（动力机械及工程专业论文）柴油机喷油器喷孔内空化效应机理的研究.pdf

摘要 柴油机喷嘴内部空化效应是燃油液体射流雾化的重要原因之。运用基于欧 拉多流体法的多相流模型，通过全自动网格生成技术，对喷孔内部的流动进行了 多维c f d 数值模拟。全面分析了喷嘴射流因素和几何结构因素对喷孔内部空化 效应的影响。 根据相似理论和可视化研究的要求，设计了扩大为原尺寸2 0 倍的大尺度燃 油喷射系统，包括以v c o 喷嘴为原型的大尺度喷嘴，以及各种形式尖缘喷嘴。 在此系统上进行了包括喷孔倾角、直径、长径比、入口结构、针阀升程、入口压 力、环境背压在内的结构参数和射流参数对喷孔内部空化效应影响的可视化研 究。 在多种尖缘单孔喷嘴上完成了空化效应的实验，随着压力升高，空化现象首 先出现在喷孔入口处，形成“脉缩”，脉缩会限制管内流体的运动，形成文丘里 管样的形状：继续增加空化数，会导致流动向挑流模式发展。 为了获得管内流体的流动特性和空化特性，测定了体积流量和流量系数。选 用合适的大尺度模型有助于理解来自实际喷嘴和c f d 模拟的结果。 借助于大尺度喷嘴和实际尺度喷嘴的相似，以及大尺度喷嘴上容易获得的实 验数据，有助于理解实际尺度喷嘴在实际柴油机工作条件下的喷孔内部的空化效 应。而对实际工况的了解又可以促进c f d 计算模型的发展。 关键词：空化、柴油机、喷嘴、大尺度、挑流、模型 a b s t r a c t c a v i t a t i o n ，o c c u r r i n gi n d i e s e ln o z z l eo r i f i c e ，i so n eo ft h em o s ti m p o r t a n t r e a s o n sf o rt h ea t o m i z a t i o no ff u e ll i q u i dj e t d e p e n d e n to n 8 1 1 a u t o m a t i c a l l y g e n e r a t e du n s t r u c t u r e dg r i d ，t h em u l t i d i m e n s i o n a lc f dn u m e r i c a ls i m u l a t i o n sa r e p e r f o r m e do nb o t ho ft h e mw i t ht h em u l t i p h a s ef l o wm o d e lb a s e do na l le u l e r i a n m u l t i f l u i da p p r o a c h s e v e r a li m p o r t a n tp a r a m e t e r s ，i n c l u d i n g e c t i o np r e s s u r e p a r a m e t e r sa n dg e o m e t r i cp a r a m e t e r s a r ec o n s i d e r e dt ob eu s e di na n a l y z i n gt h e c a v i t a t i n gf l o wi nn o z z l e d i f f e r e n tk i n d so fa c r y l i cn o z z l ea n das t e a d y - s t a t ef l o wt e s tr i gw e r ed e s i g n e d ， 2 0 xs c a l ee n l a r g e dt r a n s p a r e n td i e s e l 画e c t o rv c on o z z l e sw e r eu s e dt ov i s u a l i z e a n du n d e r s t a n dc a v i t a t i o np h e n o m e n ai ns u c hg e o m e t r i e su s i n gas t e a d y - s t a t ef l o w r i g p a r a m e t r i cs t u d i e sw e r ep e r f o r m e di no r d e rt oi n v e s t i g a t et h ee f f e c to ft h eh o l e i n c l i n a t i o na n g l e ，d i a m e t e r , l e n g t h - d i a m e t e rr a t i o ，h o l ee n t r a n c eg e o m e t r ya n db a c k p r e s s u r eo i lt h ef l o wc a v i t a t i o ni