曹福來，郭瑞瑞

（許昌學(xué)院 電氣與機(jī)械工程學(xué)院，河南 許昌 461000）

前言

燃油通過發(fā)動機(jī)噴油器進(jìn)行噴射、霧化以及與空氣混合，因此研究噴油器燃油霧化的特性意義重大[1]。國內(nèi)對噴油嘴霧化特性研究起步晚，華中科技大學(xué)魏明瑞分析了流動空穴對霧化特性的影響；江蘇大學(xué)王謙搭建了噴霧可視化試平臺；天津大學(xué)張軍利用歐拉多相流計(jì)算方法模擬計(jì)算噴霧特性[2]。計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展使得計(jì)算流體動力學(xué)得到了廣泛的應(yīng)用，它既不像傳統(tǒng)流動學(xué)過分依賴抽象假設(shè)也不需要浪費(fèi)資源搭建實(shí)驗(yàn)平臺，利用FLUENT軟件領(lǐng)先的計(jì)算方法、超高的前后處理水平以及豐富而先進(jìn)的湍流模型來研究發(fā)動機(jī)噴油嘴霧化特性具有明顯的優(yōu)勢。

1 噴霧模擬計(jì)算的基本計(jì)算方法

發(fā)動機(jī)燃油在噴油嘴里流動的過程中屬于連續(xù)運(yùn)動的介質(zhì)，而所有流體都遵循物理學(xué)的三大守恒定律，因此發(fā)動機(jī)噴霧的模擬也遵循基本的控制方程，主要有流體力學(xué)質(zhì)量守恒方程、流體力學(xué)動量守恒方程、流體力學(xué)的能量守恒方程和流體力學(xué)組分質(zhì)量守恒方程[3]。傳統(tǒng)的湍流數(shù)值模擬方法主要有三種，第一種是雷諾平均N-S方程方法，通過封閉的雷諾平均N-S方程求解脈動對平均運(yùn)動的影響，其包含渦黏性封閉與雷諾應(yīng)力兩種模式，渦黏性封閉模式忽略部分微量因素用低階參數(shù)代替高階參數(shù)在工程中有廣泛應(yīng)用。第二種是大渦模擬，大渦容易受流場的影響，能量通過大渦傳遞給小渦，呈現(xiàn)各向異性的大渦和呈現(xiàn)各向同性的小渦，利用N-S方程可以模擬計(jì)算大渦，對計(jì)算機(jī)的數(shù)據(jù)處理能力提出了要求。第三種是直接數(shù)值模擬（DNS），該方法不需要建立湍流模型但要求劃分的網(wǎng)格極小，對計(jì)算機(jī)要求極高，目前尚未在工程實(shí)踐中應(yīng)用[2]。本文選用在工程領(lǐng)域內(nèi)的應(yīng)用較多標(biāo)準(zhǔn)k-ε雙方程模型，k方程用于衡量湍動能的大小，ε方程用于衡量湍動能的耗散程度，具體的k-ε雙方程可以表示成：

其中式（1）是k方程，式（2）為ε方程，它們分別表達(dá)湍動能的大小和耗散程度。

2 噴霧特性

噴霧特性的研究主要集中兩個(gè)方面，第一宏觀特性，主要指貫穿距離（spray penetration）和噴霧錐角（spray angle）[4]。貫穿距離是指燃油在軸線方向上所能達(dá)到的最遠(yuǎn)噴射距離，貫穿距離過大則噴射到內(nèi)壁，過小則燃料局部集中。噴霧錐角是霧場兩條外邊界線的夾角，反映了油滴分布松散的程度，影響因素主要有油品、環(huán)境背壓，一般噴霧錐角越大霧化效果越好但噴霧錐角過大會使貫穿距離減小。第二微觀特性，主要包含液滴分布，平均直徑和分裂長度，其中索特平均直徑（SMD）的液滴分布被廣泛用來評價(jià)霧化性能的好壞，其公式如下[5]：

3 初始方案的設(shè)置

選擇ANSYS自帶的ICEM CFD軟件建立與實(shí)際尺寸相對應(yīng)的幾何模型，根據(jù)燃燒爐的尺寸構(gòu)建霧化空間，本文的霧化空間采用四面體的非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格總數(shù)為40.93萬個(gè)單元，這樣可以很好地解決邊界問題。

3.1 燃油霧化模型的選擇

燃油的霧化需要經(jīng)歷碎裂、碰撞、聚合、蒸發(fā)，以及與空氣的混合過程，霧化狀態(tài)不同子模型特征不同。在Fluent軟件中包含WAVE和TAB兩種液滴碎裂模型，TAB模型模擬彈簧質(zhì)量系統(tǒng)的強(qiáng)迫簡諧振動原理，認(rèn)為波動振幅的不斷增加導(dǎo)致液滴的破碎，考慮到二次破碎階段韋伯?dāng)?shù)大于100且屬于低速射流，因此選擇WAVE模型[6]。液滴蒸發(fā)對油霧化程度影響很大，蒸發(fā)性越好則混可氣體形成的速度越快，常用的液滴蒸發(fā)子模型有Dukowicz、SPlading、Multi-com-ponent 模型等，考慮到液滴表面的均勻性以及徑向溫度的線性變化和液相與氣相的熱平衡，選擇迭代步數(shù)少計(jì)算量小的Dukowicz模型。液滴動態(tài)曳力系數(shù)對霧化精度有很大影響，直接決定噴霧過程數(shù)值模擬的準(zhǔn)確性，該模型在TAB模型和KHRT模型上有著廣泛應(yīng)用，因此擇動態(tài)曳力模型Dynamic-drag model[7]。

