王曉翠

(鄭州信息工程職業(yè)學院機電工程系， 河南鄭州 450121)

引言

現(xiàn)階段，環(huán)境保護和資源的高效利用已經(jīng)受到人們密切關注，這對內(nèi)燃機運行過程中的霧化性能提出了更高的技術要求。其中，高壓噴射作為一種提升霧化效果的重要方法，在當前的柴油機制造領域開始廣泛使用高壓共軌噴射系統(tǒng)[1-2]。當噴嘴區(qū)形成高壓噴射狀態(tài)時，該區(qū)域將出現(xiàn)多種形式的空化流動并發(fā)生強烈的湍流[4-7]。因為實際測試結果受到設備結構、人工操作和數(shù)據(jù)精度的顯著影響，所以很多科研工作者通常會利用數(shù)值模擬的方法對燃油在噴孔內(nèi)的流動狀態(tài)及其霧化程度進行分析。在模擬燃油的射流和霧化過程時，需要將噴孔內(nèi)的燃油流動過程模擬數(shù)據(jù)作為初始參數(shù)再進行聯(lián)合仿真。WANG F等[8]通過實驗測試過程，并結合理論分析構建出噴孔發(fā)生空化流動以及形成霧化狀態(tài)時的耦合模型，根據(jù)此模型可以發(fā)現(xiàn)燃油機運行性能受到噴嘴空化流動情況的明顯影響，之后對比分析了具有特定外形結構的噴嘴仿真結果及各自的噴霧特點，以上模擬結果顯示噴嘴流量和噴霧效果與噴腔容積、噴嘴孔半徑和鉆孔角度都存在緊密關聯(lián)。EDELBAUER W[9]采用新的數(shù)值分析方法研究了噴嘴處的液-氣界面變化過程，并且對噴嘴處產(chǎn)生空化射流破裂的原因進行了分析，針對液、汽、氣三相混合體系發(fā)生液體破裂并由此導致的體積改變規(guī)律進行了深入探討,此外為進一步得到更加精確的數(shù)值測試結果，應用歐拉模型分析了液體質(zhì)量和動量的變化特征。TAGHAVIFAR H等[10]對比分析了各個噴嘴孔傾斜角與針閥高度狀態(tài)對應的噴孔霧化特點，并且對噴孔內(nèi)微觀流動形態(tài)進行了研究，測試結果表明：在較小的夾角下會出現(xiàn)低空化現(xiàn)象，并且還會增加噴嘴的黏度，而提高傾斜角之后又會增大壓力室中的黏度以及降低噴嘴介質(zhì)黏度，導致噴嘴處發(fā)生空化。

目前的柴油機壓縮比持續(xù)提高，使噴油嘴進氣壓力和入口壓力也顯著上升，并且在預噴因素的作用下，當燃燒室發(fā)生主噴過程，會引起壓力的明顯上升[11-12]。受以上高壓噴射過程影響，可以產(chǎn)生更好的霧化效果，使燃油利用率得到顯著提高。柴油機噴嘴處會產(chǎn)生燃油空化，是因為噴油管的截面會發(fā)生快速縮小的情況，使燃油局部壓力低于該溫度下的飽和蒸汽壓，這時將會產(chǎn)生大量柴油蒸汽，從而引起空化現(xiàn)象，使噴管內(nèi)形成氣液兩相共同流動的情況。介質(zhì)在噴孔內(nèi)的空化狀態(tài)通?？梢岳脷庀嗪鸵合囿w積比進行分析。因為本研究中的流動介質(zhì)只包含兩種物相，所以本研究只對氣相介質(zhì)的體積比進行分析。

表1 柴油物理參數(shù)

1 內(nèi)部流動數(shù)學模型

如表1所示，是商用柴油到達噴孔位置后處于流動狀態(tài)下的參數(shù)，可以把流動過程表示為下述連續(xù)方程：

(1)

其中，k和l依次對應不同的物質(zhì)形態(tài)，其中，當k=1 時代表氣相，k=2時代表液相；αk屬于k相體積比；ρk表示k相密度；vk表示k相流動速度；t表示時間；Γkl表示k相和l相的質(zhì)量傳輸速率。

αk需符合以下等式關系：

(2)

將其表示以下動量方程的形式：

▽·(αk·ρk·vk·vk)=

(3)

其中，Mkl為k相的界面張力；g為代表重力加速度；p為燃油壓力，在構建兩相流體模型的過程中，假定氣液兩相壓力相同，可將其表示成如下等式：

p=p1=p2

(4)

其中，τk為k相切應力，具體計算方程為：

(5)

其中，Ttl為k相雷諾應力，計算方程為：

(6)

(7)

(8)

其中，k1為柴油蒸汽的湍流動能；ε1為柴油蒸汽發(fā)生湍流時的動能耗散率；Cμ為一個常數(shù)，一把取0.09。

(9)

(10)

(11)

采用線性空化模型對介質(zhì)在噴孔內(nèi)的質(zhì)量傳輸進行模擬，在此基礎上對燃油空泡的生成、擴展及破裂進行模擬，最終得到如下形式的計算方程式：

(12)

(13)

(14)

其中， Δp為空化氣泡形成和消潰時的有效壓差，利用下述表達式對其進行計算：

(15)

其中，CE為Egler系數(shù)，取值區(qū)間為1～1.4。

2 內(nèi)部流動特性幾何模型

本研究采用的是某兩氣門柴油機無壓力室噴油器，其噴油嘴有5個非對稱布置的噴孔。各個噴孔中心與針閥軸線之間存在一定的夾角，其各個噴孔的直徑和長度都一致。從圖1中可以看到本研究給出的各項邊界條件，其中入口壓力是一個固定數(shù)值，再設置不同的出口壓力。為更加準確描述與比較空化和非空化噴嘴的特征，需根據(jù)發(fā)動機運行情況選出3個代表不同階段特征的特定噴射壓力后再分析，依次為30， 80， 160 MPa。

