavitation number decreases exponentially with increases in the Reynolds numbers. The discharge coefficient increases as the Reynolds number rises until it gets stable．

engine; cavitation; X-ray; phase contrast imaging

2014-09-11. 浙江大学学报(工学版)网址： www.journals.zju.edu.cn/eng

国家“973”重点基础研究发展规划资助项目(2013CB228100);浙江省公益性技术应用研究计划资助项目(2012C21060) .

谢阳(1990-)，男，硕士生，从事柴油喷雾与数值模拟的研究.ORCID:0000-0002-8534-8959.E-mail:xieyang_auto@163.com 通信联系人：许沧粟，男，副教授.E-mail:xcs0929@163.com

10.3785/j.issn.1008-973X.2016.01.016

TK 421

A

1008-973X(2016)01-0111-05