nt h ei n j e c t i o nh o l e so f t h ee n l a r g e dn o z z l e e x p e r i m e n t sw e r ea l s op e r f o r m e dw i t hv a r i o u ss h a r p e d g e ds i n g l e - h o l eo r i f i c e s w i t hi n c r e a s i n gu p s t r e a mp r e s s u r e ，c a v i t a t i o na p p e a r e da tt h ec h a n n e li n l e to ft h e o r i f i c e s ，f o r m i n ga v e n ac o n t r a c t a ；t h el a t t e ri se s s e n t i a l l yr e s t r i c t i n gt h ef l o wo ft h e l i q u i da n dr e s e m b l e sav e n t u r i - l i k es h a p e f u r t h e ri n c r e a s eo f t h e c a v i t a t i o nn u m b e r w o u l dc a u s et r a n s i t i o no ft h ef l o wi n t oah y d r a u l i cf l i p p e dc o n d i t i o n v o l u m ef l o wr a t ea n dt h ed i s c h a r g ec o e f f i c i e n t sw e r em e a s u r e dt oo b t a i nt h e i n f o r m a t i o no ff l o wa n dc a v i t a t i o nc h a r a c t e r i s t i c s t h ec o r r e c tu s eo fl a r g es c a l e m o d e l si sf o u n dt oe n a b l et h ei n t e r p r e t a t i o na n dc l a r i f i c a t i o no ft h er e s u l t so b t a i n e do f c f dm o d e l b a s e do nt h ef l o ws i m i l a r i t yb e t w e e nt h er e a ls i z ea n de n l a r g e dm u l t i h o l e n o z z l e sa n de x t e n s i v ee x p e r i e n c eo nc a v i t a t i o nf l o wc h a r a c t e r i s t i c si nl a r g es c a l e n o z z l e ，b e t t e ru n d e r s t a n d i n go ft h ec a v i t a t i n gf l o wi n r e a ls i z en o z z l eo p e r a t i n g u n d e rd i e s e le n g i n ec o n d i t i o n sh a sb e e no b t a i n e d ，w h i c hc a l lg u i d et h ed e v e l o p m e n t o fr e l e v a n tc o m p u t e rm o d e l s k e yw o l m s - c a v i t a t i o n ，d i e s e l ，i n j e c t o r ，e n l a r g e d ，h y d r a u l i c ，m o d e l 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得叁鲞叁堂或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：飞俞刻 签字日期：砂砷年罗月尹日 | 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解苤盗盘鲎有关保留、使用学位论文的规定。 特授权丕洼盘堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：飞“乃d 签字日期叩年夕月夕日 导师签名： 钸 签字- i ii i 沙j 年f 具尹日 第一章绪论 第一章绪论 本章回顾了柴油机喷嘴内空化效应研究的历史与现状，简述了实验研究与理 论计算的方法和模型，阐述了本课题的意义及主要工作。 