圖1 邊界條件

本研究利用Fluent16.2軟件進行數(shù)值模擬。對于噴孔流場區(qū)域采用0.01 mm的網(wǎng)格大小進行劃分。整個流場區(qū)域的總的網(wǎng)格數(shù)量約為900000。計算網(wǎng)格結果如圖2a所示。采用正六面體的結構化網(wǎng)格來進行劃分，整個霧場包含了400000個單元，其網(wǎng)格模型如圖2b所示。

圖2 三維計算網(wǎng)格

首先設定好軟件的初始參數(shù)，再對模型實施數(shù)值仿真，之后將會生成一個結果數(shù)據(jù)文件，從該文件給出的模型截面中可以獲得所需的流動參數(shù)，如圖3所示，是噴油器流場中心剖面和選定截面區(qū)域形成的霧化模擬云圖?？梢娝⒛Ｐ偷?個噴嘴霧化效果明顯，形成了均勻的霧化場。

圖3 霧化模擬云圖

3 各孔空化強度對比分析

3.1 空化程度

為了更好地對比非對稱噴油孔在不同瞬態(tài)流動狀態(tài)下的區(qū)別，針對各種出口壓力下的截面氣相體積比進行了測試分析，圖4給出了不同進口壓力下氣相體積分數(shù)占比Q隨進出口壓力差Δp0的變化。從圖4中可以看到當進口壓力分別等于30， 80， 160 MPa時對應的氣相體積比，并且在上述所有進口壓力下，出現(xiàn)空化的氣相體積比和壓力差上升速度都表現(xiàn)為1孔、 5孔、 2孔、 3孔、 4孔逐漸降低的變化規(guī)律，該結果與噴嘴孔軸線夾角順序一致。根據(jù)以上分析可知，當夾角變大空化現(xiàn)象也會更明顯。產(chǎn)生此現(xiàn)象的原因是，在更大的軸向夾角下，燃油流動的偏轉角也會明顯增大，導致流動速度明顯增大，壓強減小，從而發(fā)生空化的情況，顯著增加氣相體積比。在只有氣相體積比數(shù)據(jù)的情況下，不能推導出具體的空化情況，這是因為當噴孔內(nèi)流出介質(zhì)時，除了噴孔上部存在氣相成分外，還有一些氣相將混入液相中并從噴孔其他區(qū)域噴出，所以在19%的氣相體積比條件下，噴孔上部的氣相體積比實際將會低于該值，這時需要結合實際模擬得到的截面氣相體積分數(shù)圖開展綜合分析。

圖4 各孔出口截面處氣相體積分數(shù)占比

如圖5所示，是在進口壓力等于80 MPa與出口壓力等于1 MPa狀態(tài)下對應的噴孔截面分布圖。可以明顯看到，當進出口壓力確定后，通過分析空化云圖可知空化程度表現(xiàn)為按照1孔、5孔、2孔、3孔、4孔不斷降低的趨勢，并且還可以發(fā)現(xiàn)空化現(xiàn)象基本都出現(xiàn)在轉角上部。

圖5 產(chǎn)生空化時氣相體積分數(shù)云圖

3.2 孔質(zhì)量流率

噴油器非對稱噴嘴各孔不同進口壓力下質(zhì)量流率Z隨進出口壓力差Δp0的變化如圖6所示。從圖6中可以看到，無論在何種進口壓力下，噴嘴各孔質(zhì)量流率均隨進出口壓力差表現(xiàn)出單調(diào)增加的變化規(guī)律，之后趨于一定的穩(wěn)定。這是因為當壓力差增加后，氣相體積比隨之上升，噴嘴內(nèi)部流速也會隨之增大，當流速增大到一個恒定值后便可以形成穩(wěn)定質(zhì)量流率。

圖6 各孔質(zhì)量流率與進出口壓力差的關系

在進口壓力30 MPa下，壓力增大后將會促進質(zhì)量流率的升高；在80 MPa的進口壓力與70 MPa壓力差條件下，質(zhì)量流率不會發(fā)生顯著改變；隨著進口壓力與壓力差分別增大到160 MPa與130 MPa后，質(zhì)量流率處于一個恒定狀態(tài)。這是因為隨著進口壓力增加產(chǎn)生空化現(xiàn)象后，進口壓力繼續(xù)增加，噴嘴射流的能力達到極限，霧化液滴離開噴嘴后的速度增加的不明顯，質(zhì)量流率達到一個穩(wěn)定狀態(tài)。結合以上分析可以知道，質(zhì)量流率與壓力差以及進口壓力間都存在較明顯的影響關系。

4 結論

(1) 非對稱噴嘴霧化云圖顯示噴嘴內(nèi)部形成了均勻的霧化場，噴嘴出現(xiàn)空化的氣相體積比和壓力差上升速度都表現(xiàn)為1孔、5孔、2孔、3孔、4孔逐漸降低的變化規(guī)律，并且空化現(xiàn)象基本都出現(xiàn)在轉角上部；

(2) 無論在何種進口壓力下，噴嘴各孔質(zhì)量流率均隨進出口壓力差表現(xiàn)出單調(diào)增加的變化規(guī)律，之后趨于一定的穩(wěn)定。在30 MPa進口壓力下，壓力增大后將會促進質(zhì)量流率的升高；在80 MPa的進口壓力下，質(zhì)量流率不會發(fā)生顯著改變；隨著進口壓力達到160 MPa，質(zhì)量流率處于一個恒定狀態(tài)。