噴油壓力及空穴區(qū)域分布的數(shù)值模擬

噴油壓力及空穴區(qū)域分布的數(shù)值模擬

為了適應(yīng)日益嚴(yán)格的排放法律法規(guī)，滿足能耗和車輛運(yùn)營(yíng)的舒適度，汽車汽車不僅要降低燃料消耗，優(yōu)化渦旋壓系統(tǒng)，發(fā)展先進(jìn)的排放后處理過(guò)程，還要進(jìn)一步改進(jìn)汽車汽車的燃燒過(guò)程。即改善汽車空氣中的空氣和燃料混合和燃燒問(wèn)題。良好的霧化是實(shí)現(xiàn)高效率燃燒的前提,對(duì)節(jié)能和凈化排放具有重要的意義。長(zhǎng)期以來(lái),人們對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)噴霧場(chǎng)進(jìn)行了大量研究,但由于噴嘴噴孔直徑比較小和測(cè)試條件的限制,這方面的研究歷來(lái)偏重于燃油流出噴嘴后噴霧的幾何特性(噴霧錐角、貫穿長(zhǎng)度、油滴尺寸及其空間分布)和物理特性(油滴運(yùn)動(dòng)和蒸發(fā)規(guī)律及其與周圍氣體間的作用等),而對(duì)噴嘴噴孔內(nèi)燃油流動(dòng)特性及其對(duì)霧化的影響知之甚少。研究表明,燃油噴霧的形成、霧化過(guò)程及霧化質(zhì)量除了受公認(rèn)的噴霧與其周圍空氣摩擦的影響外,更受到噴嘴內(nèi)流動(dòng)情況(湍流和空穴)的影響。噴孔內(nèi)的空穴引起的液流紊亂對(duì)液體噴束霧化的影響遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于周圍空氣的影響。所以不考慮噴嘴的影響建立的噴霧形成預(yù)測(cè)理論是不完善的。但噴嘴內(nèi)流動(dòng)的高度湍動(dòng)和氣液兩相的存在等燃油流動(dòng)的復(fù)雜性使得對(duì)噴嘴內(nèi)流動(dòng)的物理機(jī)理認(rèn)識(shí)還很不足。通常噴孔直徑只有零點(diǎn)幾毫米,噴油持續(xù)期只有幾毫秒,因此直接觀察噴孔內(nèi)部流動(dòng)非常困難,于是對(duì)噴嘴頭部空穴流動(dòng)開展數(shù)值模擬就成為進(jìn)一步理解噴嘴內(nèi)流動(dòng)的有效方法。1噴嘴幾何參數(shù)和邊界條件多維空穴流動(dòng)數(shù)學(xué)模型以Rayleigh所發(fā)展的單氣泡潰滅模型為基礎(chǔ)而建立。采用了混合多相流模型,附加了空穴模型;對(duì)湍流采用標(biāo)準(zhǔn)κ-ε模型,基本數(shù)學(xué)模型方程如連續(xù)性方程、動(dòng)量方程、氣相輸運(yùn)方程、單個(gè)氣泡成長(zhǎng)破裂過(guò)程方程、κ-ε方程等在文獻(xiàn)中詳細(xì)給出。本研究針對(duì)多孔垂直噴嘴內(nèi)部流動(dòng),進(jìn)行三維兩相流數(shù)值模擬,噴嘴基本幾何參數(shù)如下:噴孔數(shù)n=4;噴孔直徑d=0.32mm;噴孔長(zhǎng)度L=1.3mm;多孔垂直噴嘴各噴孔中心線與針閥軸線間夾角相同,噴孔與針閥軸線間夾角α=74°,各噴孔沿圓周均勻分布。所以本計(jì)算取整個(gè)流動(dòng)區(qū)域的1/4作為計(jì)算區(qū)域,采用分塊耦合的方法生成三維結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格,對(duì)噴孔處作局部加密處理(見(jiàn)圖1)。表1列出了噴嘴計(jì)算的邊界條件。進(jìn)出口均為壓力邊界,在固壁邊界上流速無(wú)滑移,均取為0,而壓力則取第2類邊界條件。截取1/4作為計(jì)算區(qū)域時(shí)所產(chǎn)生的兩個(gè)截面同為旋轉(zhuǎn)周期性邊界條件,認(rèn)為通過(guò)該周期性邊界的平面不存在壓力降。