高温高压下燃油二次雾化特性的数值研究

李营，陆欣

（南京理工大学能源与动力工程学院，南京210094）

高温高压下燃油二次雾化特性的数值研究

李营，陆欣

（南京理工大学能源与动力工程学院，南京210094）

为了提高燃油燃烧效率，从而降低污染物的排放，基于CFD（Computational Fluid Dynamics）理论和DPM（Discrete Phase Model）方法，使用FLUENT软件模拟了燃油的二次雾化过程，分析了燃油的雾化特性，模拟结果与相应的实验数据吻合较好；模拟了不同压力、不同温度时，燃油的二次雾化过程，获得了燃油的喷雾形态和不同工况时的贯穿距及SMD（Sauter Mean Diameter）；分析了压力、温度对贯穿距和SMD的影响。

二次雾化CFDDPM贯穿距SMD

1 引言

由于车辆的大量生产和销售，世界上拥有车辆的人越来越多，因此全球石油的供应就出现了缺口，世界石油供不应求推动油价持续走高。随着汽车用油需求急剧上升，进口原油逐年增加，中国的能源安全面临着严峻的挑战。同时，随着汽车数量的越来越多，人们的环保和节能意识也越来越强，人们要求柴油机应同时具有良好的动力性、经济性和低污染[1]。在柴油机中，燃油喷射、雾化及其与空气的混合对燃烧过程和整机性能有重要影响，也是节能和净化的关键。张先棹等人[2]的研究说明了燃油必须经过雾化才能燃烧，雾化越好，液滴就越小，燃烧也就更完全，从而产生的污染物就越少。因此，研究燃油的雾化尤其是二次雾化对于柴油机而言是很有必要的。

针对雾化机理的研究，前人提出了各种假说[3]并建立了各种模型，如WAVE模型[4]、Rayleigh-Taylor（R-T）模型、TAB模型、ETAB模型[5]等。本文采用WAVE模型来研究燃油的二次雾化过程。在进行研究时，使用FLUENT软件中的DPM模型（离散型液滴模型）对燃油的喷雾过程进行数值仿真，并将仿真结果与实验数据做了对比，进而研究燃油喷射压力不同以及容器内温度不同时的燃油雾化特性。

2 数学模型

柴油机燃烧室内的流动是气液二相流动问题。研究二相流动问题时，通常使用2种方法[6]，即：欧拉-欧拉方法和欧拉-拉格朗日法。前者又称双/多流体模型，一般均能使用；后者又称颗粒轨道模型，即对连续相流体采用欧拉法求解，对离散相流体采用拉格朗日法求解。本文采用颗粒轨道模型（DPM）来模拟容器内的燃油二次雾化过程。

容器内的二相流动问题视为二维流动。计算时作了如下假设：（1）假设流动过程中，空气及燃油的物性参数均不变；（2）假设流动过程中无化学反应。流动过程中所使用的控制方程具体如下[7]。

（1）连续性方程（质量守恒方程）

（2）能量守恒方程

式中，

I——比内能（不包括化学反应能）；

ε——湍流动能的耗散速率。

（3）标准k-ε双方程模型

（4）索特平均直径

3 计算结果及分析

在计算时，燃油雾化过程计算区域见图1。图中，计算区域尺寸为200×90(mm)，喷孔直径d=0.4 mm。计算区域划分为500×225个网格单元。在计算时，用FLUENT求解流动过程中的连续性方程、能量方程以及湍流方程等，同时结合索特平均直径公式获得不同工况下的油滴粒径随时间变化的关系曲线。湍流方程中涉及到的系数见表1。

3.1 实验条件下的模拟结果

图1 燃油雾化过程计算区域

表1 标准k-ε模型系数[8]

燃油雾化摄影实验在如图2所示的模拟实验装置上完成。喷油器向容器内喷射燃油，同时在容器右侧进行高速摄影。空气在容器内的状态为常温无涡流。容器的顶部中央装设单孔喷油器，由柱塞泵供油。当进行喷射时，用高速摄影机拍摄喷雾的过程。

