针阀运动对柴油机喷嘴空穴流动的影响

针阀运动对柴油机喷嘴空穴流动的影响

鉴于世界上石油资源的枯劳和严格的排放规则，对机械的燃烧和排放性能提出了越来越高的要求。作为燃烧的边界条件之一，柴油喷雾对燃烧和排放的影响具有决定性的影响，并直接影响到发动机的动态、机械和排放性能。近年来的研究表明，除了受到空气动力学因素的影响外，喷雾雾弥勒过程不仅受口腔内流的影响，而且空孔现象也是影响外表散打油雾的重要因素。因此，有必要研究喷嘴内的空孔流动。由于真实喷嘴喷孔非常小,喷孔内流动速度又很高,试验观察其内部流动非常困难,部分学者采用比例放大的透明喷嘴来研究喷嘴内部空穴流动.而燃油喷射持续期非常短,只有几毫秒,使通过试验获得喷嘴内部瞬态空穴流动特性非常困难,随着计算机技术的发展,计算流体动力学(CFD)方法对喷嘴内瞬态流动的研究成为可能,并成为有效手段.而当前国内的数值模拟研究大都在固定针阀升程条件下开展,尚未专门分析针阀运动对喷嘴空穴流动特性的影响.笔者结合喷嘴内部流动可视化试验,重点采用三维动网格技术,开展喷嘴内空穴两相流动三维数值模拟,分析针阀运动对喷嘴内瞬态流动特性的影响.1数学模型1.1流场模型分析针阀运动直接影响喷嘴内的空穴流动,喷嘴由于喷孔直径只有零点几毫米,通过喷孔的流速又很高,喷油持续期仅几毫秒,内部为高雷诺数的复杂湍流流动.因此,全面考虑采用瞬态计算方案,并加入混合多相流模型、空穴模型和标准k-ε湍流模型.连续性方程为动量方程为气相输运方程为单个气泡的成长破裂过程,根据Rayleigh-Plesset方程得k-ε方程为壁面方程为式中:1Cε=1.44;C2ε=1.92;σk=1.0;σε=1.3;Cμ=0.09;k=0.42;B=5.44;v为流速;p为压力;F为体积力;t为时间;ρ为混合密度;μ为混合黏度;n0为单位体积纯液体中所含气泡数;k为湍动能;ε为耗散率;Bp为气泡内压力;σ为表面张力系数;y为壁面距离;y+为距壁面的无量纲距离;u为速度沿壁面的切向分量;uτ为切应力速度;υ为动力黏度.1.2型网格的数值计算喷嘴喷孔直径为0.32,mm,孔长为1.27,mm.因喷嘴为4孔对称结构,故取其中一个喷孔加以研究.根据动态层动网格模型的要求,只对初始时刻流域建立网格,而且移动边界区域为棱柱型网格(六面体或楔形),如图1所示.针阀升程初始值为0.02,mm,考虑出口边界条件对流动影响,在喷孔外加一个圆柱体.采用分块耦合、局部加密的方法生成结构化网格,网格单元数为50,768.边界条件设置为压力入口、压力出口和周期性边界,其余为壁面边界.对湍流采用k-ε湍流模型,近壁区内低雷诺数情况采用壁面函数法处理,即用一组半经验公式将壁面上的物理量与湍流核心区内的相应物理量联系起来.对压力场的耦合计算采用SIMPLE算法.主要研究关于针阀运动对喷嘴内部流动影响,水中所含杂质少,容易说明此问题,所以试验和数值模拟研究介质都是水.1.3针阀的运动规律针阀升程h随时间的变化规律如图2所示.设定针阀初始高度为0.02,mm,最高针阀升程为0.3mm,针阀往复一次的周期为2,ms.2试验证实2.1流量系数vp喷孔内产生的空穴现象会给液流造成紊乱,使喷束的雾化得到促进.对喷嘴空穴流动定义一无量纲参数来反映空穴发展情况,即空穴数式中:1p为无限远处上游侧压力(喷油压力);2p为下游侧压力或周围空气压力(背压);vp为液体蒸气压.K值在一定程度上反映了喷孔内部空穴发展情况,K值越小,空穴程度越严重,越能促进燃油的雾化.喷油嘴偶件的流量系数就是在一定条件下喷油嘴偶件的实际喷油量(有效流通截面积)与理论喷油量(最小几何流通截面积)之比.可将空穴区域看成一固定、滑移边界,占据喷孔横截面的一部分固定区域,流体则从喷孔横截面的其余部分通过.流体流经喷孔,由于湍流摩擦涡旋和喷孔几何形状的影响,产生流动损失,使流体实际流量不同于理想流动下的流量,故对流经整个喷孔的流动引入流量系数式中:cC为收缩系数,该值与喷嘴几何特征参数有关.由式(10)和式(11)得流量系数与空穴分布有着密切的联系,空穴情况越严重,K越小,则流量系数越小.2.2测试系统的组成可视化试验装置如图3所示,该试验装置由比例放大5倍的带透明喷油嘴的喷油器、图像采集系统和燃油供给系统组成.根据空穴数的相似性准则所确定的试验参数如表1所示.透明喷油嘴采用聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)制造,通过使用高速数码摄像机和LED高强度光源,对喷孔内部流动和外部喷雾进行图像采集,为实现稳定的燃油喷射,稳压油箱釆用氮气加压来提供喷射所需压力,循环油泵则把燃油从燃油回收池泵回油箱从而实现连续稳定喷射.2.3空穴分布情况由于空穴现象是当流体流动过程中局部压力低于饱和蒸气压力时出现的,喷油压差对空穴的形成和发展有非常重要的影响.