上述所建模型的二維、三維數(shù)值模擬結(jié)果在文獻(xiàn)中與國(guó)外已有試驗(yàn)數(shù)據(jù)或數(shù)值模擬結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比驗(yàn)證,證實(shí)了所建模型的可靠性和準(zhǔn)確性,故可采用該模型做進(jìn)一步的多方案數(shù)值模擬分析。2空穴分布規(guī)律噴孔內(nèi)產(chǎn)生的空穴現(xiàn)象會(huì)給液流造成紊亂,可使噴束的霧化得到促進(jìn)。對(duì)噴嘴空穴流動(dòng)可定義一無(wú)量綱參數(shù),即空穴數(shù)K:Κ=p1-pcp1-p2K=p1?pcp1?p2。(1)式中,p1為無(wú)限遠(yuǎn)處上游側(cè)壓力(噴油壓力),p2為下游側(cè)壓力或周圍空氣壓力(背壓),pc為液體蒸汽壓。K值在一定程度上反映了噴孔內(nèi)部空穴發(fā)展情況,K值越小,空穴程度越嚴(yán)重,更能促進(jìn)燃油的霧化效果。對(duì)不同的噴孔,存在不同的臨界空穴數(shù)Kcrit。當(dāng)K大于Kcrit時(shí),不管Re多大,也不會(huì)產(chǎn)生空穴,流動(dòng)是單相流;一旦K小于Kcrit,在噴孔入口的縮脈處將產(chǎn)生空穴,形成部分空穴流動(dòng);隨噴射速度的逐步提高,K值進(jìn)一步增大,流動(dòng)發(fā)展為完全空穴流動(dòng)。由K值定義可知,空穴的發(fā)生及發(fā)展主要受噴油壓力及下游氣缸壓力的影響。圖2示出了當(dāng)下游氣缸壓力(10MPa)不變,噴油壓力分別為100MPa,40MPa和20MPa時(shí)噴孔內(nèi)部氣相體積分?jǐn)?shù)分布,即空穴分布情況。從圖中可以看出在高噴油壓力(100MPa)時(shí),空穴層緊貼壁面延伸出噴孔,而隨著噴油壓力的減小,空穴層延伸長(zhǎng)度縮短,當(dāng)噴油壓力減小為20MPa時(shí),噴孔里不再出現(xiàn)空穴兩相流動(dòng)。從圖3中可以看出,當(dāng)進(jìn)口壓力保持20MPa不變,下游出口壓力由0.1MPa變化至4MPa時(shí),噴孔里液體空穴分布發(fā)生了明顯的變化,可以得出上下游壓差是影響噴孔空穴分布的主要因素。圖4示出了在進(jìn)口壓力為20MPa、出口壓力為3MPa時(shí)不同噴孔傾角(84°,78°,74°)下的空穴分布情況。由空穴分布圖看出,噴孔傾角為74°時(shí)空穴情況更為嚴(yán)重。圖5示出了在進(jìn)口壓力為20MPa、出口壓力為4MPa時(shí)不同針閥升程下的空穴分布情況,由圖中可以看出,當(dāng)針閥升程較小時(shí),空穴層較長(zhǎng),從而噴孔有效流通截面肯定會(huì)減小。正是由于空穴現(xiàn)象的存在,噴孔的流量系數(shù)也有很大的不同。圖6示出了在進(jìn)口壓力為20MPa、出口壓力為2MPa時(shí)不同入口圓角半徑下的空穴分布計(jì)算結(jié)果。由圖可以看出,噴孔入口圓角半徑對(duì)壓力和空穴分布有很大影響。隨噴孔入口圓角半徑的減小,噴孔內(nèi)部空穴延伸長(zhǎng)度增加,使噴孔出口液流非常紊亂,這顯然會(huì)加速油束的破裂及噴霧油滴的細(xì)化,最終使噴霧錐角增加、噴霧液滴尺寸減小,取得良好的霧化特性。從該角度分析得出,噴嘴設(shè)計(jì)時(shí),噴孔入口圓角半徑應(yīng)盡量減小,形成銳邊過(guò)渡。3空穴流量系數(shù)的數(shù)值結(jié)果噴油嘴偶件的流量系數(shù)就是在一定條件下噴油嘴偶件的實(shí)際噴油量(有效流通截面積)與理論噴油量(最小幾何流通截面積)之比?？