1 1 引言 从本质上说，柴油机的燃烧属于扩散燃烧，燃油的雾化特性直接决定着柴油 机混合气的制备及缸内燃烧过程，并进而决定着柴油机的动力性、经济性和排放 特性。因而，对于喷雾破碎雾化特性的研究一直是柴油机燃烧过程研究的核心问 题。 然而，柴油机雾化现象是一种非常复杂的物理过程，对其本质的认识和理论 解释还远未达到令人满意的程度。研究者们提出了多种理论，例如空气干扰说、 湍流扰动说、边界条件突变说、压力振荡说等。r d r e i t z 利用实验结果对上述 各种理论所给出的预测进行了分析比较，认为对于柴油机喷雾所属的高速液体射 流，目前还没有哪一种理论可以解释实验中观察到的全部现象，因而都是不完备 的。但他认为空气动力干扰说最具有发展前途，只是需对其进行进一步的修正和 补充。r e i t z 把此理论称为增广的空气动力干扰雾化理论。这一理论对于燃油流 出喷嘴以后由空气动力不稳定性所引发的射流破碎机理的解释已经日臻成熟与 完善。 然而，由于空气动力干扰说假定射流的基础流场为平行流，就使得它只能给 出液体在流出喷嘴之后的破碎特征与规律的描述，而对于流体在喷嘴内部的流动 状态则无法涉及，因而r e i t z 只能将喷嘴内部结构和流动形态对喷雾破碎特征的 影响归结为一个完全建立在经验基础上的修正系数，并未能给出其明确的机理解 释，从而使得增广的空气动力干扰机理解释无论是在理论层面上，还是在实用层 面上都受到了极大的制约。这一结论促使研究者将喷雾破碎机理的研究重心从对 于喷雾远场破碎特征的研究转移到了对喷嘴内部流体流动状态的研究上。 由于流体在柴油机喷嘴内部的流动处于高度的湍流状态，因此最初研究工作 集中于喷嘴内部的湍流流动特性与喷雾破碎特征的关系上。在此领域，研究者们 第一章绪论 取得了不少研究成果。然而，进一步的研究表明，在某些射流条件下，特别是对 于现代柴油机的高压喷雾，即使在充分考虑喷嘴内部湍流效应的前提下，喷雾雾 化特征的理论研究结果仍不能给出与试验结果吻合的解释。例如，喷嘴出口处的 流动特性和喷雾的射流特性会由于喷嘴流通管道入口处圆角的大小不同而产生 非常大的差异，表明除喷嘴内部流体的湍流特性外，还存在着其他的因素对于喷 嘴内部流体的运动产生显著的影响，深入的研究发现，这一对喷雾破碎具有显著 影响的现象就是喷嘴内部在一定的射流参数和结构参数下所发生的空化效应 ( c a v i t a t i o n ) 。事实上，对于现代柴油机的燃油喷射系统而言，喷射压力越来越高、 喷嘴尺度越来越小，使得在喷嘴内部燃料流通的某些区域，燃料的流动速度极大， 而使此处燃料的压力迅速降低，甚至低于当地液体的饱和蒸气压，就使得液体空 化现象的发生成为一种必然。实验结果证明了对于柴油机喷雾系统而言，空化效 应对于喷雾破碎特征具有不亚于喷嘴内部湍流效应的重要影响。 事实上，空化现象不仅在试验中得到了有力的证实，即使是在不考虑空化现 象，仅考虑喷嘴内部湍流运动的c f d 模型计算中，也出现了液体压力低于燃料 饱和蒸气压的区域。暗示着对于柴油机高压喷雾条件下空化效应是不能被忽略 的。 对于大多数流体机械而言，空化效应并不是系统所希望的。一方面，当流体 中的空泡馈灭时，会对流体机械的相关部件产生强大的作用力，从而影响机械部 件的结构强度。最新的研究成果给出了空化效应引发的喷嘴结构破坏的较为全面 的结论【1 1 。另一方面，由于流体中空化现象所导致的气一液两相流会降低液体总 的流动密度，从而减小了流体机械的流通效率。 虽然如此，但如果从另一角度来考虑的话，则对于柴油机喷雾系统而言，在 保证结构强度的前提下，空化现象却可能成为一种可以改善喷雾雾化质量的有效 手段。目前，在柴油机高压共轨系统中，喷射压力可以达到1 5 0 0 b a r 甚至2 0 0 0 b a r 以上，在喷嘴内部的某些流通截面上燃油的流动速度可以达到4 0 0 m s 以上。这 种射流的物理条件极大地促进了各种不同形式的空化现象的发生。大量的实验结 果表明，柴油机喷嘴内的空化效应可以显著加强液体射流的不稳定性，有效的加 速液体射流的破碎，从而对喷雾雾化质量的改善起到积极的促进作用，并可使随 后的燃烧过程进行得更为完全，这无疑对于降低柴油机的油耗和排放是有益的。 2 第一章绪论 事实上，空化效应对于目前内燃机燃烧过程研究热点的h c c i 亦具有特殊重要的 意义，因为它可以有效促进匀质混合气的迅速形成。因此，可以认为，空化效应 已成为现代柴油机喷雾系统设计所必须考虑的因素。 在空化现象对喷嘴出口处的流体流通特性和喷雾破碎雾化的宏观特性影响 的研究上，人们也取得了一些研究进展。研究结果表明，对于喷嘴出口处的流通 特性而言，随着空化效应的加强，喷嘴出口处的流通截面系数减小、流通速度系 数增大、流通密度系数减小。并使总流量系数发生变化。