3.2 初始條件和邊界條件

流場的確定需要先限定邊界條件和初始條件，入口條件、出口條件和壁面條件是Fluent的主要邊界條件，它們是一些數(shù)學(xué)和物理變量。由于本次模擬燃料進(jìn)口的壓力是設(shè)定的已知量，三次進(jìn)口壓力分別為60Mpa、80Mpa、100Mpa，因此選擇和設(shè)置了壓力進(jìn)口邊界條件。出口邊界條件包括壓力出口邊界、速度出口邊界和自由出口邊界，在本文應(yīng)選擇壓力出口邊界，并將出口壓力設(shè)為環(huán)境操作壓力?？紤]到燃料通過上述射流的引入，將邊界處的噴嘴內(nèi)表面設(shè)置為壁面[8]?？紤]到本研究主要是對無約束空間的研究，環(huán)境壓力應(yīng)是真空的，其他參數(shù)應(yīng)根據(jù)實(shí)際工況進(jìn)行調(diào)整，搭建的模擬方案如表1所示。

表1 噴油嘴燃油噴射的方案設(shè)計(jì)

4 數(shù)值模擬結(jié)果及影響因素分析

4.1 噴孔數(shù)目對燃油霧化特性的影響

從圖1和圖2可以看出隨著嘴噴孔數(shù)目的增多，貫穿距離和SMD都呈減小趨勢，而噴霧錐角明顯增大。達(dá)穩(wěn)定后可以看出噴孔數(shù)2與4相比穩(wěn)定階段貫穿距離相差大約15%，而噴孔數(shù)4與8相比穩(wěn)定階段貫穿距離減小30%。這是由于噴孔數(shù)的增加從噴孔射流出來的燃料速度減小，慣性力也減小，表現(xiàn)為貫穿距離的減小。同時(shí)噴孔橫截面積的增加使液滴沿著噴孔壁面到達(dá)的范圍更廣，液滴與空氣的作用更加強(qiáng)烈，表現(xiàn)為噴霧錐角的增大和SMD的變小[9]。適當(dāng)增加噴孔數(shù)目可以提高霧化效果，但具體的噴孔數(shù)目還要綜合考慮其他因素的影響。

圖1 不同噴孔數(shù)時(shí)噴霧仿真圖

圖2 不同噴孔數(shù)時(shí)SMD曲線

4.2 噴孔直徑對燃油霧化特性的影響

從圖3和圖4可以看出噴孔直徑影響著噴霧特性，噴孔直徑的增大使噴霧錐角、穿距離和SMD都增大。到達(dá)穩(wěn)定后可以看出孔直徑為0.2mm與0.3mm，相比穩(wěn)定階段貫穿距離相差大約13%，而孔直徑為0.3mm與0.4mm，相比穩(wěn)定階段貫穿距離10%。這是由于其他因素相同時(shí)，噴射出來的燃料會隨著噴孔直徑的增大而增加，在慣性力的作用下燃油以液體狀態(tài)傳播的距離增加，表現(xiàn)為貫穿距離的增加。同時(shí)燃料質(zhì)量增加加劇了噴口內(nèi)部湍流現(xiàn)象，粒子間的碰撞聚合頻率增大[10]，最終導(dǎo)致噴霧液滴直徑的增加，因此適當(dāng)?shù)販p小噴空直徑可以提高霧化效果。

圖3 不同噴孔直徑時(shí)噴霧仿真圖

圖4 不同噴孔直徑時(shí)SMD曲線

4.3 噴射壓力對燃油霧化特性的影響

從圖5和圖6可以看出，噴油壓力對噴霧近場的影響比較大，燃油噴射壓力的增大使得燃油噴霧錐角和貫穿距離都增大而油滴的SMD減小。當(dāng)噴霧到達(dá)穩(wěn)定后可以看出噴射壓力為60Mpa，與到100Mpa相比，穩(wěn)定階段燃油噴霧錐角增大了大約25%，噴霧貫穿距離增加了大約27%，油滴的SMD不斷減小，噴霧霧化效果變好。這是因?yàn)閲娚鋲毫Φ脑龃?，單位時(shí)間噴射出來的燃油質(zhì)量增加速率增大，使油滴動能增大，沿著霧場徑向運(yùn)動的距離增加表現(xiàn)為貫穿距的增加。同時(shí)噴孔內(nèi)部的湍流現(xiàn)象以及空穴現(xiàn)象都在加劇，液滴與空氣更快地破碎霧化，表現(xiàn)為SMD的降低[9]。油壓力對噴霧近場的影響比較大，噴油壓力增加可以改善霧化效果。

圖5 不同噴射壓力時(shí)噴霧仿真圖

圖6 不同噴射壓力時(shí)SMD曲線

5 結(jié)論

利用FLUENT軟件建立燃油霧場的幾何模型來數(shù)值模擬研究發(fā)動機(jī)噴油器霧化特性具有明顯的優(yōu)勢，通過對燃油霧場的影響因素進(jìn)行分析得到，在不考慮其他因素的影響時(shí)，減小噴孔直徑和適當(dāng)增加噴孔數(shù)目會使貫穿距離和SMD減小，可改善霧化效果；燃油噴射壓力對噴霧近場的影響比較大，噴油壓力增加可以也可提高霧化質(zhì)量。