计算过程中的参数：容器内的背压为4 MPa，燃油初始喷油压力为40 MPa，容器内的空气为常温无涡流。在模拟过程中，只考虑燃油进入容器后的雾化。图3为模拟贯穿距l与实验结果[9]的对比。

由图3可以看出，模拟结果与实验结果吻合得较好，说明所建立的模型是正确的。在此基础上，根据燃油实际喷射雾化过程，模拟了燃油在高温高压下的雾化过程。

图2 实验装置图

3.2 高温高压时燃油雾化模拟结果及分析

图3 贯穿距l模拟结果与实验结果对比

当压力容器内的温度保持在400 K时，燃油喷射压力分别为40 MPa、60 MPa和80 M Pa，并保持其他条件不变，对燃油喷入容器内后的雾化进行模拟。当压力容器内的温度为400 K，燃油喷射压力为40 MPa时，燃油的部分雾化形态图如图4所示。在3种不同喷射压力工况下，燃油的贯穿距l及油滴的索特平均直径SMD对比结果如图5、图6所示。

图4 燃油部分雾化形态图

图5 不同压力下贯穿距随时间的变化图

图6不同压力下SMD随时间的变化图

图5 显示了各种压力下贯穿距随时间的变化情况。燃油的喷射压力以20 MPa的间隔，从40 MPa变化到80 MPa。在背压不变时，随着喷射压力的逐渐增大，喷嘴前后的压力差也逐渐增大，从而使燃油喷出时的速度较大，则喷注在前进时的速度也较大，其前进距离也越大。由图5可看出，喷射压力增加33%时，贯穿距增加11%，喷射压力增加50%时贯穿距增加9%。随着喷射压力的逐渐增大，油滴的平均直径会逐渐减小，则单颗油粒的动量也会逐渐减小。因此，随着喷射压力的提高，贯穿距的增加幅度有减小的趋势。图5显示了在各种压力下SMD随时间的变化情况。燃油喷射压力增大时，燃油喷出时的速度也较大，燃油液滴间相互碰撞的剧烈程度增加，从而使得SMD减小。喷射压力增加33%时，SMD减小11%；喷射压力增加50%时，SMD减小6%。

当燃油的喷射压力为40 MPa，容器内的温度分别为400 K、500 K和600 K时，保持其他条件不变，对燃油喷入容器后的油雾进行模拟。图7、图8显示为这3种不同温度工况下的燃油贯穿距l及SMD对比结果。

图7 不同温度下贯穿距随时间的变化图

图8不同温度下SMD随时间的变化图

图7 显示了容器内温度变化时贯穿距随时间的变化情况。可知，随着容器内温度的增加，贯穿距也增加。由理想气体状态方程可知，当容器内温度增加时，容器内气体密度就会减小，从而使得容器内气体压力减小，则燃油在喷嘴前后的压力差增大，使得贯穿距增大。图8显示了SMD在3种温度下随时间的变化情况。从图7中可以看出，当容器内温度从400 K变化到600 K时，SMD变化很小，但整体趋势是逐渐减小。这是因为容器内温度从400 K增加到600 K时，仍低于燃油沸点温度（580 K～700 K），液滴表面上主要是液滴破碎，蒸发量很小。故3种情况下液滴尺寸虽然整体都减小了，但减小程度不大。由图8可以看出，当温度增加20%时，SMD减小7%；当温度增加25%时，SMD减小5%。

