燃油喷嘴结构参数对空化性能的影响研究

陆洪杰，甘树坤，吕雪飞

(吉林化工学院 机电工程学院，吉林 吉林 132022)

柴油喷嘴喷雾的雾化特性包括雾滴破碎、雾化、形成燃料与空气的混合物等，对内燃机的性能和排放有很大的影响.但由于工艺的复杂性，高压喷雾的雾化机理尚不清楚[1-3].因此，有必要研究喷管内部产生的空化、湍流等流动现象，以及外部液体燃料与周围气体的气动相互作用，这通常被认为是导致初始破裂的主要因素.空化对于燃油喷嘴是一个非常重要的因素，因此，对喷嘴内部流动和诱导空化的全面了解，对于进一步研究喷雾破碎和燃烧是必要的.

虞育松等[4]报道了喷嘴外空气和流体的相互作用以及喷嘴内的空化都是影响初始雾化的重要因素.采用高喷射压力可达80 MPa，Gavaises M 等人[5]发现空化效应大于环境气体与喷雾相互作用的效应，即增强空化作用至关重要.Bergwerk等人[6]指出，由于压力差减小，高环境压力抑制了空化的产生.Badock等人使用了[7]的真实尺寸对单孔透明喷嘴的空化现象进行了研究，提出了在高引射压力下，空化现象会扩展到喷嘴出口，同时还发现喷嘴中部的流体为纯液柱，说明喷嘴壁面附近存在空化现象.Wei等[8]报道了随着注入压力的增加，空化来得更强，开始得更早.此外，空化首先发生在针座区域.Sou等[9]研究了喷雾速度，计算了不同转速下的空化数，发现了4种类型的空化流动，即不空化、局部空化、超空化和水力翻转.He等[10]采用了一个10倍放大的跨母管，研究了不同喷射压力下空化的变化，并报道了3种类型的流动，局部空化和超空化随着注入压力的增大而出现.钟汶君等[11]建立了一个增大喷管的喷射系统，研究了不同燃料温度下空化的影响，认为燃料温度的变化会影响空化的发生.Oishi等[12]通过计算不同针位下的内湍流度，用STAR-CD研究了喷嘴的内部流动.Yuan等[13]通过计算汽相和液相的体积分数，利用VOF对喷嘴内部流动和喷嘴出口的喷雾破碎进行了研究，发现喷嘴内湍流性强，需要建立多相流模型.为了更好地理解锥形喷雾喷射器的空化流动，Jia等[14]使用了混合多空化模型和全空化模型来研究喷嘴内部流动的行为.结果表明:空化随进口速度的增大而增强，超空化只发生在环境压力很小的狭窄区域.刘琦、欧阳光耀等[15]为了对燃油喷嘴出口液滴破碎状态进行改善,并在其中提高初始湍动能，推导出了非常态燃油的物性参数和压力之间的相互作用关系，实验研究结果显示，非常态燃油的物性参数对于燃料空化的增强具有很大的影响.Zamuner.B利用数值模拟仿真的方法分别对双极轴向旋流器模型燃烧室、双级轴向旋流器环形燃烧室以及斜切径向旋流器环形燃烧室等3种双旋流航空发动机三维两相湍流燃烧整体流场与污染物排放进行了数值模拟[16].Dudubout.R、Reynolds.B和MollaHosseini.K 3人对液体喷嘴动态特性进行了数值模拟，分别采用“频率法”对直流、离心喷嘴的动态特性进行了数值模拟，所得结果表明：增加振荡频率会导致直流和离心喷嘴流量的振幅降低和相移增大，而增大压降则结果相反，在相同工况下当直流喷嘴增大长径比或离心喷嘴增大几何特性时均会导致振幅降低和相移增大而对振幅无明显影响[17].

1 喷嘴模型建立

1.1 几何模型

双腔串联自激振荡喷嘴采用邓嵘[18]及汪朝晖等[19]研究中的几何模型进行了改动.在原有的单相流喷嘴上加一个进气口，一方面对燃油的扰动进行进一步的加强，另一方面保证燃油在燃烧时，防止喷口积碳.结构优化模型如图1所示，d1进气口直径，取d1=5 mm；d2为进液口直径；D1为一级谐振腔高度；D2为二级谐振腔高度；α气液进口夹角；l1为进气口长度；l2为进液口长度.由于本文采用无量纲量的方法，为统一量化，故引进气液进口夹角比，其定义式为：

(1)

图1 喷嘴几何模型图

α1为定量，其值为30°.故λ=1、2、3，d1/d2=0.8、1、1.3，l1/l2=0.7、1、1.2，3个无量纲参数的取值进行计算.

1.2 网格模型

采用ANSYS Workbench软件建立有限元模型，有限元模型采用二维四边形网格划分方法，并在喷嘴入口处、喷嘴出口处都进行局部加密以保证数值仿真的精确性.有限元网格模型如图2所示.