试验背压为0.1,MPa,在不同的入口喷射压力pin下,分别将数值模拟所获得的空穴分布和试验所拍图片反映出空穴分布情况进行对比,如图4所示.试验图片是在最大针阀升程下所获得的试验结果,数值模拟也是在针阀全开情况下的空穴分布.入口压力分别为0.12,MPa、0.5,MPa和0.8,MPa,随着入口压力的增加,喷嘴内部流动由空穴初生发展为超空穴.数值模拟结果与试验结果基本一致.图5为流量系数与空穴数关系,当空穴数小于临界空穴数时,随空穴数的增加,空穴现象减弱,流量系数增加;当空穴数大于临界空穴数后,喷孔不再出现空穴现象,流量系数也与空穴参数无关,即其值基本保持不变,模拟数据与试验数据的变化趋势也基本一致,在一定程度上验证了所用计算模型的可靠性.3结果与讨论3.1喷孔内空穴现象基于上述喷嘴内部空穴流动的数值计算模型,在不同喷射压力下,开展针阀运动对喷嘴内空穴流动的影响研究.图6给出当下游压力为大气压保持不变时,喷油压力在2,MPa、5,MPa和10,MPa时,喷嘴内不同时刻气相体积分数分布.在0.05,ms时,喷油压力在10,MPa时有空穴出现,而2,MPa和5,MPa时都没出现.而在0.08,ms时,5,MPa入口压力下也出现空穴,10,MPa时的空穴区域延伸到喷孔中下部.这说明随入口压力的增加,空穴初生的时间提前,而在同一时刻,入口压力越大,空穴区延伸长度越大,空穴现象越严重.另外,随着针阀的抬起,喷孔内空穴层向出口延伸.图7a为不同喷油压力下,喷孔内平均气相体积分数随针阀运动的变化.在针阀抬起阶段,喷孔内空穴现象迅速产生,气相体积分数很快达到某一最大值,在随后的时间里,气相体积分数基本在这一值上下波动,没有太大变化,只在针阀关闭那一时刻,气相体积分数有一突变.这个过程说明空穴现象瞬间出现并达到一定程度后,随针阀的继续抬起,其区域基本保持不变,但是在针阀从1.9,ms到2.0,ms喷嘴即将被关死过程中,空穴现象会突然进一步增强,随之消失.这是因为在这一过程中,针阀即将关闭,座面的有效流通截面积减小,截面收缩处的速度增大,从而造成内部流动压强降低,以致于空泡内压力大于空泡外压力,使得很多没能生长的空泡进一步长大,造成在这一时刻气相体积分数突然增大.图7b为喷孔内流动雷诺数Re随针阀运动在不同时刻的变化,对照图7a可知,雷诺数随针阀抬起线性增加,一旦出现空穴现象,雷诺数基本维持不变.图8给出了喷油压力为5,MPa时针阀开启和针阀落座过程中对应针阀升程下的喷嘴内部空穴分布情况.在同样针阀升程下,针阀开启与针阀落座两个不同过程其喷孔内空穴分布有所不同,针阀落座过程,在同样针阀升程下,空穴现象会更为严重,也说明了固定针阀升程条件下开展稳态计算已不能真实反映喷孔内空穴发生、发展和溃灭过程.3.2空穴期流量系数.图9表示了在最大针阀升程时空穴数与流量系数的关系,随喷嘴进出口压差的不断减小,即空穴数的不断增大,流量系数不断增大.在空穴发生的区域里,流量系数基本呈线性上升;但随着入口压力的减小,喷孔内空穴层分布越来越薄,直至空穴现象完全消失,即空穴数大于临界空穴数时,流量系数保持稳定不再变化.这一结论与先前的固定针阀升程的研究结论相同.3.3针阀内部平均速度随针阀升程的变化图10a表示了湍流强度随时间的变化过程,随着针阀升程开启程度的增加,湍流强度不断加大,在针阀全开的过程中,湍流强度不再增加,只是在某一个值附近上下波动.这是因为在针阀上升过程中,喷孔内部流动随着针阀的升高,流动不稳定,湍流强度随着针阀升程的升高而加大,而在针阀全开过程中,喷孔内部流动基本达到稳定,稍有波动,湍流强度也对应的在某一值左右上下波动.在针阀落座的过程中,开始几毫秒之内,湍流强度并没有随着针阀升程的降低而减少,只是在针阀关闭的那一刻湍流强度稍有降低,这是因为在关闭的那一刻,有效流通截面积已很小,湍流强度随之稍微减小.图10b为出口平均速度随时间的变化,出口平均速度随针阀运动的变化而变化,针阀上升过程中,出口平均速度增加,在针阀尚未完全开启时,速度即达到最大值,并保持至针阀开始落座后,速度随之减小.入口压力越大,出口平均速度也越大.3.4空穴和空穴之间的分布图11为在相同进出口压力(pin=5,MPa)条件下,不同温度下的空穴分布,燃油温度的提高可以促进空穴现象的产生,使空穴的发生提前,当空穴发展为超空穴后,空穴分布基本没有多大区别.主要是因为燃油温度的升高,使饱和蒸气压增加,从而局部压力更容易降低至饱和蒸气压,使喷孔内空穴初生提前.而空穴发展为超空穴后,空穴分布基本没有变化,此时,燃油中的含气量数目是一定的.4针阀开启和关闭阶段(1)可视化试验验证了所建的喷嘴内空穴流动数值计算模型在一定程度上的可靠性.(2)通过采用动网格技术,可获得喷嘴内详细的流动信息.随着入口压力的增加,空穴产生会提前,在相同的针阀升程条件下,入口压力越大,空穴发展区域越大.针阀开启阶段与针阀关闭阶段喷嘴内空穴发展过程有较大区别.针阀关闭阶段,喷嘴内空穴发展要比针阀