对于喷雾破碎雾化的宏 观特性而言，随着空化效应的加强，射流的喷雾锥角显著增加，喷雾破碎的长度、 喷雾的贯穿距和喷雾破碎所形成液滴的尺度均可大大减小，雾化质量得到明显改 善团【3 】【4 】。这种雾化质量的改善可以显著影响随后进行的柴油机燃烧过程，并对 改善柴油的动力性、经济性和排放特性具有重要作用。 因此，可以认为，对空化现象的研究已成为任何预报现代柴油机高压喷雾破 碎特征的理论模型所必须考虑的前提条件。 1 2 国内外发展趋势 喷嘴内部的空化现象首先是由b e r g w e k 在他的研究中观察到的 5 1 。 c h a v e s 6 、s o t 甜o u f 7 1 、g a v a i s e s 8 等人在这方面都作出了突出的贡献。他们的研 究结果表明，柴油机喷嘴内部的空化现象存在着四种模式结构，即局部空化模式 ( l o c a lc a v i t a t i o n ，主要发生于喷孔入口的回流区) 、线空化模式( s t r i n g c a v i t a t i o n ，多喷孔的情况下，由于旋涡的作用，空化呈线状延伸) 、挑流模式 ( h y d r a u l i cf l i p ，由于空化的产生，下游的空气会从喷孔出e 1 的周边回流) 和超 空化模式( s u p e r c a v i t a t i o n ，喷孔入口处产生的空泡一直延伸到喷孔出t ：l 处) 。其 中挑流模式在现代柴油机喷雾系统中比较罕见。不同模式结构的空化效应产生的 区域及其后的发展历程均不相同，受到了诸如喷嘴结构特征( v c o 型喷嘴和微容 积室型喷嘴) 、喷嘴结构的不对称性、喷孔入口处的过渡圆角、喷孔的长径比、 喷嘴针阀偏心率、结构形式和位置等的强烈影响，并且多孔喷嘴和单孔喷嘴之间 存在着明显的差异。他们的结论在a r c o u m a n i s 9 1 、a f z a l 1 0 1 等人的研究中亦得到 了证实。 因而，研究者们的研究重点逐渐转移到对于喷嘴内部空化现象机理的研究， 第章绪论 特别是喷嘴内部的结构特征对于空化的产生、发展、溃灭、振荡等的影响规律。 而这些研究大多是建立在喷嘴内部流动的可视化测试技术之上的。 然而，对于柴油机喷嘴内空化现象的机理研究遇到了许多困难，包括喷嘴尺 度、流速、湍流和流态等复杂因素。同时，研究工作也受到了小尺度条件下光学 观察手段的限制。因此，已有研究者尝试将其他研究手段，例如基于粒子物理的 高强度x 光成像技术( c t ) 应用于喷油嘴内部流场特性的研究中。 即使如此，人们对于柴油机喷嘴内空化现象的理解仍不够深入。目前的研究 成果还未能给出小尺度喷油嘴内部空化现象的准确的定量流场参数，同时，对于 空化区内空泡的形态还一直存在争议。事实上，对于柴油机喷嘴内部的空化现象 来说，一些基本的问题，如“各种不同的空化模式结构究竟是否均为一个大尺度、 具有光滑界面的空区，还是一些小尺度气泡的集合”，“空化现象的产生究竟与溶 于流体中的气核有怎样关系”，“空化效应与湍流效应究竟怎样相互耦合作用”等 问题，目前就还尚未有一致公认的结论。 更为重要的是，上述研究成果均是在喷嘴处于稳态条件或准稳态条件，即喷 嘴内部的针阀处于静止状态的条件下获得的。而稳态实验结果却又确信无疑地证 明了喷嘴的针阀处于不同位置时，喷嘴内部流体的流动状态、空化现象的模式、 初始位置、发展历程、振荡特征及其所导致的喷嘴出口截面的流通特性和喷雾最 终的破碎特征均有显著差异。这就预示着当实际喷嘴的针阀处于运动状态，即喷 嘴内部的流动处于非稳态时，空化现象的各种特征可能与稳态条件下不同，并进 而对喷雾的最终破碎结果带来不同的影响。 事实上，已有研究者对于非稳态条件下喷嘴内的空化效应进行了探索性的研 究。a r c o u m a n i s 1 1 】、r o t h 1 2 1 等采用透明石英晶体替代实际喷嘴端部的方法对于 实际喷嘴端部的空化现象进行了研究。b l e s s i n g t ”】贝u 采用全透明实际喷嘴对于空 化的发生和发展进行了研究，这也是迄今为止唯一采用此项技术的研究报告。但 由于实际喷嘴内部尺度的限制，以及喷嘴内部复杂流动状态测量手段的限制，上 述研究结果均仅能给出关于非稳定条件下实际喷嘴内部空化效应发生和发展的 一些定性的、零散的描述，而对于空化现象的模式、初始位置、发展历程、振荡 特征及其与湍流的耦合关系等还未能给出确定的和定量的研究结论。 尽管目前还缺乏对于柴油机喷嘴内部空化现象的深入理解和认识，研究者们 4 第一章绪论 已尝试建立喷嘴内部包含空化现象的数值模拟模型。目前的模型基本上主要包括 以下几种，即k u b o t a 等人的b t f ( b u b b l et w o p h a s e ) 模型1 4 1 、d e l a n n y o y 等人 的h e m ( h o m o g e n o u se q u l i b r i u mm o d e l ) 模型【”】、a v v a 等人基于h e m 发展的 模型( 增加了能量方程) 【1 6 1 、c h e n 等人的b c ( b u b b l e c l o u d m o d e l ) 模型1 刀以 及s c h m i d t 等人的正压( b a r o t r o p i cm o d e l ) 模型【1 8 】等。