4 结论

本文针对燃油的二次雾化建立了物理模型，利用数值计算方法研究了不同温度、压力下的燃油的二次雾化过程。通过分析和讨论，得到了以下结论：

（1）随着燃油喷射压力的提高，喷嘴前后压差增大，燃油喷出时的速度增大，从而燃油的贯穿距增大，SMD减小。喷射压力增加33%时，贯穿距增加11%；喷射压力增加50%时，贯穿距增加9%。这说明适当地增大喷油压力，将使雾化效果变好；但是压力增加到一定程度时，贯穿距的增加幅度减小。因此，单纯的增加喷油压力，并不能很大程度地改变雾化效果。

（2）燃油喷射压力增大时，燃油喷出时的速度也较大，燃油液滴间相互碰撞的剧烈程度增加，从而使得SMD减小。喷射压力增加33%时，SMD减小11%；喷射压力增加50%时，SMD减小6%。因此，想要使雾化效果显著变好，单一的提高喷射压力是达不到目的的，还需要改变其他条件。

（3）容器内温度增加时，油滴贯穿距增大，SMD减小。温度增加20%时，贯穿距增加12%，SMD减小7%；当温度增加25%时，贯穿距增加5%，SMD减小5%。因此，仅改变容器内气体温度，只能在一定程度上改善雾化效果。

（4）适当地提高燃油喷射压力，增加容器内的气体温度，均可改善雾化效果。压力和温度在增加到一定程度时，对于雾化的影响程度将会逐渐减小，直至不变。当容器内气体温度增加到燃油沸点以上时，液滴蒸发将加剧，可能会使得SMD在一定程度上增加。这将在以后的研究中讨论。

1谭丹平，邵毅明．燃油喷射雾化研究方法的现状及发展[J]．汽车研究与开发，2002（4）：21-24．

2张先棹，尹丹模．燃料的雾化[J]．冶金能源，1998，17（3）：42-47．

3田春霞，仇性启，崔运静．喷嘴雾化技术进展[J]．工业加热，2005，34（4）：40-42．

4 Reitz R D．Modeling Atomization Process in High-Pressure Vaporizing Spray[J].Atomization and Spray，1987(3):309-337．

5 Tanner F X.Liquid Jet Atomization and Droplet Breakup Modeling of Non-Evaporating Diesel Fuel Sprays[C]．SAE 970050．

6曾东建，黄海波，贾友昌．柴油机喷嘴内流场的数值模拟分析[J]．西华大学学报（自然科学版），2008，27（4）：20-23．

7 Menon S，Calhoon W．Subgrid Mixing and Molecular Transport Modeling for Large-eddy Simulations of Turbulent Reacting Flows[J]．Proceedings of the Combustion Institute，1996，26：59-66．

8周松，王银燕，明平剑等．内燃机工作过程仿真技术[M]．北京：北京航空航天大学出版社，2012：140-142．

9殷子嘉，王珹，余根发.柴油机喷雾特性的模拟实验研究[J]．内燃机工程，1987（4）：1-7．

Numerical Study of the Secondary Atomization Characteristics of Fuel Under High-temperature and High-pressure

Li Ying,Lu Xin
（School of Energy and Power Engineering,Nanjing University of Science and Technology,Nanjing 210094,China）

In order to improve the efficiency of fuel combustion,thereby reducing the emission of pollutants,this article which is based on CFD(Computational Fluid Dynamics)theory and DPM(Discrete Phase Model)method uses the FLUENT software to simulate the secondary atomization of fuel,and analyzes the characteristics of fuel atomization.The simulation result fits better with the experimental data. Meanwhile,the secondary atomization process of fuel under different pressure and temperature is simulated, the spray patterns and the penetration distance and SMD(Sauter Mean Diameter)under different working conditions is obtained.The influence of the pressure and temperature on the penetration distance and SMD is analyzed.

secondary atomization,CFD,DPM,penetration distance,SMD

10.3969/j.issn.1671-0614.2013.03.001

来稿日期：2013-05-14基金项目：高温高压含能液体随行喷射控制及多相燃烧机理研究（2011YBXM107）

李营（1989-），女，硕士，主要研究方向为柴油机燃油喷射雾化。