喷射压力对生物柴油混合燃料喷雾特性的影响

袁文华 侯映雪 伏军 颜飞斌 王振 吴磊

摘要：基于KH-RT液滴破碎模型对定容燃烧弹内生物柴油-正丁醇混合燃料的喷雾贯穿距离、喷雾锥角、索特平均粒径、速度场以浓度场进行数值模拟，通过定容燃烧弹试验台架获取的生物柴油-正丁醇混合燃料的喷雾特性对数值模型进行验证，结果表明：随着喷射压力的增加，BD70N30混合燃料的喷雾贯穿距和喷雾锥角增加;索特平均粒径降低;雾束中心高速区域增大且高浓度区域减小。增大喷射压力更易于BD70N30混合燃料的破碎与蒸发。

Abstract： Based on KH - RT droplet breakage model of constant volume Molotov cocktails in biodiesel - n-butyl alcohol mixed fuel spray through the distance， spray cone Angle， sauter mean diameter， velocity field numerical simulation on concentration field， through the constant volume Molotov cocktails test-bed for biodiesel - n-butyl alcohol mixed fuel spray characteristics to validate the numerical model， the results show that：  With the increase of injection pressure， the spray penetration distance and spray cone Angle of BD70N30 mixture fuel increase.  Sault average particle size decreased;  The high speed area in the center of fog beam increases and the high concentration area decreases.  Increasing the injection pressure makes it easier for BD70N30 mixture fuel to break and evaporate.

關键词：KH-RT液滴破碎模型;喷雾特性;生物柴油;正丁醇

Key words： KH-RT droplet crushing model;spray characteristics;biodiesel;N-butyl alcohol

中图分类号：TK421                                   文献标识码：A                                  文章编号：1674-957X（2022）04-0067-04

0  引言

随着排放法规的日益严格与石油资源的日益短缺，我国内燃机行业面临更加艰巨的节能减排挑战。近年来生物柴油由于其原料来源广泛、制取成本较低、性能媲美柴油、清洁环保等优点，一度成为研究热点之一。生物柴油与传统柴油的喷雾燃烧特性较为相似，因此在不用改进现有柴油机的前提下，生物柴油可直接用于传统的柴油机燃烧系统[1]。国内外许多学者对生物柴油的喷雾燃烧特性进行了大量的研究， GENG等人[2]基于试验台架研究了燃料喷射压力和喷孔直径对生物柴油喷雾特性的影响，发现提高喷射压力，喷雾贯穿距离和喷雾锥角增大，喷孔减小可以改善雾化。HASSAN和KHALID等人[3]基于Fluent软件模拟分析了高温环境下的生物柴油喷雾特性，发现燃烧室内环境温度的升高会导致燃料的喷雾贯穿距离和喷雾锥角增大。Mohan B等人[4]研究了生物柴油及生物柴油与普通柴油混合燃料在高喷射压力和背压下的雾化特性，发现与普通柴油和混合燃料相比，混合燃料具有更大的喷雾贯穿距离和更小的喷雾锥角。Mirhashemi F S等人[5]和Atmanli A等人[6]研究表明：不改变柴油机结构的前提下，燃用生物柴油可以大幅减少CO、HC的排放，但是NOX的排放会增加。为了解决柴油发动机燃用生物柴油NOX的排放增加的问题，通常主要采用双燃料燃烧技术或添加添加剂组成二元混合燃料燃烧技术。目前关于生物柴油和醇类燃料二元混合的研究较多，主要有生物柴油-乙醇混合燃料[7-8]、生物柴油-正丁醇混合燃料[9-10]、生物柴油-正戊醇混合燃料[11-12]等。由于正丁醇较乙醇的十六烷值和热值更高，粘度更高，正丁醇比乙醇更能有效的改善生物柴油的燃料特性[13-14]。综上所述，虽然国内外关于生物柴油喷雾特性的研究较多，由于生物柴油与醇类燃料的混合燃料粘度较低，在较高喷射压力情况下，高压燃油喷射系统容易被磨损而失效，因此当前实验研究工况大多集中在燃料低压喷射工况下，而对于中高压燃料喷射工况的研究报道相对较少，鉴于此，本文利用定容燃烧弹试验台架获取生物柴油与丁醇混合燃料在中高压喷射压力下的喷雾过程，然后验证KH-RT液滴破碎模型并对定容燃烧弹内生物柴油的喷雾过程进行数值模拟，研究生物柴油-正丁醇混合燃料在不同喷油压力对喷雾贯穿距离、喷雾锥角、索特平均直径（SMD）、速度场、浓度场的影响。

