入射压力和背压对柴油喷雾特性的影响

王继刚， 王筱蓉， 刘吉涛， 王 勋

(江苏科技大学 机械工程学院，镇江 212003)

入射压力和背压对柴油喷雾特性的影响

王继刚， 王筱蓉， 刘吉涛， 王 勋

(江苏科技大学 机械工程学院，镇江 212003)

柴油机的燃烧特性很大程度上取决于其喷雾特性，为了深入研究高入射压力、高背压下柴油喷雾特性，建立了多组分喷雾模型，该模型在原有喷雾模型的基础上加入了多组分蒸发模型，考虑了柴油中主要组分对蒸发和喷雾的影响，并与已有的试验数据对比验证模型的可行性.结果表明，在高背压下，入射压力达到一定值后，再增加入射压力，柴油喷雾贯穿距增加很小，入射压力对柴油喷雾体积和夹带空气质量影响较大；在低背压下，入射压力对柴油喷雾体积和夹带空气质量影响较小.入射压力对破碎速度影响较大，而背压对破碎速度影响很小.

柴油喷雾；喷雾特性；高入射压力；高背压；夹带空气质量

全球经济危机的阴霾挥之不去，国际油价跌宕起伏，由此引发的环境问题和能源安全问题让人堪忧.在此背景下，各个国家纷纷把注意力投向减少化石能源消耗、提高柴油燃烧效率上[1-3].柴油机具有能量转换效率高、能量比度高和安全系数高的特点，在未来几年将一直保持交通运输领域主导地位.在柴油机中，喷入缸内燃油的雾化特性与蒸发特性会直接影响内燃机燃烧和排放特性[4]，因此研究柴油喷雾特性显得异常重要.

数值模拟是研究柴油喷雾的有效手段之一，可以利用理论模型来研究试验不能完成的任务.Balaji Mohan等人在高环境密度条件下对喷雾宏观特性进行了研究，通过试验和数值模拟对喷雾贯穿距、喷雾速度和喷雾体积进行了模拟验证[5]，得出结论，随着环境气体密度的减小和入射压力的增加，喷雾动量通量增大，入射压力越大，燃油中空气混合的就越多.Hongzhan Xie等人对宏观喷雾特性如喷雾贯穿距、喷雾体积、喷雾面积等参数进行了详细的实验研究[6]，再次对前人的结论进行了证明.Ziman Wang等人利用超高速成像技术和相位多普勒粒子分析仪技术(PDPA)研究了分次喷射情况下柴油喷雾的宏观和微观喷雾特性[7].综合文献可知，入射压力在60-100 MPa，背压在3-6 MPa下柴油的喷雾特性研究较少，并且高入射压力高背压下柴油喷雾过程比较复杂，有必要开展相关研究.

众所周知，柴油的组分有上百种，而目前的喷雾计算中大多采用单组份蒸发模型，单组份蒸发模型并不能完全反应柴油的蒸发特性，因此本文基于经典喷雾模型，建立了描述柴油喷雾的多组分喷雾模型，通过与实验数据对比，验证了模型的正确性，并分析了高入射压力和高背压对喷雾贯穿距、破碎速度、喷雾体积和夹带空气质量的影响.

1 数学模型

1.1 多组分蒸发模型

传统的蒸发模型基本都是基于燃油只含有一种组分的假设，这种假设和实际情况的燃油完全不符合，不能合理的预测燃油的蒸发过程.本研究在大量研究液滴蒸发过程的基础上，采用 Sazhin的多组分蒸发模型来模拟喷雾过程[8].模型介绍如下.

用扩散方程描述的液相扩散方程各组成部分的质量分数为

(1)

式中：l，m分别代表液相和不同的种类；Dl为扩散系数，对于所有的液滴种类值都相同.

第m组分的蒸发率可以描述为

(2)

式中：εm为物种蒸发率；BM为斯伯丁质量数.

多组分液滴蒸发的潜热为

(3)

式中：Lm为m组分的蒸发潜热.

Yl,m(s)=εm，

(4)

式中：s代表表面.

液滴表面的质量平衡方程为

(5)

该方程可以认为是方程(1)的液滴表面边界条件，需要补充液滴中心的一个条件:

(6)

和相关的一些初始条件.

平衡状态下，m组分液滴表面燃油蒸汽的分压可以由Raoult定律求得:

(7)

采用Clausius-Clapeyron方程可以求出单一组分的分压:

(8)

式中：Mm为分子质量；Tb,m为m组分的沸点；pamb为背压.

在实际情况下，柴油汽油等的成分都有数百种，这种方法将不能用，有一个替代的方法可以使该模型能用，基于连续热力学,为此引入分布函数

(9)

式中：Γ(α)为gamma函数;α,β为决定分布形状的参数;γ为原始移位，I1=λ，I2=.

1.2 KH-RT破碎模型

KH-RT模型认为:在液滴破碎过程中，KH表面波和RT扰动一直处于竞争关系.KH机理适宜于高相对速度和高环境密度的液滴破碎.RT机理适宜于描述由于液滴的快速减速而导致表面波在液滴的背风面快速增长,引起变形导致破碎成小液滴.