另外一些研究者尝试将空 化现象与喷雾的破碎形态联系起来，以建立考虑空化效应的柴油机喷雾破碎特征 的预报模型。例如n i s h i m u r a 等人提出了一个c e b ( c a v i t a t i o nb u b b l ec o l l a p s e e n e r g yb r e a k u p ) 雾化模型【1 9 】，以考虑空泡溃灭能量对燃油射流初次雾化的影响。 总的来看，由于受到了对空化现象的本质及特征认识程度的制约，上述模型的假 设还比较粗糙，特别是对于多孔喷嘴中出现的线空化和超空化两种模式还不能给 出满意的数值模拟结果。即使从目前最新的研究成果看，对于喷嘴内部空化效应 的理论模拟仍然局限于喷嘴通道内的流动状态上，而对于喷嘴针阀附近和针阀座 处的流动模拟尚无深入研究【2 0 1 ，在喷雾破碎模型中对空化效应的考虑仍不够深入 和充分1 2 1 2 2 1 。 总之，从对本领域国内外研究现状的掌握来看，可以认为，一方面由于受到 研究手段和实验方法的限制，另一方面忽略了柴油机喷嘴的实际非稳态工作条 件，因而对于喷嘴内空化现象的产生机理、发展特征及其对喷雾破碎的影响规律 上的研究还不够深入，有必要在实验研究手段上采取适当的改进方法，以促进对 于空化效应本质规律的理解与认识，并进而推动对于喷嘴内部空化现象的数值模 拟和考虑空化现象时喷雾破碎模型的研究工作。 1 3 本课题的主要工作及意义 为了研究柴油机喷嘴，特别是多孔喷嘴在非稳态条件下空化现象的发生机理 及特征，以及空化现象对喷嘴出口截面的流通特性和喷雾破碎宏观特征的影响， 需要基于流体动力相似和光学折射率匹配技术的可视化喷嘴作为研究平台，实现 柴油机喷嘴的非稳态工作条件，以系统深入地研究在非稳态条件下喷嘴内部空化 现象的产生机理与特征，研究喷嘴结构参数和射流参数对空化现象的影响规律、 空化效应与湍流效应的耦合，并进而研究在非稳态条件下空化现象对于喷嘴出口 截面处的流通特性和喷雾破碎特性的影响，以进一步深入理解空化这一复杂现象 第一章绪论 的本质与规律。在此基础上，实现对于空化效应研究成果与现有喷雾特征预报模 型的耦合，以获得更为符合实际的柴油机喷雾特征的预报模型，并进而提出为有 效利用空化效应以改善柴油机喷雾雾化特性在喷嘴结构上所应采取的技术途径。 综上所述，柴油机高压共轨喷射系统喷嘴内空化效应的研究，有助于柴油机 喷雾过程的深入理解，其研究成果对于进一步优化柴油机缸内的燃烧过程，并进 而改善整机动力性、经济性和排放特性具有重要意义。 本文是在国家自然科学基金项目非稳态条件下柴油机空化效应的产生机理 及对喷雾特性的影响研究的资助下，在前人研究工作的基础上，进行了基于现 有模型对实际喷嘴内部空化效应的c f d 模拟；以及稳态条件下，大尺度喷嘴内 部空化效应的可视化研究。具体完成了以下几方面的工作： ( 1 ) 概括介绍并总结了国内外学者关于空化效应对雾化影响的研究成果和 研究现状。 ( 2 ) c f d 数值模拟计算，采用基于欧拉多流体法的多相流模型，详细研究 了射流因素( 喷射压力和背压) 和喷孔几何结构( 喷孔长度、喷孔出口直径、喷 孔入口圆角半径以及喷孔倾斜角) 对孔内空化流动的影响。 ( 3 ) 根据相似理论和可视化研究的要求、设计了扩大为原尺寸2 0 倍的大尺 度燃油喷射系统；在此系统上进行了与上述相同结构参数和射流参数对喷孔内部 空化效应影响的可视化研究。 ( 4 ) 对比了c f d 理论计算得到的实际喷嘴喷孔内部的空化现象和实验得到 的大尺度喷嘴内部空化现象，确定了试验系统的可靠性。为在此系统基础上实现 针阀的运动( 流动的非稳态) 奠定了基础。 试验和模拟计算结果的相同趋势验证了大尺度喷射体统的有效性，为实现 “大尺度稳态内部空化效应实验研究大尺度非稳态内部空化效应实验研究 小尺度非稳态出口截面流通特性和喷雾破碎特性实验研究耦合了空化 效应的湍流破碎模型研究新的雾化破碎模型利用空化效应促进雾化的 喷嘴结构和控制策略的改进”这样一条技术路线迈出了实验研究的第一步。 6 第二章柴油机喷油器喷孔内部流动的数值模拟 第二章柴油机喷油器喷孔内部流动的数值模拟 对于现代高速直喷式发动机来说，其工作性能、噪音排放以及污染物生成在 很大程度上都取决于燃油喷射。毋庸置疑，与燃油喷射直接相关的燃油喷嘴起着 极其重要的作用。喷油器利用极高的压力使燃油在通过喷嘴喷孔后分散成数以百 万计的高速运动的细小液滴，也就是通常所说的喷雾。喷油器结构及喷孔内部的 燃油流动特性不仅决定着喷雾质量、及喷雾油束与燃烧室的配合，而且影响喷油 特性( 喷油时刻、喷油持续期、喷油规律) ，这些都直接影响发动机的性能指标。 