黃 康，歐陽(yáng)光耀，安士杰，常漢寶

(1.中國(guó)空氣動(dòng)力研究與發(fā)展中心高速所，綿陽(yáng) 621000； 2.海軍工程大學(xué)動(dòng)力工程學(xué)院，武漢 430033)

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2015090

雙層交錯(cuò)多孔噴嘴噴霧特性仿真與試驗(yàn)研究*

黃 康1,2，歐陽(yáng)光耀2，安士杰2，常漢寶2

(1.中國(guó)空氣動(dòng)力研究與發(fā)展中心高速所，綿陽(yáng) 621000； 2.海軍工程大學(xué)動(dòng)力工程學(xué)院，武漢 430033)

本文中采用高速攝影和圖像處理技術(shù)，研究了雙層交錯(cuò)多孔噴嘴的噴霧特性，獲取了噴霧的特性參數(shù)，對(duì)比了雙層交錯(cuò)多孔噴嘴與傳統(tǒng)單層噴嘴的噴霧貫穿距和噴霧錐角。結(jié)果表明，雙層交錯(cuò)多孔噴嘴噴霧貫穿距較短、噴霧錐角較大。同時(shí)建立了與定容室內(nèi)噴霧發(fā)展過(guò)程的仿真模型并進(jìn)行了仿真，雙層交錯(cuò)多孔噴嘴噴霧貫穿距的仿真結(jié)果與試驗(yàn)數(shù)據(jù)很接近，驗(yàn)證了所建模型的準(zhǔn)確性。

雙層交錯(cuò)多孔噴嘴；噴霧貫穿距；噴霧錐角

前言

柴油機(jī)傳統(tǒng)燃燒方式屬于噴霧的擴(kuò)散燃燒，因此在柴油機(jī)工作過(guò)程中噴霧特性對(duì)燃燒排放性能的優(yōu)劣起決定性的影響[1-2]。雙層交錯(cuò)布置多孔噴嘴的噴孔采用上下兩層交錯(cuò)布置方式，目的是使燃油在燃燒室空間內(nèi)在軸向和周向上盡可能地均勻分布，減少燃燒過(guò)程中的高溫富油區(qū)[3]。

對(duì)于雙層交錯(cuò)布置的多孔噴嘴，噴孔布置方式與傳統(tǒng)噴嘴有很大不同，必將導(dǎo)致噴霧形態(tài)的改變。因此對(duì)雙層交錯(cuò)布置多孔噴嘴高壓噴射霧化和油束特性進(jìn)行深入的研究，是進(jìn)一步改善發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒特性與排放特性的迫切需要，也是準(zhǔn)確模擬采用雙層交錯(cuò)布置多孔噴嘴的柴油機(jī)燃燒過(guò)程的一個(gè)關(guān)鍵因素。

本文中采用高速攝影技術(shù)對(duì)雙層交錯(cuò)布置多孔噴嘴和傳統(tǒng)單層噴嘴在定容室內(nèi)的噴霧發(fā)展過(guò)程進(jìn)行高速攝影研究。

1 試驗(yàn)裝置簡(jiǎn)介

高壓噴射高速閃光攝像測(cè)試臺(tái)架示意圖如圖1所示。燃油噴霧高速閃光攝像測(cè)試臺(tái)架由高壓油泵、共軌管路、電控噴油器和ECU等組成。拍攝系統(tǒng)采用FastCAM-APX120K CCD高速攝影儀，在拍攝速率為10 000fps下，拍攝的有效像素為512×256，光譜響應(yīng)范圍為0.4～1.1m。控制系統(tǒng)是由電腦操縱的控制端，與ECU和驅(qū)動(dòng)電路連接。背壓系統(tǒng)用于燃燒室的靜態(tài)模擬。

