燃油温度及喷嘴结构对燃油内部流动性能影响研究

2021-10-24甘树坤陆洪杰吕雪飞

吉林化工学院学报 2021年9期

甘树坤，陆洪杰，吕雪飞

(吉林化工学院机电工程学院，吉林吉林 132022)

燃油喷嘴作为内部燃油系统的关键部件，其结构参数直接或间接影响喷嘴内燃油的湍流和空化流动效果，同时对缸内燃油雾化质量也有很大影响，决定了柴油机的动力使用特性、燃油经济效率和空气污染物的排放.所以，研究喷嘴结构参数对喷嘴内部燃油流动性能的影响具有重要的工业应用价值.

刘爱虢[1]等通过试验测试和数值模拟两方面对燃油内部流动特性、温度和压力对于燃油雾化的影响，研究结果表明温度增加会使雾化的周向分布不均匀性增大，油膜厚度也会增厚.M.G.De Giorgi，A.Ficarella[2]研究发现，空化数可以有效地抑制喷嘴中空化区域的膨胀，温度也会对其出现明显的影响.Raul Payri等[3]人通过使用大涡模型研究了进口燃料的流速超过500 m·s-1时，不同进口边界状态条件对喷嘴流动区域湍动能和射流速度的直接影响.结果显示，在等压进气状态的条件下，燃油的流速与真实值更为接近，而在湍流进气状态条件下，燃油的流速会出现振荡.Wei等[4]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，空化首先发生在针阀区域.Sibendu Som[5]运用两相流模拟研究喷嘴的结构参数对出口空化、湍动能以及外流场液滴破碎程度的影响，发现喷嘴锥度、入口倒角和喷嘴入口半径比值的存在，削弱了喷嘴出口处的空化和湍流动能强度，降低了喷雾破裂程度.陈海龙等[6]对燃油喷嘴的在稳定喷射时内部的空穴现象进行了模拟，运用Fluent软件中的Mixture多相流模型和空穴模型，分析了喷嘴的直径和长径比等无量纲结构参数对喷嘴内部空化现象的影响，研究结果表明，在一定情况下，增加长径比和提高直径比均能使空穴在喷嘴出口上分布得更均匀.王艳华、杨世春等[5-7]采用欧拉模型对喷嘴内流场进行了研究，结果表明，气泡个数密集可以有效地提高燃油空化水平，增加喷嘴出口的平均燃油流量，同时，空化现象也会对喷嘴中燃油流量系数产生显著的影响.李志龙、吴志军等[8]利用上海光源的高能、高通量的X射线进行同步辐射扫描注入器的内部结构，获得一个精确的三维喷管结构模型.提出一种测量喷嘴内部进口直径、空间角、锥角和过渡圆角的新技术，此测量方法对喷嘴内部的流动特性研究十分重要.江苏大学的卢鹏[9]采用了可视化的平台进行研究，并在实践中运用多种光学技术，研究了喷嘴的主要结构参数(K系数和针阀升程)对喷雾特性的影响，研究发现，随着压力的增大，针阀升起的速度越大，高度也就越高，压力对针阀在初期闭合的过程中影响较小，针阀的升程与针阀完全闭合所需时间是成正比的关系，针阀的升程对于直孔燃油喷嘴的喷雾燃烧特性影响很小.刘琦、欧阳光耀等[10]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.钟汶君、何志霞等[11]研究了燃油温度对于空化影响的可视化实验，采用高速摄像机和显微成像技术对其进行分析，研究表明随着温度升高，燃油空穴数的临界压力减小，雷诺数增大.张培红、杜慧勇[12]通过采用Fire采用计算软件进行计算，分析不同结构对燃油喷嘴内部流动的影响，所得的结果表明，喷嘴直径和入口圆角的大小都对流速、质量流率和空穴数有一定程度上的影响.

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[13]及汪朝晖等[14]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一步的加强，另一方面防止燃油在燃烧时喷口积碳.结构优化模型如图1所示.

图1 喷嘴几何模型图

d1为进气口直径，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为气液进口夹角；l1为进气口长度；l2为进液口长度，K表示喷孔的形状和大小.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)

α1为定量，其值为30°.故以λ=1、2、3；d1/d2=0.8、1、1.3；l1/l2=0.7、1、1.2；K=-1、0、1，4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

根据VOF模型的基本设计思想，用一组连续性方程来描述液体和气体之间的相互作用:

(2)

(3)

动量方程式(3)中，τ为剪切应力；S为源项.还可表示为：

S=Fσ+ρg，

(4)

其中Fσ为表面张力.由于对表面张力无法直接进行计算，所以需要考虑采用Brackbill[15]提出的连续表面力(CSF)模型，将一个表面力近似看成一个连续不间断的体积张力，则可以通过下式求解:

Fσ=Cκ∇α，

(5)

在式(5)中，C为表面张力系数；κ为自由界面曲率；∇α为界面的法向量.混合体的密度表示为：

ρ=αρl+(1-α)ρg.

(6)

1.4 湍流模型

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)

在式(7)和(8)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

采用的空化传质模型是Zwart-Gerber-Belamri[16]模型，该模型是利用一个单位体积内的空化气泡多少来计算出空化的传质效率：

(9)

Rayleigh-Plesset方程式中的二阶导数项通常可以直接忽略不计，其中的黏性项和在给定物体上的二阶表面张力项直接计算，可得:

(10)

将式(10)代入式(9)中得出体积分数表示的传质效率：

(11)

为了区别最终的蒸发和凝结工艺过程中的差别，传质效率的一种表达方法定义式为:

(12)

(13)

式(12)中αnuc为气核体积分数.