1  喷雾可视化实验

本实验采用直接拍摄法记录混合燃料在常温条件下的喷雾过程，定容燃烧弹实验台架布局如图1所示。实验台架主要由定容燃烧弹系统、高压喷射系统、同步控制系统、高速摄像系统和加热系统五部分组成。定容燃烧弹为不锈钢加工而成的圆柱形罐体，四周均匀分布4个直径为100mm的圆形视窗，模拟发动机缸内雾束发展情况;高压喷射系统为喷雾可视化试验平台提供设定的喷射压力和喷油脉宽;同步控制系统在喷油器喷油的瞬间发出脉冲信号触发高速相机进行拍摄记录;高速摄像系统负责拍摄燃料喷射过程;加热系统是模拟发动机燃烧室内的不同工况。本文中的喷油器为单孔电磁喷油器，喷孔直径为0.168mm。高速相机型号为PhotronFASTCAMSA-X2，该试验设定拍摄频率为20000帧/s，快门速度为1/40000s，具体试验工况如表1所示。

2  仿真实验及验证

2.1 喷雾模型

模拟燃料喷雾过程，通常用到WAVE模型、KH-RT模型、FIPA模型、TAB模型、HUH-GOSMAN模型等，其中KH-RT模型既可用于模拟柴油机喷雾又可用于汽油机喷雾。KH-RT液滴破碎模型是指由液滴与气体之间的速度差而产生的KH波不稳定性增长和气体和液滴界面法线方向的密度差而产生的RT波不稳定增长，KH和RT不稳定波共同作用导致液滴雾化破碎。

 2.2 計算网格及边界设置

定容燃烧弹内部区域简化后的流体域模型如图2（a）所示，其中，流体域为直径80mm、长度为100mm的圆柱体。图2（b）为流体域截面示意图，喷油器喷嘴出口位于圆柱体上表面的圆心，喷出的雾束主要集中于圆柱体的中心轴线附近区域。为了提高计算的精度，需要对喷雾区域进行加密处理，生成的网格如图2（c）所示，其中，网格最小尺寸为0.25mm，总网格数为320000，网格类型均为六面体网格。仿真温度边界与试验设定的温度一致。

2.3 燃料理化特性

本试验燃料为高比例生物柴油掺混正丁醇混合燃料，混合燃料中生物柴油所占比例为70%，正丁醇所占比例为30%，记为BD70N30。此外生物柴油记为BD100，正丁醇记为N100，燃料理化参数如表 2所示。

2.4 模型验证

为了验证模型的精度，采用的方法是将模拟计算得到的喷雾形态和喷雾贯穿距离与试验结果进行对比，选取喷射压力 70MPa、环境压力 2MPa、喷雾脉宽 1.0ms这一工况下进行仿真模拟，图3为BD70N30 喷雾形态试验与仿真对比图，图4为BD70N30喷雾贯穿距离实验与仿真对比，由图4可知喷雾模型模拟出喷雾结果与试验结果能够较好的吻合，且仿真模拟出的结果与试验所测定的喷雾贯穿距离相比较，最大误差值为0.044mm，最小误差值为0.021mm，因此构建喷雾模型能够较好的模拟喷雾的整个发展过程。

3  结果分析与讨论

3.1 喷雾贯穿距离

图5展示了BD70N30在四种不同喷射压力50MPa、70MPa、120MPa、130MPa下的喷雾贯穿距离随时间变化规律，在1.0ms时刻，喷射压力为50MPa对应的喷雾贯穿距为55.52mm，当喷射压力提高到70MPa时，喷雾贯穿距相应的提高为61.38mm。喷射压力由50MPa升高到120MPa时同一时刻下喷雾贯穿距增大较明显，而120MPa升高到130MPa时同一时刻下喷雾贯穿距涨幅较小。