大量的研究 4 j 3 , 2 3 1 表明喷油器喷嘴内部燃油的流动特性直接影响燃油的雾化及其 与空气的混合过程。为了获得良好的雾化效果，实现高效燃烧，降低发动机排放， 现代柴油机大多采用高压喷油器，喷射压力可以达到2 0 0 m p a 。喷油器喷孔的尺 寸很小，其直径通常只有0 1 0 4 m m ，孔内流速很高，可以达到5 0 0 m s 以上。理 论和实验研究 4 , 1 3 , 2 3 - 2 5 都表明，喷油器的结构特点和高喷射压力，决定了喷孔的 内部流动会出现空化现象。喷孔内的空化现象对液体射流的分裂雾化有着很大的 影响，这主要是因为空化为射流的不稳定性提供了初始扰动，并且对射流的初始 速度和初始锥角有很大的影响。本章首先分别介绍喷油器喷嘴内部的流动状态和 模拟方法。 2 1 喷油器喷嘴内部的流动状态 对于定常流动的液体来说，静压随其速度的增大而降低。当流速很大时，其 静压可能下降到低于流体的饱和蒸汽压，这时，液体发生汽化而形成许多小的气 泡；小气泡可长大或互相聚合，成为大的气泡，从而在流管内形成局部的气液两 相流。这就是空化现象，亦称空泡或空列2 5 1 。 对于同一管道或喷孔，随着喷射压力或速度的增大，液体的流动可呈现五种 不同的状态。当任何一点的压力均高于饱和蒸汽压时，流动为典型的湍流管流， 喷孔上游高压室的液体以光滑流线流入喷孔。由于流体通道的突缩而在入口处发 生分离，形成局部的旋涡区。涡区的大小取决于上下游压力及喷嘴的结构，特别 7 第二章柴油机喷油器喷孔内部流动的数值模拟 钔b 1 i ，：= = 二二 p 量 c 1 是入口边缘的尖锐程度( 圆角) 。在涡区之后，流体重新附壁，并由再附着点开 始，形成边界层，其厚度向下游方向逐渐增长。在大约经过4 0 倍孔径后，流动成 为充分发展的湍流管流( 如图2 - 1 ( a ) ) 。 当流速增大到使管内出现压力等于饱和蒸汽压的低压区时，在涡区最小有效 流道截面后方( 因此处压力最低) 开始产生气泡，从而形成局部的空泡流。( 如 图2 - 1 ( b ) ) 。 如果流速继续增大，由于空泡已经形成，使得管内最低压力只能维持在饱和 蒸汽压而不能进一步降低，其后果是产生更多的气泡，使空泡区不断向下延伸， 一直到达喷孔出口，此即所谓超空化或全空化流态( 如图2 - 1 ( c ) ) 。 对于超空化流，在一定情况下，特别是当喷射速度高，而喷嘴较短时，会出 现一种称之为挑射液流( 简称挑流，h y d r a u l i cf l i p ) 的新的流态。此时，喷嘴下 游周边的空气进入喷孔，与空泡区相汇合，使得空泡消失，而代之以附在管壁上 的薄层气体，该层气体将液体与管壁分隔开，其效果相当于使喷孔的内径减小( 如 图2 - 1 ( d ) ) 。 如果喷嘴较长，或者其上游流场不均匀，则已经形成的挑流难以保持稳定的 轴对称形态，而出现液体局部的重新附着现象，于是在管内又相应地恢复局部的 空泡区。这称为局部挑射流或局部再附着流( 如图2 一l ( e ) ) 。 8 第二章柴油机喷油器喷孑l 内部流动的数值模拟 随着现代发动机的喷射系统逐渐向高压喷射的方向发展，空穴流动更容易在 喷孔内发生，因此，喷孔内的空穴流动状态应该是研究的重点。在实际发动机的 喷嘴流动中，除了上述原因引起的空穴外，高压管路内的压力波动和针阀运动造 成的压力波动也同样会引起空穴的产生，由于这些空穴的产生具有较大的随机 性，因此，本文在喷孔内部流动的研究中不予以考虑。 实际喷孔内的流动状态一般为单相流或空穴流，为区别两种流动状态，多数 研究人员引入无量纲参数，空穴数c n ： c n ：璺二塾( 1 ) p b p 。 式中，p f 为喷射压力，伽为背压( 喷孔出口处压力) ，p 。为液体的饱和蒸气压。 实验研究表明，对不同的喷孔，存在不同的临界空穴数c n c r i t 。当c n 低于 时，不管i 沁数多大，也不会产生空穴，而是单相流；一旦c n 超过，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，c n 值 进一步增大，流动发展为完全空穴流。 2 2 喷油器喷嘴内部空化流动的模拟方法 2 2 1 一维模型 n u r i c k t 2 q 通过观察放大的透明喷嘴的流动情况，根据b e r n o u l l i 方程推导了一 个简单的一维模型解释喷嘴流量系数的变化规律。由于孔口流动收缩造成的回流 区或空穴区占据了几何流通截面么2 的一部分，所以n u r i c k 在一维模型中将这段 区域处理为固定滑移边界，流体由收缩后的流通截n a c ( 即缩脉) 通过，定义收 缩流通截面面积与几何流体截面面积的比为收缩系数c o = a t a 2 。c c 与喷孔入 口形状相关，当入口转角为锐边时，c c = n - 万+ 2 ，约为0 6 1 ；在入口具有圆角加 时，它的值在0 6 1 和1 之间。