非对称喷嘴喷雾模拟网格适用性研究

杨小龙　张泽坪　陈征　徐光辉

摘 要：离散油滴模型（DDM）和拉格朗日油滴欧拉气体（LDEF）算法的喷雾数值模拟对网格具有很强的依赖性.对某非对称三喷孔喷嘴的喷雾过程进行了网格参数适用性研究，分析了网格依赖性的来源，探讨了网格形式以及径向、轴向、周向网格尺寸变化对喷雾的影响，与实验数据对比了喷雾形态和贯穿距离，并研究了对索特直径的影响.分析了不同网格长宽比的影响.结果表明，非对称三喷孔喷嘴的喷雾数值仿真中，极坐标类型的网格具有更好的适用性.随着网格尺寸减小，贯穿距离和索特直径基本都呈现增大的趋势，但径向尺寸对贯穿距离的影响稍大于轴向尺寸.网格尺寸和长宽比存在一个最优值使得模拟的贯穿距离与实验值拟合得最好.

关键词：喷雾特性；网格适用性；数值模拟；离散油滴模型；拉格朗日油滴欧拉气体算法

中图分类号：TK427 文献标识码：A

Abstract：Spray simulation using Lagrangian-Droplet and Eulerian-Fluid （LDEF） method and the Discrete Droplet Model （DDM） has been proved to be of grid dependency. The grid effects on the spray simulation of an asymmetric three-hole nozzle were studied. First， the sources of grid-dependency were analyzed. The effects of grid types and different grid sizes of radial， azimuthal and axial directions on the spray process were investigated by comparing the spray shape and liquid penetration distance with experiment data. And the grid effect on the Sauter Mean Diameter （SMD） was studied. Finally， the aspect ratio between the radial and the axial directions of the grid was optimized. The result has shown that， for the asymmetric three-hole nozzle spray simulation， the polar mesh has better performance among the different mesh forms. With the decrease of the grid size on three directions， the spray tip penetration and SMD basically present the tendency of increase， while the radial grid size shows greater influence than the axial size. The spray tip penetration fits best with experimental data when the grid size and the aspect ratio are optimized.

Key words：spray characteristic；grid dependency；numerical simulation；Discrete Droplet Model（DDM）；LDEF method

液体燃料在高速射流过程中的喷雾破碎对发动机喷雾的发展以及混合气的形成都起着主导作用，因此燃料喷雾效果的好坏对发动机的燃烧效率的提高、尾气排放的降低和运行稳定性的保持都有很大影响.近些年来，随着计算流体动力学（CFD）的发展，通过对液滴的湍流扩散、蒸发、碰撞和破碎等过程建立一系列的子模来对发动机喷雾过程进行数值模拟的方法已经获得广泛的应用.其中大多都在离散油滴模型（DDM）基础上，利用拉格朗日油滴欧拉气体的方法（LDEF）来对喷雾两相流动进行数值模拟[1].然而，许多研究表明，拉格朗日油滴欧拉气体方法对网格具有很强的依赖性[2-4].Abani和Post等[5-6]指出了LDEF方法网格依赖性的两个主要来源：喷雾的破碎模型和气液动量耦合.

目前，由于传统发动机多采用单喷油器中间布置结构，其喷油器喷孔大多都是对称的，所以过去对喷雾过程网格依赖性的研究主要集中在单孔或具有对称性的喷嘴上，而对置活塞对置气缸发动机由于其双喷油器侧面布置、相对喷射的结构特点，通常采用非对称三喷孔喷嘴的特殊结构[7-9]，网格对其喷雾模拟的影响有待进一步验证.本文通过仿真与实验相结合的方法，对某非对称三喷孔喷嘴的喷雾数值仿真过程进行了网格类型以及网格尺寸的适用性研究.

1 燃油喷雾实验

为了研究非对称三喷孔喷嘴的喷雾特性并对其进行标定，本文进行了喷雾可视化试验，所研究的非对称三喷孔（图中黑点）喷嘴几何位置如图1所示.

测试系统如图2所示.实验装置主要包括定容燃烧弹、纹影系统、高压共轨供油系统、CCD摄像机及其控制器等.试验中采用燃油单次喷射测量仪对喷油量进行测量，测量结果采用多次测量取平均值的方法[10].

实验中采用的非对称喷嘴其喷孔直径为0.2 mm.供油系统为博世的高压共轨供油系统，系统提供最大可达160 MPa轨压.喷射燃油为5#柴油，喷射燃油温度为60 ℃.考虑到单次喷雾之间的误差，实验对同一工况和时间点下5张照片的贯穿距离进行平均处理.为了得到精准的尺寸参照，拍照前使用尺寸标定板对喷雾照片的尺寸进行精确标定.