3.2 喷雾锥角

图6展示了BD70N30在四种不同喷射压力（50MPa、70MPa、120MPa、130MPa）下不同时刻的喷雾锥角，喷射压力由50MPa提高到130MPa时，0.4ms对应的喷雾锥角变化最大，从11.7°增大到13.4°;喷射压力由120MPa提高到130MPa时，0.6ms对应的喷雾锥角变化最大，从12.54°提高到13.52°。喷射瞬间喷油量少，混合燃料与周围空气的卷吸作用较为明显，0.1s时刻喷雾锥角达到最大值后，随着时间推移不断波动，在0.6s时刻之后喷雾锥角变化趋于稳定。

3.3 SMD

图7展示了BD70N30在不同喷射压力（50MPa、70MPa、120MPa）下的SMD随时间变化曲线，喷射压力由 50MPa 升高到 70MPa，SMD 下降幅度较少，其中在 1.0ms 时刻，SMD 下降 10.42%，喷射压力由 70MPa 升高到 120MPa，SMD 下降比较明显，其中在 1.0ms 时刻，SMD 下降 37.58%。喷射压力增大，油束动能增加，气液相对速度变大，在喷射瞬间到0.1s时刻变化激烈后趋于稳定，在0.4s时刻，喷射压力120MPa对比于喷射压力50MPa液滴破碎效果更好。

3.4 速度场

图8展示了 BD70N30 燃料在 50MPa、70MPa、120MPa 三种喷射压力下 0.3ms、0.5ms、0.7ms 对应的速度场，在0.5ms 时刻，50MPa、120MPa 喷射压力下速度最高分别为 128m/s 和 160m/s，喷射压力由 50MPa 升高到 120MPa，最高速度提高 32m/s。三种喷射压力下相同时刻对应的速度场分布基本相同，均为雾束中心区域液滴速度最高，由中心到雾束轮廓边界速度依次降低。喷射压力从50MPa升高到120MPa时，燃油雾束速度明显增大，燃油雾束与空气的卷吸作用明显变强。

3.5 浓度场

图9展示了 BD70N30 燃料在 50MPa、70MPa、120MPa 三种喷射压力下 0.3ms、0.5ms、0.7ms 对应的浓度场，不同喷射压力下燃料雾束液滴浓度场的中心区域浓度最高，由中心到雾束轮廓边界浓度依次降低，而伴随着燃料喷射压力升高，浓度场中心的红色区域面积减小，即雾束中心高浓度区域面积减小。燃料喷射压力从50MPa升高到120MPa时，单次喷射燃料速度增加，燃料由喷孔射出的初始动能提高，较高速度的液滴与环境介质气体相互作用更剧烈，燃料更容易破碎和蒸发。

4  结论

本文开展了BD70N30燃料的喷雾可视化实验并基于KH-RT液滴破碎模型进行了数值模拟，研究了喷射压力对BD70N30燃料喷雾贯穿距、喷雾锥角、SMD、速度场和浓度场的影响，结论如下：①喷射压力对BD70N30燃料的喷雾贯穿距有一定影响。在1.0ms时刻，喷射压力为50MPa对应的喷雾贯穿距为55.52mm，当喷射压力提高到70MPa时，喷雾贯穿距相应的提高为61.38mm。②在相同时刻，不同喷射压力对BD70N30混合燃料的喷雾锥角影响较小。喷射压力由50MPa提高到130MPa时，0.4ms对应的喷雾锥角增加了1.7°;喷射压力由120MPa提高到130MPa时，0.6ms对应的喷雾锥角增加了0.98°。③对于BD70N30燃料，SMD随喷射压力变化趋势为SMD前期变化率较大，后期变化率较小，随后趋于稳定。④对于BD70N30燃料，在喷射压力为50MPa时燃料雾束液滴浓度场的中心区域浓度最高，由中心到雾束轮廓边界浓度依次降低，当喷射压力升高到120MPa时，浓度场中心红色区域明显减少。

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