一维模型先假定内部流动为单相流，根据质量守 恒和入1 2 与缩脉处的动量守恒关系，以及流量系数c d 的定义，求得； _ _ - 。_ - _ _ - _ - _ _ 一 c o = c c 、f 鱼丑 当见 p ，时 ( 2 ) vp i p b 当缩脉处的压力及降到液体的饱和蒸气压p 。时，内部流动变为空穴流动状 态，p 。不会再继续下降，而保持为p 。，此时的流量系数应表示为： 9 第二章柴油桃喷油器喷孔内部流动的数值模拟 c 口- - 。丛生当p 。p ，时 ( 3 ) vp l p 2 再次定义( 3 ) 式根号内的分式为一个新的无量纲空穴流动参数k ，则k 与前 面的空穴数c n 有下面的关系： k ：l + 上( 4 ) c n 、 可以看出，在空穴流动状态下，喷射压力越高，或背压越低，则k 值越小， 流量系数越低，由( 3 ) 式可知流量系数与k 值之间成递减的对数线性关系。在 极高的喷射压力条件下，k 值接近最小值l ，空穴流动的流量系数也接近最小值 c c 。随k 值的增加，喷射压力的降低或背压的升高，直到喷孔内不再发生空穴， 流量系数也就不再是k 的函数，由( 2 ) 式的计算结果表明单相流动的流量系数 基本不变，保持在0 8 4 左右。 s c h m i d t 2 7 1 收集大量的实验结果与该模型的计算结果比较，发现该模型计算 的流量系数与大部分实验值吻合较好，且展现出相近似的分布趋势，这说明一维 模型有较高的准确性。但同时也发现，某些在真实喷嘴条件下测量的实验数据与 一维模型的预测结果有较大的偏差，这说明在真实喷嘴条件下仍有一些不可预测 的因素影响空穴的生成和发展，如非轴对称喷孔结构造成的多维流动，或喷孔加 工中的一些缺陷等。但总的来说，一维模型对于了解轴对称喷孔的内部流动问题 是一个非常有用的工具。然而一维模型只限于简单的轴对称喷孔，对实际多孑l 喷 嘴的非轴对称喷孔的流动研究将需要用到多维模型2 8 1 。此外，一维模型还不能区 分部分空穴流与完全空穴流状态，这两种状态在喷孔出口处形成差异很大的流动 结构，而研究喷嘴流动的目的，就是为了准确获得这一喷雾的边界条件。因此， 喷嘴的多维流动模型研究势在必行。 2 2 2 多维模型 早期对喷嘴内部流动的多维模拟主要限于单相流的情况，t e n n a n t 2 明利用 c f d 软件p h o e n i c s 计算了锐边入口喷孔的粘性不可压层流流动，计算的流量 系数与实验结果符合较好，但在入口转角处存在不符合实际的负压现象，说明流 动中存在空穴现象。o i s h i 3 0 】利用s t a r - - c d 软件计算了多孔喷嘴的湍流流动， 分析了针阀位置和孔间位置变化对流动的影响，发现喷孔内的流动r e 数约为 l o 第二章柴油机喷油器喷孔内部流动的数值模拟 1 5 0 0 0 ，这意味着流动具有强烈的湍流效应，计算结果也发现在喷嘴内部几个位 置的压力存在低于液体饱和蒸气压的情况，这也说明在多维模型中考虑空穴的必 要性。 为更多的获取喷嘴内空穴流动的细节，研究人员开始利用多维两相流模型研 究喷嘴的空穴流动问题，这些模型能更好的考虑喷孔几何形状的细节变化对流动 的影响。多维两相流模型所需的假设限制条件少，且能提供更多的流动信息，但 同时两相流模型复杂，所建立的模型存在适用范围的问题，另外，计算时需要非 常精细的网格，极大的增加了计算量。 最早关于气液两相流的模型是r a y l e i 曲的单气泡溃灭动力学模型，这个模 型是目前一些多维空穴模型的基础。r a y l e i g h 模拟了不可压缩液体包围一个球形 真空气泡的动力学问题，采用势流方程求解液体流场，气泡表面和液体无限远处 为方程的两个边界，假设气泡表面的压力为0 ，无限远处的压力为p ，则一个初始 半径为的气泡溃灭所需的时间如o u 为： 一哪风仨 ( 5 ) p l e s s e t t 3 2 1 考虑气泡内的饱和蒸气压和液体的表面张力的作用，导出气泡半径 r ( f ) 随时间变化的常微分方程： 删+ k ( t ) 2 - 水一焉咄 ( 6 ) 式中，尽( 力和尽( d 分别为气泡半径的时间一次和二次导数。此后的一些研究人员 3 3 - 3 4 又深入研究了液体温度、粘性和可压缩性等的影响，推导出更为复杂的方程。 与以往人们用得较多的均相流方法研究空化不可3 5 。6 】，本文采用的欧拉多流 体法的思想更接近于实际情况。将喷嘴内的流体划分为燃油液体与燃油蒸气两种 连续相，二者在空间各点共存且相互渗透，但各自拥有不同的体积分数、速度、 密度等参数。两相之间通过质量、动量的交换发生耦合，对每一相建立控制方程 并求解。空化模型通过r a y l e i g h 单气泡动力学方程求解气泡半径和气泡数密度来 获得发生在气液界面上的质量交换。考虑到目前柴油机上用得较多的多孔式喷 嘴，本文重点研究了v c o 型多孔柴油喷嘴。着重分析了压力参数和喷孔几何尺 寸对孔内空化效应的影响。 