2 試驗(yàn)方案

試驗(yàn)主要研究單層噴嘴和雙層交錯(cuò)布置多孔噴嘴的噴霧特性，試驗(yàn)方案見(jiàn)表1。試驗(yàn)環(huán)境溫度27℃，高壓共軌腔壓力保持在120MPa，噴油脈寬為2ms，噴射用柴油為0#輕柴油。傳統(tǒng)單層噴嘴和雙層交錯(cuò)布置多孔噴嘴頭部放大圖如圖2所示。

表1 噴霧試驗(yàn)方案

3 仿真模型與計(jì)算網(wǎng)格

AVL公司的Fire軟件對(duì)噴霧的模擬采用離散液滴模型(DDM)，本文中選用KH-RT二次油滴破碎模型模擬燃油的二次破碎過(guò)程，選用Nordin模型模擬燃油液滴的碰撞聚合。

計(jì)算網(wǎng)格如圖3所示。將前期雙層交錯(cuò)布置多孔噴嘴內(nèi)流場(chǎng)計(jì)算出nozzle文件作為邊界條件導(dǎo)入，使噴孔內(nèi)流場(chǎng)與噴霧發(fā)展過(guò)程耦合起來(lái)，進(jìn)行噴霧的數(shù)值模擬。計(jì)算初始條件設(shè)置與試驗(yàn)條件相同，噴射壓力為120MPa，噴射脈寬為2ms，噴射背壓為3MPa。

4 仿真和試驗(yàn)結(jié)果及分析

4.1 雙層交錯(cuò)布置多孔噴嘴與單層噴嘴噴霧的比較

圖4為單層噴嘴和雙層交錯(cuò)布置多孔噴嘴噴霧過(guò)程的側(cè)向噴霧圖像，背壓為大氣壓。由圖可見(jiàn)，雙層交錯(cuò)布置多孔噴嘴由于噴孔采用上下層交錯(cuò)布置，噴霧作用范圍明顯增大，非常適用于提高噴霧過(guò)程中燃油在燃燒室內(nèi)的均勻分布。

圖5為單層噴嘴和雙層交錯(cuò)布置多孔噴嘴在噴射壓力為120MPa、噴油控制脈寬為2ms和背壓為3MPa時(shí)，從噴油器底部拍到的噴霧發(fā)展過(guò)程。從圖中可以看出，雙層交錯(cuò)布置多孔噴嘴相鄰霧束間存在一定的差異，這主要是因?yàn)橄噜弴娍撞捎蒙舷聦硬贾梅绞?，上下層噴孔噴射夾角不同所致。

在相同的噴射壓力、噴射背壓下，雙層交錯(cuò)布置多孔噴嘴和單層噴嘴的噴霧貫穿距如圖6所示。由圖可見(jiàn)，在同一時(shí)刻下，雙層交錯(cuò)布置多孔噴嘴的噴霧貫穿距要明顯小于單層噴嘴的噴霧貫穿距。因此，雙層交錯(cuò)布置多孔噴嘴能避免或減輕噴霧與燃燒室壁面或氣缸壁面的撞壁現(xiàn)象。

圖7為由噴霧照片處理而得的雙層交錯(cuò)布置多孔噴嘴和單層噴嘴噴霧對(duì)應(yīng)圖像的噴霧錐角。從圖中比較得出，雙層交錯(cuò)布置噴孔油嘴的噴霧錐角比單層噴嘴的噴霧錐角要大。主要是因?yàn)殡p層交錯(cuò)布置多孔噴嘴噴孔直徑較小，燃油從噴孔噴出后發(fā)生二次破碎的距離提前，燃油索特平均直徑減小，燃油顆粒易受空氣阻力的影響而發(fā)生運(yùn)動(dòng)偏移。

4.2 雙層交錯(cuò)布置多孔噴嘴噴霧發(fā)展過(guò)程仿真結(jié)果

圖8為雙層交錯(cuò)布置多孔噴嘴在定容室內(nèi)噴霧過(guò)程側(cè)面及底部圖像。圖9為試驗(yàn)測(cè)試所得噴霧貫穿距與仿真值的比較。由圖可見(jiàn)，雙層交錯(cuò)布置多孔噴嘴噴霧貫穿距試驗(yàn)值與仿真值吻合較好，說(shuō)明噴霧模型參數(shù)設(shè)置較為合理，能較好地模擬燃油噴霧過(guò)程。

