柴油機(jī)噴油兩相流動(dòng)的數(shù)值模擬

柴油機(jī)噴油兩相流動(dòng)的數(shù)值模擬

柴油噴油器的燃油流動(dòng)過程是復(fù)雜的兩相流過程，噴嘴的尺寸很小，因此很難進(jìn)行實(shí)驗(yàn)觀測。然而，隨著cfd技術(shù)的發(fā)展，數(shù)值模擬分析方法可以模擬和研究噴油器的內(nèi)流場。參考文獻(xiàn)利用Fluent軟件進(jìn)行穩(wěn)態(tài)流場的仿真,研究了UDF(UserDefineFunction)函數(shù)實(shí)現(xiàn)出口壓力可變的程序;參考文獻(xiàn)進(jìn)行瞬態(tài)流動(dòng)仿真,但采用的是AVL的HYDSM軟件,沒有進(jìn)行三維流場的分析;參考文獻(xiàn)采用STAR-CD研究噴嘴的穩(wěn)態(tài)特性;參考文獻(xiàn)根據(jù)KIVA-3V和他們實(shí)驗(yàn)室自己改進(jìn)的代碼成功進(jìn)行了噴油器內(nèi)部流場的瞬態(tài)仿真,并和試驗(yàn)對比驗(yàn)證了方法的可靠性.然而,迄今為止的研究多是集中在對噴油器內(nèi)部穩(wěn)態(tài)流場的研究,而對瞬態(tài)流場的研究仍十分有限.由于穩(wěn)態(tài)模擬一般只討論某一固定針閥升程時(shí)噴油器內(nèi)部的流場,不考慮針閥運(yùn)動(dòng)對流場的影響,其分析結(jié)果不能有效地反映噴油器內(nèi)燃油的真實(shí)流動(dòng)過程,而燃油瞬態(tài)流的特性對噴嘴氣穴現(xiàn)象的產(chǎn)生和燃油霧化過程有著重要的影響,為此,有必要深入開展對噴油器內(nèi)部燃油瞬態(tài)流動(dòng)規(guī)律的研究.基于以上想法,本文在Fluent6.2環(huán)境下,就噴油器內(nèi)燃油瞬態(tài)兩相流動(dòng)的建模方法和燃油瞬態(tài)流動(dòng)特性進(jìn)行了研究.研究結(jié)果表明本文建模方法的有效性和準(zhǔn)確性,為深入研究噴油器內(nèi)部流場以及氣穴現(xiàn)象提供了一個(gè)新的途徑.1柴油噴油過程的數(shù)值模擬本文研究中,采用混合相模型附加氣穴模型和湍流模型,應(yīng)用自編程序,對柴油機(jī)噴油器的噴油過程進(jìn)行建模和計(jì)算模擬.燃油采用的是C16H29,密度830kg/m3,粘度0.00332kg/(m·s).1.1噴油器內(nèi)vof模型的建立混合相模型是一種簡化的多相模型,用于模擬各相速度不同的多相流.噴油器內(nèi)部燃油流動(dòng)屬于兩相流范疇,由于噴油時(shí)間十分短暫,噴油器內(nèi)部不會形成穩(wěn)定的氣液分界面,不采用VOF模型.歐拉法在計(jì)算效率上不如混合相模型,過長的計(jì)算時(shí)間對于瞬態(tài)計(jì)算將是一個(gè)嚴(yán)重負(fù)擔(dān).因此綜合考慮混合相模型滿足研究的需要,適合噴油器內(nèi)燃油氣相容積率很低的特點(diǎn).1.2蒸汽體積分?jǐn)?shù)液體包含微小空氣泡或核,在降壓下它們會長大并形成氣穴.當(dāng)局部壓力小于蒸發(fā)壓力時(shí),為兩種互相貫穿的流體設(shè)計(jì)的氣穴模型可以模擬氣泡的形成.其中單個(gè)氣泡的體積:Φ=43πR3(1)Φ=43πR3(1)式中,R為氣泡半徑.蒸汽體積分?jǐn)?shù):α=Φη1+Φη(2)α=Φη1+Φη(2)式中,η為單位體積內(nèi)氣泡數(shù)量.假設(shè)氣泡成長與破裂的過程由式(3)給出:dRdt={√2(ΡB-Ρ)3ρlΡv>Ρ-√2(ΡB-Ρ)3ρlΡv<Ρ(3)dRdt=?????2(PB?P)3ρl??????√?2(PB?P)3ρl??????√Pv>PPv<P(3)式中,PB為氣泡內(nèi)壓力;Pv為飽和蒸汽壓力;ρl為液相密度;P為非凝結(jié)氣體的部分壓力.計(jì)算中氣泡半徑設(shè)為1×10-5m,初始含氣量設(shè)為0.1%,工作溫度在50°時(shí)柴油的飽和蒸汽壓力為1280Pa.1.3瞬態(tài)仿真的非平衡壁面函數(shù)Fluent提供多種湍流模型可供選擇,在穩(wěn)態(tài)仿真時(shí)采用標(biāo)準(zhǔn)的k-ε湍流模型和標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù),瞬態(tài)仿真時(shí)采用Realizablek-ε和非平衡壁面函數(shù).Realizablek-ε模型對于平板和圓柱射流的發(fā)散比率有更精確的預(yù)測,尤其是在圓管射流的瞬態(tài)計(jì)算中Realizablek-ε模型的收斂性較好.