蓪⒖昭▍^(qū)域看成一固定、滑移邊界,占據(jù)噴孔橫截面的一部分固定區(qū)域,流體則從噴孔橫截面的其余部分通過(guò)。流體流經(jīng)噴孔,由于湍流摩擦渦旋和噴孔幾何形狀的影響,產(chǎn)生流動(dòng)損失,使流體實(shí)際流量不同于理想流動(dòng)下的流量,故對(duì)流經(jīng)整個(gè)噴孔的流動(dòng)引入流量系數(shù)Cd:Cd=Cc√p1-pcp1-p2。(2)式中,Cc為收縮系數(shù),該值與噴嘴幾何特征參數(shù)有關(guān)。由式(1)和式(2)得出Cd=Cc√Κ。(3)可以看出,流量系數(shù)與空穴分布有著密切的聯(lián)系,空穴情況越嚴(yán)重,√Κ越小,則流量系數(shù)越小。但具體√Κ在不同噴嘴幾何尺寸下對(duì)流量系數(shù)的影響尚不清楚。本研究則采用數(shù)值模擬的方法,分別分析了不同噴油壓力、噴孔傾角、針閥升程、入口圓角半徑下流量系數(shù)與空穴數(shù)間的關(guān)系(見(jiàn)圖7至圖10)。其具體的邊界條件分別與第2節(jié)中空穴分布情況下的邊界條件對(duì)應(yīng)一致。由圖7至圖10可以看出,隨著噴嘴進(jìn)出口壓差的不斷減小,即空穴數(shù)的不斷增大,流量系數(shù)不斷增大,在空穴發(fā)生的區(qū)域里,流量系數(shù)基本呈線性上升;但隨著出口壓力的加大,噴孔內(nèi)空穴層分布越來(lái)越薄,直至空穴現(xiàn)象完全消失,即空穴數(shù)大于臨界空穴數(shù)時(shí),流量系數(shù)保持穩(wěn)定不再變化。圖9和圖10明顯反映出噴嘴幾何尺寸對(duì)臨界空穴數(shù)有著一定的影響。針閥升程和入口圓角半徑越小,臨界空穴數(shù)越大,噴嘴噴孔里流動(dòng)更易出現(xiàn)空穴兩相流動(dòng)。由圖7可以看出,在有空穴現(xiàn)象發(fā)生的情況下,即在空穴區(qū)域里,大的進(jìn)口壓力(100MPa)條件下空穴現(xiàn)象更為嚴(yán)重,從而流量系數(shù)較小。而在無(wú)空穴區(qū)域里,上下游壓差越大,流量系數(shù)越大。圖8示出了噴孔傾角對(duì)流量系數(shù)的影響,噴孔傾角為74°時(shí)的流量系數(shù)比傾角為78°和84°時(shí)要小得多,更容易使得噴孔內(nèi)部流動(dòng)發(fā)生空穴。圖9和圖10示出了針閥升程和入口圓角半徑對(duì)流量系數(shù)也產(chǎn)生了一定的影響:針閥升程越小,空穴現(xiàn)象越嚴(yán)重,流量系數(shù)越小;入口圓角半徑對(duì)空穴分布的影響更加明顯,在入口圓角半徑為0mm時(shí),流量系數(shù)非常小。4針閥升程對(duì)出口平均速度的影響出口平均速度是影響燃油噴霧質(zhì)量的因素之一。由圖11至圖14可以看出,隨著進(jìn)出口壓差的漸漸減小,即空穴數(shù)不斷增加,出口平均速度總體趨勢(shì)是不斷減小。在其他條件不變的前提下,大傾角噴孔的出口平均速度要比小傾角噴孔的出口平均速度大。針閥升程對(duì)出口平均速度的影響也比較大,圖13反映出當(dāng)針閥升程為0.1mm時(shí),出口平均速度遠(yuǎn)小于針閥升程較大時(shí)。噴孔入口圓角半徑對(duì)出口速度也有一定的影響,圓角半徑為0mm時(shí),即入口為銳邊過(guò)渡時(shí),出口平均速度要小于圓角半徑為0.032mm和0.08mm時(shí)的出口平均速度,從空穴分布圖上也可以得到驗(yàn)證,入口為銳角過(guò)渡時(shí),噴孔內(nèi)空穴分布比較嚴(yán)重,流量系數(shù)比較低,出口平均速度也比較小。5影響噴孔內(nèi)部空穴分布的因素通過(guò)三維空穴兩相湍流流動(dòng)數(shù)值