5 結(jié)論

建立了定容室內(nèi)的雙層交錯(cuò)布置多孔噴嘴噴射模型，并采用高速攝像技術(shù)，研究了雙層交錯(cuò)布置多孔噴嘴與單層噴嘴的噴霧特性的差異，對(duì)噴霧特性參數(shù)進(jìn)行了分析，并驗(yàn)證了所建噴霧模型的正確性，得出了以下結(jié)論。

(1) 通過(guò)比較分析單層噴嘴與雙層交錯(cuò)布置多孔噴嘴的噴霧特性，得出雙層交錯(cuò)布置多孔噴嘴的噴霧貫穿距比單層噴孔噴霧貫穿距要小，噴霧錐角較大。

(2) 通過(guò)噴霧特性試驗(yàn)研究中獲得的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，驗(yàn)證了噴霧仿真模型，仿真所得噴霧貫穿距與試驗(yàn)所得噴霧貫穿距吻合較好，說(shuō)明所選噴霧模型和網(wǎng)格尺寸可以較好地模擬噴霧過(guò)程。

[1] 蔣德明.內(nèi)燃機(jī)燃燒與排放學(xué)[M].西安:西安交通大學(xué)出版社,2001.

[2] 蘇萬(wàn)華,趙華,王建昕,等.均質(zhì)壓燃低溫燃燒發(fā)動(dòng)機(jī)理論與技術(shù)[M].北京:科學(xué)出版社,2010.

[3] 黃康,歐陽(yáng)光耀,安士杰,等.雙層交錯(cuò)布置多孔噴嘴設(shè)計(jì)與仿真研究[J].上海交通大學(xué)學(xué)報(bào),2013(3):434-437.

[4] 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,2004,126(1):63-71.

[5] Ahmet Kilic. Influence of Nozzle Parameters on Single Jet Flow Quantities of Multi-Hole Diesel Injection Nozzles[C]. SAE Paper 2006-01-1983.

[6] Inderpal S, Lurun Z, Minq-Chia D, et al. Effect of Nozzle Hole Geometry on a Hsdi Diesel Engine-Out Emissions[C]. SAE Paper 2003-01-0704.

[7] AVL-Fire Reference Manual, Version8.5[EB/OL]. http://www.avl.com,2006-12.

Simulation and Experimental Study on the Spray Characteristics ofDouble-row Staggered Multi-hole Nozzle

Huang Kang1,2, Ouyang Guangyao2, An Shijie2& Chang Hanbao2

1.TheHighSpeedAerodynamicInstitute,ChinaAerodynamicResearchandDevelopmentCenter,Mianyang621000;2.PowerEngineeringAcademy,NavyUniversityofEngineering,Wuhan430033

In this paper, by using the technologies of high-speed photography and image processing, the spray characteristics of double-row staggered multi-hole nozzle is studied with the spray characteristic parameters obtained and the spray penetration distance and cone angle of double-row staggered multi-hole nozzle and traditional single-row nozzle compared. The results show that the spray penetration distance of double-row staggered multi-hole nozzle is shorter and its spray cone angle is larger, compared with traditional single-row nozzle. Meanwhile a simulation model for spray development process in constant volume chamber is established and a simulation is conducted with the simulation result of the spray penetration distance of double-row staggered multi-hole nozzle very close to test data, verifying the correctness of the model built.

double-row staggered multi-hole nozzle; spray penetration distance; spray cone angle

*國(guó)防“十二五”預(yù)研項(xiàng)目(2010701010101)資助。

原稿收到日期為2013年10月9日，修改稿收到日期為2013年11月13日。