非平衡壁面函數(shù)主要是在有大的壓力梯度或是不平衡程度很高時(shí)被使用.1.4噴油器內(nèi)部流場仿真采用的混合相模型適用于分離式求解器,Fluent提供了3種可選的壓力速度耦合算法:SIMPLE,SIMPLEC和PISO.對于包含湍流和附加物理模型的復(fù)雜流動(dòng),用壓力速度耦合做限制,SIMPLEC算法的收斂性比其他兩種算法更好.噴油器內(nèi)部的流場仿真涉及混合相模型和氣穴附加模型,選用SIMPLEC算法較為合適.2噴油機(jī)模型的構(gòu)建2.1噴油器流場分析噴油器的參數(shù)詳見表1.在Fluent的前處理軟件GAMBIT中取其一半建模.動(dòng)網(wǎng)格設(shè)定中將針閥表面與噴油器內(nèi)壁的流場劃分成兩個(gè)區(qū)域,靠近針閥表面的部分為可動(dòng)區(qū)域,另一部分為固定區(qū)域.噴油器壓力室采用四面體非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格,其余部分均為六面體結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格.其中2個(gè)噴嘴出口的網(wǎng)格加密分別到380個(gè),初始流場560484個(gè)網(wǎng)格,如圖1所示.2.2噴射壓力的計(jì)算采用實(shí)驗(yàn)測得的靠近噴油器一端油管的壓力變化近似作為噴油器的噴射壓力.將實(shí)驗(yàn)得到的壓力曲線用Matlab軟件分段進(jìn)行擬合,用得到的分段函數(shù)編程計(jì)算噴射壓力值,賦給噴油器的入口網(wǎng)格.這樣瞬態(tài)計(jì)算中實(shí)現(xiàn)了每一個(gè)時(shí)間步都更新噴射壓力.流程圖如圖2所示.2.3針閥運(yùn)動(dòng)方程噴油開始時(shí)刻,作用于針閥的燃油壓力高于針閥受到的彈簧壓力,針閥跳起;噴油結(jié)束時(shí)刻,燃油壓力迅速降低,彈簧使針閥復(fù)位落座.針閥進(jìn)行的是變速運(yùn)動(dòng),根據(jù)Fluent瞬態(tài)計(jì)算的特點(diǎn),將整個(gè)針閥運(yùn)動(dòng)過程分成若干相等的小時(shí)間段,每個(gè)時(shí)間段內(nèi)簡化為勻速運(yùn)動(dòng).平均速度為每一個(gè)時(shí)間步內(nèi)中點(diǎn)處的速度,固定時(shí)間步長,描述針閥運(yùn)動(dòng)的方程為a=F燃油壓力-F彈簧力m(4)a=F燃油壓力?F彈簧力m(4)第1個(gè)時(shí)間步:ˉv0→1=v0+a0×0.5×tv0→1ˉˉˉˉˉˉˉ=v0+a0×0.5×t第2個(gè)時(shí)間步:ˉv1→2=ˉv0→1+a1×t第N個(gè)時(shí)間步:ˉvn-1→n=ˉvn-2→n-1+an-1×t由此可見,計(jì)算針閥的運(yùn)動(dòng)速度依賴于上一步的速度值和計(jì)算結(jié)束時(shí)針閥的加速度.其中,彈簧壓力根據(jù)Fluent中針閥運(yùn)動(dòng)位移乘以彈性系數(shù)得到,燃油壓力是積分針閥表面受到的壓力得到,程序流程圖如圖3所示.2.4針閥體系中近撞擊仿真柴油噴油器工作過程中,針閥達(dá)到最大升程后受到內(nèi)部結(jié)構(gòu)的限制,不會繼續(xù)上升,針閥落座后會保持在升程很小的位置附近跳動(dòng).在Fluent仿真中這些問題都需要特別處理,否則可能造成計(jì)算結(jié)果錯(cuò)誤或出現(xiàn)負(fù)網(wǎng)格.研究中對針閥最大升程和最小位移兩種情況進(jìn)行了限位處理,即當(dāng)程序從Fluent計(jì)算結(jié)果中讀取針閥升程超過0.24mm時(shí),將針閥速度置為0,忽略因?yàn)獒橀y慣性引起的局部跳動(dòng).當(dāng)針閥落座時(shí),即針閥升程低于0.03mm時(shí),同樣將針閥速度置0.3針閥運(yùn)動(dòng)仿真為了驗(yàn)證建模方法的可行性和有效性,本文根據(jù)噴油實(shí)驗(yàn)的初始條件,進(jìn)行了噴油器內(nèi)部流場的數(shù)值模擬,和實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對比.