喷油压力及空穴区域分布的数值模拟

喷油压力及空穴区域分布的数值模拟

为了适应日益严格的排放法律法规，满足能耗和车辆运营的舒适度，汽车汽车不仅要降低燃料消耗，优化涡旋压系统，发展先进的排放后处理过程，还要进一步改进汽车汽车的燃烧过程。即改善汽车空气中的空气和燃料混合和燃烧问题。良好的雾化是实现高效率燃烧的前提,对节能和净化排放具有重要的意义。长期以来,人们对发动机喷雾场进行了大量研究,但由于喷嘴喷孔直径比较小和测试条件的限制,这方面的研究历来偏重于燃油流出喷嘴后喷雾的几何特性(喷雾锥角、贯穿长度、油滴尺寸及其空间分布)和物理特性(油滴运动和蒸发规律及其与周围气体间的作用等),而对喷嘴喷孔内燃油流动特性及其对雾化的影响知之甚少。研究表明,燃油喷雾的形成、雾化过程及雾化质量除了受公认的喷雾与其周围空气摩擦的影响外,更受到喷嘴内流动情况(湍流和空穴)的影响。喷孔内的空穴引起的液流紊乱对液体喷束雾化的影响远远大于周围空气的影响。所以不考虑喷嘴的影响建立的喷雾形成预测理论是不完善的。但喷嘴内流动的高度湍动和气液两相的存在等燃油流动的复杂性使得对喷嘴内流动的物理机理认识还很不足。通常喷孔直径只有零点几毫米,喷油持续期只有几毫秒,因此直接观察喷孔内部流动非常困难,于是对喷嘴头部空穴流动开展数值模拟就成为进一步理解喷嘴内流动的有效方法。1喷嘴几何参数和边界条件多维空穴流动数学模型以Rayleigh所发展的单气泡溃灭模型为基础而建立。采用了混合多相流模型,附加了空穴模型;对湍流采用标准κ-ε模型,基本数学模型方程如连续性方程、动量方程、气相输运方程、单个气泡成长破裂过程方程、κ-ε方程等在文献中详细给出。本研究针对多孔垂直喷嘴内部流动,进行三维两相流数值模拟,喷嘴基本几何参数如下:喷孔数n=4;喷孔直径d=0.32mm;喷孔长度L=1.3mm;多孔垂直喷嘴各喷孔中心线与针阀轴线间夹角相同,喷孔与针阀轴线间夹角α=74°,各喷孔沿圆周均匀分布。所以本计算取整个流动区域的1/4作为计算区域,采用分块耦合的方法生成三维结构化网格,对喷孔处作局部加密处理(见图1)。表1列出了喷嘴计算的边界条件。进出口均为压力边界,在固壁边界上流速无滑移,均取为0,而压力则取第2类边界条件。截取1/4作为计算区域时所产生的两个截面同为旋转周期性边界条件,认为通过该周期性边界的平面不存在压力降。上述所建模型的二维、三维数值模拟结果在文献中与国外已有试验数据或数值模拟结果进行了对比验证,证实了所建模型的可靠性和准确性,故可采用该模型做进一步的多方案数值模拟分析。2空穴分布规律喷孔内产生的空穴现象会给液流造成紊乱,可使喷束的雾化得到促进。对喷嘴空穴流动可定义一无量纲参数,即空穴数K:Κ=p1-pcp1-p2K=p1−pcp1−p2。(1)式中,p1为无限远处上游侧压力(喷油压力),p2为下游侧压力或周围空气压力(背压),pc为液体蒸汽压。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,更能促进燃油的雾化效果。对不同的喷孔,存在不同的临界空穴数Kcrit。当K大于Kcrit时,不管Re多大,也不会产生空穴,流动是单相流;一旦K小于Kcrit,在喷孔入口的缩脉处将产生空穴,形成部分空穴流动;随喷射速度的逐步提高,K值进一步增大,流动发展为完全空穴流动。由K值定义可知,空穴的发生及发展主要受喷油压力及下游气缸压力的影响。图2示出了当下游气缸压力(10MPa)不变,喷油压力分别为100MPa,40MPa和20MPa时喷孔内部气相体积分数分布,即空穴分布情况。从图中可以看出在高喷油压力(100MPa)时,空穴层紧贴壁面延伸出喷孔,而随着喷油压力的减小,空穴层延伸长度缩短,当喷油压力减小为20MPa时,喷孔里不再出现空穴两相流动。