图2 喷嘴网格模型图

1.3 多相流模型

由于本文选用的喷嘴为气液两相混合喷嘴，所以选用VOF模型进行界面追踪，计算过程假定是流动等温的，气液均不可压缩，质量守恒方程为：

(2)

动量方程为：

(3)

(4)

式(4)为VOF法[20]的控制方程，其原理是用指示函数F来确定自由面，F表示计算单元内流体体积与网格体积之比，即流体体积分数，根据F的定义，混合相的物性参数密度和黏度可做如下计算：

(5)

其中，下标l和g分别表示液体和气体．

动量方程式(6)中的FSV表示由表面张力σ所产生的源项，可通过CSF(continuum surface force)模型[21]将表面力转化为体积力，

FSV=σκnδ，

(6)

式中：σ为表面张力；n为界面的单位法向矢量，n=F/|F|；κ为界面曲率，κ=·n；δ是Delta函数．

1.4 湍流模型

本文对燃油内部空化流动数值模拟采用的是使用最广泛的RNGk-ε模型，其流动方程如下:

(7)

(8)

式中：Gk为速度梯度产生的湍动能项；Gb为浮力产生的湍动能项；YM为湍流脉动膨胀对耗散率的贡献项；αk、αε为湍流Prandtl数；C1ε、C2ε、C3ε为常数项；R为附加项，以适应应变率和流线曲率变化迅速流动计算的需要.

1.5 空化模型

使用的空化模型[22-25]为Schnerr-SauerModel，该模型考虑了不可凝结气体(non-condensablegas，NCG)的影响.其中，蒸发与凝结项分别为：

(9)

(10)

式中：ρl为液态水密度；αV，ρV为空泡体积分数和密度；αg为NCG为体积分数；ρm为混合流体的密度.

2 结果与讨论

2.1 气液进口夹角比对于燃油内部空化的影响

本节的自变量是气液夹角的比值，通过数值仿真的结果，研究在不同的夹角比下空化的效果，所设定的不同工况下的研究见表1.

表1 气液夹角比

从图3气相百分比云图可以看出，夹角比值λ=1时，空化程度好于λ=2或λ=3时.从理论上分析，在λ=1时，燃油进入于气体进入不会产生特别大的对冲，导致压力损失较小，气体的速度会更大，带动燃油速度，导致压差变大，空化程度变大.当λ=2或λ=3时，燃油和气体混合时，会损失大量的能量，导致内部压差变化没有λ=1时大，空化程度没有λ=1时好.所以在λ=1时空化程度较好.

图3 不同气液夹角比时的气相百分比云图

2.2 气液进口长度比对燃油内部空化的影响

气液进口的长度是影响燃油内部空化的一个重要因素.本小节研究不同的气液进口长度比对于空化效果的影响，同时需要保证其他参数均相同，其中气液夹角确定为30°，具体数值见表2.

表2 进口长度比影响计算值

根据图4的气相百分比云图，在进口长度比为0.7时，燃油的内部空化程度较好.燃油内部的空化是由于流体流速产生压差低于燃油的饱和蒸气压而发生空化.从理论上来讲，燃油的密度和黏性都要比空气大很多，所以通常情况下燃油的流速会慢于空气的流速，当燃油进口的长度小于空气进口长度时，就能使燃油和空气混合得更加充分，更有利于空化的产生.所以在气液进口长度比为0.7时(l1/l2=0.7)，空化效果比较理想.

图4 不同气液进口长度比时的气相百分比云图

2.3 气液进口直径比对燃油内部空化的影响

气液进口的直径对于燃油的内部空化有着很大的影响.本小节研究气液进口的直径对空化效果的影响，保证其他参数相同，液体进口的直径在之前已经确定，将喷嘴液体进口直径作为对照参数，具体数值见表3.

表3 气液进口直径比影响计算值

根据图5的气相百分比云图，所有工况下的喷嘴在不同的气液直径比下均出现了空化现象，且最大空化率达到了90%以上.在进气口与进液口直径相同时，空化效果较好.从理论上讲，在进液口过大或过小时，燃油与气体的混合振荡效果均不会太理想，导致空化程度的降低.所以在d1/d2等于1时，空化效果较好.

图5 不同气液进口直径比时的气相百分比云图

3 结 论

采用仿真模拟的方法对气液两相燃油喷嘴进行结构优化.采用无量纲量的方法，对气液进口夹角比、气液进口直径比、气液进口长度比3个无量纲参数进行单因素参数改变获得以下结论：在d1/d2=1、l1/l2=0.7、λ=1时，燃油喷嘴内部会获得较好的空化效果.为以后对气液两相燃油喷嘴的实验研究奠定一定的基础.