在极限情况下可以忽略流体的粘度，Bellman和Pennington得出了wavenumber的方程

(10)

和增长率方程

(11)

在这里a为从低密度流体到高密度流体的加速度，Patterson和Reitz求出了加速度a.

(12)

RT扰动产生的新液滴半径与RT波长成正比.

(13)

RT破碎时间为

(14)

柴油机喷雾可以分为液核区和气液混合区，液核区的长度可以用以下经验公式描述:

(15)

式中：d0为喷孔直径；C3，C4，C5为模型参数.

2 边界条件

本研究中模拟计算域采用长方体定容室，如图1所示，计算区域大小为20mm×20mm×100mm，最小网格大小为0.7mm×0.7mm×0.7mm.表1是试验条件，表2是喷雾模拟所采用的条件.

图1 计算网格

表1 试验条件

项目参数喷孔数1环境气体空气环境温度/K303背压/MPa6入射压力/MPa150

表2 喷雾模拟条件

3 模型的校核与验证

3.1 模型的校核

为了验证本文提出的模型的正确性，本文通过已有试验数据[9]来模拟验证.利用不同网格尺寸(0.7 mm、1 mm、2 mm)模拟验证了喷雾贯穿距、喷雾锥角和喷雾形态3个参数.其中湍流模型采用k-ε模型,k-ε模型参数见表3，其他模型参数均采用默认模型参数，具体参见各自参考文献.

表3 k-ε模型参数

本文采用3种网格尺寸(0.5 mm、0.7 mm和1 mm)对模型进行校核，图2给出了3种不同网格所计算出的喷雾贯穿距随时间的变化，可以看出，网格尺寸在小于0.7 mm以后网格大小基本上对结果影响很小，因此，本文选取网格尺寸为0.7 mm进行计算.

图2 不同网格对喷雾贯穿距的影响

3.2 模型的验证

本文利用网格尺寸0.7 mm与实验值对比，验证模型的可行性.图3是模拟的喷雾温度云图和实际喷雾形状在0.8, 1.6和2.0 ms时的对比，其中，黑色曲线代表实际喷雾形状.通过对喷雾形态的比较，我们可以很清楚的看到，该模型模拟的喷雾特性和实验值符合的很好.也可以看出，在开始阶段(0-0.8 ms)，模拟的喷雾锥角比试验值偏小，之后基本与实验值重合.因此，所建立的模型可以分析柴油的喷雾特性.

图3 喷雾时刻在0.8,1.6和2.0 ms时喷雾形态

4 计算结果与分析

4.1 对喷雾贯穿距的影响

图4为不同入射压力和背压下柴油喷雾贯穿距随喷雾时间的变化曲线.从图4(a)可以看出，随着入射压力的增加喷雾贯穿距增加越来越明显.对比图4(a)、(b)可以发现，在高背压下入射压力达到80 MPa时，喷雾贯穿距增加很小，几乎不变.这说明在高背压下，入射压力达到一定值后再增加入射压力柴油喷雾贯穿距增加很小.

4.2 对喷雾破碎速度的影响

破碎速度是评价喷雾特性的一个重要指标，破碎速度越大，表明燃油更加易于缸内气体混合，更加利于燃烧.破碎速度采用以下公式[10]计算:

(16)

图4 不同入射压力和背压下的喷雾贯穿距

式中：ΔP为压差，bar；ρg为环境气体密度，kg/m3；us(t)为破碎速度，m/s.

图5给出了不同入射压力和背压下柴油破碎速度随喷雾时间的变化曲线，由图可以看出，入射压力越大破碎速度越大.在背压为3MPa，破碎速度从60MPa上升到80MPa、100MPa时，柴油破碎速度分别平均增加了7.8%和14.2%左右.在背压为6MPa，破碎速度从60MPa上升到80MPa、100MPa时，柴油破碎速度分别平均增加了8.2%和14.8%左右，这说明入射压力对破碎速度影响较大，而背压对破碎速度影响很小.

4.3 对喷雾体积的影响

喷雾体积就是雾化的体积，它也是评价燃油喷雾特性不可或缺的一个参数，喷雾体积越大，燃油与环境气体混合的越充分.喷雾体积计算公式[5-6]为

(17)

式中：V为喷雾体积；l为喷雾贯穿距；θ为喷雾锥角.

图5 不同入射压力和背压下的破碎速度

图6是不同入射压力和背压下柴油喷雾体积随喷雾时间的变化.在背压为3MPa，入射压力从60MPa增加到80MPa和100MPa时，喷雾体积分布平均增加了8.9%和12.5%. 在背压为6MPa，入射压力从60MPa增加80MPa和100MPa时，喷雾体积分别平均增加31.8%和45.9%.这说明在低背压下入射压力对柴油喷雾体积影响较小，而在高背压下对柴油喷雾体积影响较大.