从图3中可以看出,当进口压力保持20MPa不变,下游出口压力由0.1MPa变化至4MPa时,喷孔里液体空穴分布发生了明显的变化,可以得出上下游压差是影响喷孔空穴分布的主要因素。图4示出了在进口压力为20MPa、出口压力为3MPa时不同喷孔倾角(84°,78°,74°)下的空穴分布情况。由空穴分布图看出,喷孔倾角为74°时空穴情况更为严重。图5示出了在进口压力为20MPa、出口压力为4MPa时不同针阀升程下的空穴分布情况,由图中可以看出,当针阀升程较小时,空穴层较长,从而喷孔有效流通截面肯定会减小。正是由于空穴现象的存在,喷孔的流量系数也有很大的不同。图6示出了在进口压力为20MPa、出口压力为2MPa时不同入口圆角半径下的空穴分布计算结果。由图可以看出,喷孔入口圆角半径对压力和空穴分布有很大影响。随喷孔入口圆角半径的减小,喷孔内部空穴延伸长度增加,使喷孔出口液流非常紊乱,这显然会加速油束的破裂及喷雾油滴的细化,最终使喷雾锥角增加、喷雾液滴尺寸减小,取得良好的雾化特性。从该角度分析得出,喷嘴设计时,喷孔入口圆角半径应尽量减小,形成锐边过渡。3空穴流量系数的数值结果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Cd:Cd=Cc√p1-pcp1-p2。(2)式中,Cc为收缩系数,该值与喷嘴几何特征参数有关。由式(1)和式(2)得出Cd=Cc√Κ。(3)可以看出,流量系数与空穴分布有着密切的联系,空穴情况越严重,√Κ越小,则流量系数越小。但具体√Κ在不同喷嘴几何尺寸下对流量系数的影响尚不清楚。本研究则采用数值模拟的方法,分别分析了不同喷油压力、喷孔倾角、针阀升程、入口圆角半径下流量系数与空穴数间的关系(见图7至图10)。其具体的边界条件分别与第2节中空穴分布情况下的边界条件对应一致。由图7至图10可以看出,随着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;但随着出口压力的加大,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。图9和图10明显反映出喷嘴几何尺寸对临界空穴数有着一定的影响。针阀升程和入口圆角半径越小,临界空穴数越大,喷嘴喷孔里流动更易出现空穴两相流动。由图7可以看出,在有空穴现象发生的情况下,即在空穴区域里,大的进口压力(100MPa)条件下空穴现象更为严重,从而流量系数较小。而在无空穴区域里,上下游压差越大,流量系数越大。图8示出了喷孔倾角对流量系数的影响,喷孔倾角为74°时的流量系数比倾角为78°和84°时要小得多,更容易使得喷孔内部流动发生空穴。图9和图10示出了针阀升程和入口圆角半径对流量系数也产生了一定的影响:针阀升程越小,空穴现象越严重,流量系数越小;入口圆角半径对空穴分布的影响更加明显,在入口圆角半径为0mm时,流量系数非常小。4针阀升程对出口平均速度的影响出口平均速度是影响燃油喷雾质量的因素之一。由图11至图14可以看出,随着进出口压差的渐渐减小,即空穴数不断增加,出口平均速度总体趋势是不断减小。在其他条件不变的前提下,大倾角喷孔的出口平均速度要比小倾角喷孔的出口平均速度大。针阀升程对出口平均速度的影响也比较大,图13反映出当针阀升程为0.1mm时,出口平均速度远小于针阀升程较大时。喷孔入口圆角半径对出口速度也有一定的影响,圆角半径为0mm时,即入口为锐边过渡时,出口平均速度要小于圆角半径为0.032mm和0.08mm时的出口平均速度,从空穴分布图上也可以得到验证,入口为锐角过渡时,喷孔内空穴分布比较严重,流量系数比较低,出口平均速度也比较小。5影响喷孔内部空穴分布的因素通过三维空穴两相湍流流动数值