噴油器詳細(xì)參數(shù)見表1.綜合考慮計(jì)算效率,仿真的時(shí)間步長設(shè)為0.012ms,是實(shí)驗(yàn)采集頻率0.006ms的2倍,總計(jì)算時(shí)間控制在8h.噴油泵轉(zhuǎn)速為800r/min,實(shí)驗(yàn)得到的噴油器噴射壓力如圖4所示,針閥升程如圖5所示.0.426ms針閥到達(dá)最大升程,0.75ms開始落座,噴油時(shí)間約1ms.由于流場計(jì)算的需要,針閥最小升程設(shè)為0.02mm,對應(yīng)圖4和圖5中0.24ms時(shí)刻.初始噴射壓力為32MPa,出口邊界條件保持一個(gè)大氣壓,仿真得到的針閥位移結(jié)果如圖6所示.圖6中針閥開啟和落座的時(shí)間和圖5實(shí)驗(yàn)結(jié)果基本吻合.圖5中針閥達(dá)到最大升程時(shí)有一個(gè)小跳動(dòng),這是和噴油器壁面碰撞后反彈的結(jié)果,仿真結(jié)果是平滑的.這個(gè)差異和限位條件的設(shè)置有關(guān),對噴油量的影響很小,不影響針閥運(yùn)動(dòng)過程的整體預(yù)測.噴油器的出口質(zhì)量流量(燃油流量)如圖7所示,針閥不斷抬起,燃油流量不斷上升;當(dāng)針閥到達(dá)最大升程時(shí),燃油流量最大達(dá)到45.5g/s;隨后燃油流量逐漸下降.根據(jù)圖7積分燃油流量得到,800r/min時(shí)每循環(huán)噴油量為0.029g,按模型設(shè)定的燃油密度830kg/m3計(jì)算,100循環(huán)供油量為3.5ml.實(shí)驗(yàn)測得100循環(huán)的噴油量為3.8ml,誤差為7.9%.分析誤差產(chǎn)生的原因有:①噴油過程是從針閥升程0.02mm開始計(jì)算;②循環(huán)變動(dòng)造成的差異.上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果和模擬計(jì)算結(jié)果的對比表明,本文提出的建模方法是可行和有效的,依據(jù)該方法所建立的計(jì)算模型和仿真結(jié)果是正確的.4氣穴現(xiàn)象的發(fā)生和消失通過分析數(shù)值模擬結(jié)果發(fā)現(xiàn)柴油機(jī)噴油器的噴嘴入口處容易產(chǎn)生氣穴現(xiàn)象,受慣性影響拐角處流體與壁面分離,造成局部低壓,導(dǎo)致了氣穴現(xiàn)象的出現(xiàn).圖8為在噴油泵轉(zhuǎn)速800r/min,噴油量為3.5ml/100循環(huán)的條件下噴嘴處瞬態(tài)流場的數(shù)值模擬結(jié)果,其中1為純液相,0為純氣相,即圖中深色區(qū)域代表氣泡聚集的區(qū)域.從圖8中可以清晰地看到氣穴現(xiàn)象的產(chǎn)生、發(fā)展和消失過程.對于豎直放置的噴油器,氣穴現(xiàn)象最初出現(xiàn)在噴嘴的下方拐角處(見圖8a),隨后發(fā)展和擴(kuò)大(見圖8b);在0.414ms針閥達(dá)到最大升程,氣穴現(xiàn)象從噴嘴下部轉(zhuǎn)移到上部(見圖8c);針閥保持最大升程時(shí)噴嘴上部的氣穴不斷發(fā)展和擴(kuò)大(見圖8d～圖8f);1.254ms時(shí)刻,針閥開始落座,此時(shí)氣穴發(fā)展到噴嘴出口附近,幾乎形成水擊現(xiàn)象(空氣回流到噴嘴內(nèi)部);隨后針閥落座,噴嘴內(nèi)部的氣穴現(xiàn)象在0.1ms時(shí)間內(nèi)迅速消失,但壓力室中出現(xiàn)氣穴環(huán)帶(見圖8g～圖8j).這是因?yàn)獒橀y表面和壓力室壁面形成了明顯的收縮和擴(kuò)張,造成局部壓降產(chǎn)生了大量氣穴.由于壓力室和針閥都是軸對稱的幾何體,就形成了氣穴環(huán)帶.圖9所示為在針閥開始落座時(shí)噴嘴的壓力分布圖.從圖中可以看出,壓力分布圖的低壓區(qū)和圖8g中氣穴分布區(qū)域幾乎是一致的.由此可見,通過瞬態(tài)建模仿真法,可以準(zhǔn)確地模擬噴油器內(nèi)部的瞬態(tài)流場,并揭示了氣穴現(xiàn)象的產(chǎn)生、發(fā)展和消失過程,同時(shí)還可預(yù)測出氣穴的