基于Fluent的倒锥形喷油孔燃油流动的数值模拟

王丹 李琪 李义才

摘 要：由于试验和测量受种种条件限制，可以采用计算机流体动力学CFD模型来预测柴油机喷油嘴内的流场状态。文章应用Catia建立三维模型，gambit划分网格，Fluent对倒锥形喷油孔喷嘴的燃油三维流场进行数值模拟计算。主要研究的是倒锥形喷油孔锥度的变化以及进口压力的变化对雾化的影响。通过研究可预测喷油嘴内的燃油流动状况， 可为喷油嘴设计的合理性指出改进方向。

关键词：喷油嘴；倒锥孔 ；雾化特性；三维数值模拟

中图分类号：U467.4 文献标识码：B 文章编号：1671-7988（2018）12-23-03

Abstract： Because of the limited conditions of testing and measurement， a computer fluid dynamics （CFD） model can be used to predict the state of flow in a diesel injector. This paper uses Catia to establish a three-dimensional model， gambit meshing， and Fluent to perform numerical simulations on the three-dimensional flow field of the inverted cone oil jet nozzle. The main research of this paper is to research the influences that is the taper of the inverted cone and the effect of the change of the inlet pressure on the atomization. By studying the predictable flow of fuel in the nozzle， the rationality of the nozzle design can be pointed out to improve the direction.

Keywords： nozzle； taper of the inverted cone； atomization characteristics； three-dimensional numerical simulations

CLC NO.： U467.4 Document Code： B Article ID： 1671-7988（2018）12-23-03

引言

噴油器是柴油机燃油供给系统中实现燃油喷射的重要部件，其功用是根据柴油机混合气形成的特点，将燃油雾化成细微的油滴，并将其喷射到燃烧室特定的部位。喷油系统对柴油机的动力性、经济性、排放性发挥着重要作用。喷油嘴作为燃油喷入气缸的最后环节，其性能直接影响柴油机的燃烧过程。通过减小燃油流过喷油嘴的压力损失，可提高有效喷油压力，增大流过喷油嘴的有效压力降。较小的喷孔直径有较高的喷油压力，可以使喷出油粒直径变小，油束相对贯穿度较大，喷雾锥角增大。随着汽车工业发展和环境保护要求的不断提高，传统的直孔喷孔已经逐渐不能适应新的国际标准对排放的要求。有相关研究表明，采用倒锥形喷孔能有效地改善雾化效果，进一步提高喷孔的流量系数。本文应用catia建立了多孔倒锥形喷油孔喷嘴的三维模型，通过gambit对其进行网格划分，最后利用CFD设计软件Fluent对倒锥形喷油孔喷嘴的燃油三维流场进行数值模拟计算。

1 倒锥孔

如图1，直径A和B分别为喷油嘴喷孔内口和外口直径。如果A=B，则为直孔喷孔，如图1a所示；如果A>B，则为倒锥孔喷孔。在喷射使用中，喷孔直径沿燃油的方向逐渐变小，习惯称为倒锥孔。在加工喷孔时，从喷油嘴外侧加工到内侧，形成的则是正锥孔。但该正锥孔与电火花加工形成的正锥孔相反，表述为倒锥孔[1]。

与微细电火花加工、激光加工相比，微细电解加工没有热影响层，加工后的表面粗糙度较好。在微细电解加工中采用脉冲电源、侧壁绝缘电极，可有效地控制加工范围，得到较高的加工精度，在微孔加工过程中改变电源参数等加工条件，还可控制微孔形状，加工出包括倒锥孔的复杂形状的微细孔[2-3]。

2 多孔倒锥形喷油孔喷嘴模型建立

本文采用的喷油嘴模型为一种六孔喷油嘴，喷孔的入口直径为D1=0.25mm，喷孔长度L=1.0mm，喷孔与针阀轴线间夹角为，锥顶角度为0～3度，本文主要研究的是不同的锥顶角对燃油雾化的影响，利用catia建立了多孔倒锥形喷油孔喷嘴的三维模型，其中六个倒锥形喷油孔均匀分布，如图2，取喷嘴流动区域的1/6进行数值模拟[4]。