2 结果与讨论

2.1 不同温度下喷嘴结构参数对空穴数的影响

依据图3可知，λ=1时喷嘴内部燃油空穴数大于λ=2和λ=3时的燃油空穴数，由此可以看出，燃油空穴数会因气液进口夹角比的增大而呈现明显的下降.

温度/℃图3 不同温度下气液夹角比对空穴数的影响

从图4可知，随着燃油温度的上升，空穴数逐步增大，即燃油的空化能力不断提高.燃油喷嘴气液进口长度比不断地增大，反而更不利于燃油在喷嘴内部形成空穴现象，主要原因是喷嘴燃油进口长度太大时，使得燃油在流动时速度下降，导致局部静压增加，使得内部空化程度减弱.

温度/℃图4 不同温度下长度比对空穴数的影响

从图5中可以看出，当直径比等于1.0时，空穴数在不同温度下均大于0.025，远远大于直径比为0.8和1.2时.

温度/℃图5 不同温度下直径比对空穴数的影响

从图6中可以看出，K=-1时的空穴数大于K等于0和1时，主要在于燃油喷嘴出口孔径的收缩，燃油在喷嘴内部压力逐渐增强，导致低于燃油饱和蒸气压的局部静压区不断减少，进而对空穴现象产生抑制.

温度/℃图6 不同温度下K系数对空穴数的影响

2.2 不同温度下喷嘴结构参数对混合相质量流率旳影响

由图7可看出，在λ=1时混合相质量流率最大，而在λ=3时最小，主要原因在于不同的气液夹角导致内部燃油和空气的混合程度不同，内部的流动畅通性产生一定的差异.

温度/℃图7 不同温度下夹角比对质量流率的影响

图8可看出，当喷嘴的气液进口长度比较大时，喷嘴出口处混合相质量流率逐渐变小，主要由于进液口长度增加，气体进入使得部分液体回流，导致整体的质量流率下降.

温度/℃图8 不同温度下长度比对质量流率的影响

图9是在不同温度下气液进口直径比对于内部混合相质量流率的影响，趋势与K系数类似，但各水平之间变化的幅度都很小.

由图10可知，随着燃油喷嘴K系数的增大，在喷嘴出口处的质量流率明显降低，尤其当K=-1时，在不同的温度下它的质量流率都保持在0.08 kg·s-1之上，主要是因为K系数影响着喷嘴出口的形状，所以对质量流率的影响非常显著.通过对比分析，可以得到K系数对于混合相质量流率的影响最为明显，并且随着燃油喷嘴K系数的增大，喷嘴出口的质量流率逐渐降低.总的来说，在4种喷嘴结构参数的工作情况下，喷嘴出口处的混合相质量流率均会随着温度升高而逐渐变大，且除了K=1时所对应的温度变化曲线外，其余所有的质量流率都能够达到大于0.06 kg·s-1，在一定程度上均可以满足柴油发动机在气缸内部的供给燃油，保证动力稳定.

温度/℃图9 不同温度下直径比对质量流率的影响

温度/℃图10 不同温度下K系数对质量流率的影响

2.3 不同温度下喷嘴结构参数对混合相湍动能的影响

图11～14为喷嘴内部混合相湍动能平均数在不同温度下受气液进口夹角比、气液进口长度比、气液进口直径比及K系数影响的曲线图.从图11中可以看出，气液进口夹角比对于喷嘴内部的混合相湍动能影响较显著，并且随着气液进口夹角比的逐步增大，在喷嘴内部湍动能减少，主要是由于气液两相进口之间夹角变大，增加了气液两相之间对冲的能量损耗，增加了湍动能的消耗.

温度/℃图11 不同温度下夹角比对湍动能的影响

由图12可知，气液进口长度比为0.7时，喷嘴内部的混合相湍动能平均数较大，比气液进口长度比为1.0和1.3时分别增加约100～3 000 m2·s-2不等.因此较小气液进口长度比的湍动能平均数较大，并且还有助于燃油空化现象的产生.

温度/℃图12 不同温度下长度比对湍动能的影响

由图13可以看出，气液进口直径比对喷嘴内部混合相湍动能平均数的影响和气液进口夹角比类似，但变化幅度较小.

温度/℃图13 不同温度下直径比对湍动能的影响

由图14可知，在喷嘴扩张和收缩状态下，湍动能没有明显影响.无论在何种结构下，随着温度的升高，湍动能平均数均呈现增大趋势.

温度/℃图14 不同温度下K系数对湍动能的影响

2.4 不同温度下喷嘴结构参数对混合相流速的影响

图15～18分别为喷嘴内部燃油在不同温度及结构下对混合相流速影响的曲线图.气液进口直径比对燃油流速的影响比其他3种情况明显，且随着气液进口直径比的减小，喷孔内燃油流速逐渐增加.在相同压力和温度下，喷孔直径减小，燃油在喷嘴内部流动加快，从而使燃油流速增高，特别是气液进口直径比为0.8时的燃油流速比1.2时增加了约1倍.K系数的变化对流速也有一定的影响，主要由于喷孔收缩，导致速度有一定的增加.气液进口夹角比对混合相速率影响的趋势基本和K系数相似，气液进口长度比对流速的影响相对较小.燃油在喷嘴中的速度受温度影响较为显著，随着温度的增大，燃油的密度和黏度均会减小，使得速度增加.