图6 不同入射压力和背压下的喷雾体积

4.4 对喷雾夹带空气质量的影响

喷雾夹带空气质量是一个非常有用的参数，一方面，它是评价燃油空气混合特性的关键参数；另一方面，它是优化喷雾系统和控制烟灰产生的一个参数.因此，很有必要研究喷雾夹带空气质量这一参数.喷雾夹带空气质量计算公式[5]为

(18)

式中：ρa为环境气体密度.

图7显示了不同入射压力和背压下柴油喷雾夹带空气质量随时间的变化.在背压为3MPa，入射压力从60MPa升高到80MPa和100MPa时，柴油夹带空气质量平均提高了8.9%和11.9%.在背压为6MPa，入射压力从60MPa升高到80MPa和100MPa时，柴油夹带空气质量平均提高了33%和48.7%.说明在高背压条件下入射压力对夹带空气质量影响更加明显.另一方面，对比图7(a)(b)可知，高入射压力低背压条件下喷雾夹带空气质量越大，这和以前学者们得到的结论是吻合的.

图7 不同入射压力和背压下的喷雾夹带空气质量

5 结 论

1)建立了入射压力在60-100MPa,背压在3-6MPa下柴油喷雾的多组分喷雾模型，并与已有的试验数据进行对比，验证了模型的正确性.

2)在高背压(大于3MPa)下，入射压力达到一定值后再增加入射压力柴油喷雾贯穿距增加很小.

3)入射压力对破碎速度影响较大，而背压对破碎速度影响很小.在背压为3MPa，破碎速度从60MPa上升到80MPa、100MPa时，柴油破碎速度分别平均增加了7.8%和14.2%左右.在背压为6MPa，破碎速度从60MPa上升到80MPa、100MPa时，柴油破碎速度分别平均增加了8.2%和14.8%左右.

4)在低背压(小于3MPa)下，入射压力对柴油喷雾体积和夹带空气质量影响较小，而在高背压(大于3MPa)下对柴油喷雾体积和夹带空气质量影响较大.

[1] 李明磊,张会强,李佳峰,等. 多组分生物燃料液滴蒸发过程研究[J]. 工程热物理学报，2012，33(12)：2211-2214.

[2] 尧命发,庞 阔,谷静波,等. 正丁醇/生物柴油高预混压燃燃烧及排放特性的试验[J]. 内燃机学报，2013，31(3)：193-199.

[3] 朱浩月,ASSANISDennis,黄 震. 低温燃烧模式生物柴油发动机CO和HC的排放[J]. 内燃机学报，2014，32(1)：1-5.

[4] 薛继业，李向荣，高浩卜. 柴油喷雾特性实验研究[J]. 车辆与动力技术， 2016(2)：39-48.

[5]MohanB,YangW,TayKL,etal.Macroscopicspraycharacterizationunderhighambientdensityconditions[J].ExperimentalThermalandFluidScience, 2014, 59(8):109-117.

[6]XieHZ,SongLB,XieYZ,etal.AnExperimentalStudyontheMacroscopicSprayCharacteristicsofBiodieselandDieselinaConstantVolumeChamber[J].Energies,2015,8(6):5952-5972.

[7]WangZM,XuHM,JiangC,etal.Experimentalstudyonmicroscopicandmacroscopiccharacteristicsofdieselspraywithsplitinjection[J].Fuel, 2016, 174(1):140-152.

[8]SazhinSS.Advancedmodelsoffueldropletheatingandevaporation[J].ProgressinEnergyandCombustionScience, 2006,32(2):162-214.

[9]Enginecombustionnetwork.SandiaNationalLaborat-ories, 2013. .

[10]RaghuP，MukilanMS，ViswanathRB，etal.ExperimentalStudyontheSprayCharacteristicsofDieselandBiodiesel(Jatrophaoil)inaSprayChamber[J].AdvancedMaterialsResearch, 2013, 768:180-187.

Effect of Injection Pressure and Ambient Pressure on DieselSpray Characteristics

WANG Ji-gang, WANG Xiao-rong, LIU Ji-tao, WANG Xun

(Institute of Mechanical Engineering, Jiangsu University of Science and Technology,Zhenjiang 212003, China)

The combustion characteristics of a diesel engine are largely determined by its spray characteristics. In order to study the spray characteristics under high injection pressure and high ambient pressure, a multi-component spray model was established with a multi-component evaporation model. The effect of main components in the fuel was taken into account on the evaporation and the spray. The feasibility of the model was verified by the existing experiment data. The results show that, under the condition of high ambient pressure, the spray penetration increases very small when the injection pressure reaches a certain value, but the injection pressure has a great influence on both the spray volumn and the air entrainment. However, in the envirememnt of low ambient pressure, the injection pressure has a little influence on both the spray volumn and the air entrainment. In addition, the injection pressure has a large impact on the breakup velocity, but the ambient pressure has a little effect on it.

diesel spray; spray characteristics; high injection pressure; high ambient pressure; air entrainment

1009-4687(2017)02-0038-06

2016-10-31

国家自然科学基金(51306021)资助

王继刚(1991-)，男，硕士，研究方向为内燃机雾化分析、液滴蒸发研究.

TK16

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