3 倒锥孔喷油嘴模型网格的划分以及边界条件的设置

Gambit软件是面向CFD分析的高质量的前处理器，其主要功能包括几何建模和网格生成。它具有强大的网格划分能力，可以划分包括边界层等CFD特殊要求的高质量网格。GAMBIT中专用的网格划分算法可以保证在复杂的几何区域内直接划分出高质量的四面体、六面体网格或混合网格[5]。本文中因喷油嘴形状不规则采用了Tet/Hybird，经检查，网格质量良好。如图3，为倒锥孔喷油嘴前端网格模型。

定义喷油嘴的边界条件为静态进出口压力，进口压力分别为40MPa，60MPa，100MPa，出口压力为0.1MPa。流体介质为柴油，紊流模型选用标准k-ε方程，在近壁面处求解采用近壁面函数法[6]。在计算过程中，把柴油看作不可压缩的介质，不考虑流动过程中的能量转换和损失，并假设压力区域对所有相都是一样的，用SIMPLE法耦合压力和单相速度。

4 計算结果及分析

4.1 不同的喷射压力对喷油嘴内燃油流动及雾化的影响

图4为不同压力下喷油孔的速度矢量图，锥度α为2。，（a）、（b）、（c）分别为进口压力为40Mpa、60Mpa、80MPa、100MPa的速度矢量图，可以看出，在进入喷油嘴压力室速度有明显地变化，在喷孔进口的拐角处尤为明显。在喷孔处，由壁面到中心，速度由大到小进行变化，最大速度分别为296.3279m/s、366.1172m/s、419.5812m/s、468.5277m/s，即在出口压力不变的情况下，燃油在喷孔内的最大流速随着进口压力的增大而增大，因为当喷射压力增大时，进出口的压差 变大，根据公式 ，即喷孔处的流速增大，进一步改善燃油的雾化，可以大大增加其与周围空气接触的蒸发表面积，加速了从空气中的吸热过程和液滴的汽化过程，对混合气的形成起到了重要的作用。

4.2 不同的喷孔锥度对喷油嘴内燃油流动及雾化的影响

图5为不同锥度下喷油嘴的速度矢量图，进口压力为60MPa，出口压力为0.1 MPa。为了更清楚的看到喷孔内燃油流动情况，对喷孔处局部放大。如图6（a）、（b）、（c）、（d）、（e），可以看出，燃油流动速度在其流动方向不断增大，在喷孔的出口处达到最大。此外，随着喷油孔锥度的不断增大，燃油在喷嘴内的速度也随之增大，燃油流动的最大速度分别为 316.4301m/s、345.5258m/s、357.4959m/s、361.1325m/s、366.1172，喷孔出口的速度大小影响着燃油的雾化特性，进而影响着柴油机的经济性、动力性和排放指标。较小的喷孔直径有较高的喷油压力，可以使喷出油粒直径变小，油束相对贯穿度较大，喷雾锥角增大。

5 结论

（1）通过对柴油机倒锥形喷油孔内燃油流动的三维数值模拟，能够反映出在不同的喷射压力下，燃油在喷嘴内的流动情况以及其流动速度的变化。随着进出口的压差 变大，喷孔处的流速增大，进一步改善燃油的雾化，大大增加其与周围空气接触的蒸发表面积，加速了从空气中的吸热过程和液滴的汽化过程，对混合气的形成起到了重要的作用，最终柴油机的经济性、动力性和排放指标得到了改善。

（2）通过比较，倒锥形喷油孔优于直孔喷油孔的雾化效果，在进出口压力一定的条件下，随着喷油孔锥度的增大，喷油嘴内的燃油流动速度呈增大趋势，使得油滴的平均直径减小，而燃烧系统喷雾的油滴平均直径越小，则雾化质量越好，进而为燃油喷射系统的优化设计和改进提供理论依据。

参考文献

[1] 魏明锐，文华，刘会猛.等.柴油机孔式喷油嘴内空穴流动的模拟分析[J].内燃机学报， 2006， 24（6）：526 -530.

[2] 马洪驹，李勇，张龙.微细倒锥孔电火花加工机构设计及其实验研究[J].电加工与模具，2010（5）.

[3] 胡瑞钦，李勇，孔全存.微细电解加工倒锥孔的仿真与实验.电化学加工技术.

[4] 姜光军，高国珍，文华.柴油机喷油嘴内燃油流动三维数值模拟[J].南昌大学学报，2008，30（1）.

[5] 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，2003，126（1）：63-72.

[6] 徐波，张宗杰.三维流场数值模拟在柴油机喷油嘴中的应用[J].柴油机设计与制造，2005，14（1）.