第二章柴油机喷油器喷孔内部流动的数值模拟 2 3 喷孔内部流动的数学模型 2 3 1 守恒方程 由于喷孔内空化现象的存在，孔内流动属多相流运动。本文所用的多相流模 型采用欧拉多流体法，此法可用于求解任意多相的流动。文中所研究的喷孔内部 流体相主要是柴油液体和柴油蒸气，因此属气液两相流动。采用欧拉法将它们二 者均看作连续相，对每一相分别建立控制方程并求解。其中连续性方程为 警- 4 - v o ! k p k v k = 艺l ( 7 ) 式中，口。为某一相的体积分数，。是其速度，r 。，表示的是发生在气液交界面上 的质量交换系数，有关内容将在2 3 3 节的空化模型里介绍。方程( 7 ) 须满足的 条件是各相的体积分数总和为1 ，即： 动量方程为 y 口。= 1 。 - 一 七= l 掣+ v 吨风v 以= 吨 v p + v ( 以+ ) + p k g + 2 帆+ 艺k o t l = 一l , l k ，i 五 ( 8 ) 式中，f 。是黏性剪切应力，巧是雷诺应力，g 为重力常量。m 盯是气相柴油和液 相柴油问的动量交换，其具体含义将在后面的空化模型里单独介绍。由于燃油气 体和燃油液体处于同一压力场中，故认为空间各点处二者压力相等，也就是 p t = p ，k = 1 , 2 。 2 3 2 湍流模型 对于c f d 数值模拟来说，湍流模型至关重要，直接影响流场的计算精度。 文中所用的喷油器实体模型取自实际车用喷嘴，尺寸极小，做多维数值计算时， 划分的网格也就更小，考虑到计算的精度和稳定性，湍流模型采用七一占双方程 模型，分别作用于液体相和气体相。湍动能k 的输运方程为 掣+坠筹盥=n只+毒卜风鲁等鲁)-at,pk6k+，磊20t l c 9 ， 纵，缎，i仃bs 戗，j 瓦 式中，c 。，是方程封闭系数，仃。是湍动能的p r a n d t l 数，只是湍流生成项。 湍流耗散率的输运方程为 1 2 第二章柴油机喷油器喷孔内部流动的数值模拟 垦笔盟+ 竺警：一风口。c 。堕粤安生气一凤e ：譬 o t 呶i托k呶lk k + 专( 一警丽骞 + ，娶2 l 式中，e 。，c ：，c ；均为方程封闭系数。 2 3 3 空化模型 ( 1 0 ) 鉴于空化在液体射流分裂雾化中的重要作用，其模型的建立是研究喷孔内空 化流动的关键。针对前文中所介绍的基本控制方程组，形成空化的柴油蒸气的运 动规律是通过单气泡动力学方程来描述的。需要说明的是，本文所研究的喷孔内 部流动认为温度不发生变化，故不用求解能量交换。发生在气液两相交界面上的 质量交换是通过单气泡动力学模型来求解的。质量交换系数的表达式如下 r c = p d n 。4 r 2 r = 也 ( 1 1 ) 式中，下标c ，d 分别表示液体相和气体相。是气泡数密度，r 是气泡半径， 素是气泡半径对时间的阶导数( 也就是气泡半径变化率) ，其是通过利用单 气泡动力学方程即r a y l e i g h p l e s s e t 方程来求取的。因温度不变，故可忽略蒸发 潜热，在考虑气泡内的饱和蒸气压和液体表面张力的作用下，导出气泡半径r 随时间变化的常微分方程为 觑+ 三盈：垒里( 1 2 ) 2 成 式中，卸是压力差，其表达式为 1 1 1 9 = p s a t - - - q j 2 眺) ( 3 ) 式中，p 倒是柴油的饱和蒸气压，c 是e g l e r 系数【3 7 】，其值通常取1 1 4 。 将方程( 1 2 ) 线性化，忽略惯性项，求取气泡半径及其变化率，可得质量交 换系数表达式为 l ：士s i g n ( a o ) 3 8 5 告一了i 口氮酬；： ( 1 4 ) 乙c r 4p c 1 3 第二章柴油机喷油器喷孔内部流动的数值模拟 式中，s i g n ( ) 为符号函数，c 凹为一经验系数，多数情况下取1 。气泡数密度。 是一个很重要的参数。它受许多因素影响，除喷射工况和喷嘴几何结构之外，还 受液体物性特别是表面张力及流体纯净度影响。其通常采用下列经验公式( 1 5 ) 求得网： n - - i箩 姐05j ( 1 5 ) 【2 ( n o 一1 ) ( 1 一口d ) + 1 口d 0 5 。 其中，初始气泡数w 通常取为1 0 1 2 。 方程( 8 ) 中提到的气液界面上的动量交换包括两部分：气泡在液体里流动 所受的阻力影响和气泡所受的湍流扩散的影响，其表达式定义为 m c = c d i 1 成砷r i v ，+ c r d p c k c v o c j2 一m d ( 1 6 ) 式中，等号右边第一项为阻力项，第二项为湍流扩散项。1 ，是气液两相相对速 度，其表达式为v ，= ，d 一，。，彳，是气液交界面的面积密度，按照下式计算： a 。= r t d 2 n 。= ( 3 6 刀弦口亨 ( 1 7 ) 式中，d 6 是气泡直径，可由气体体积分数和气泡数密度求得：d 6 = l 槲6 a d ，j 。 c r d 为湍流扩散系数，其值在0 0 5 0 5 之间，c d 为气泡在液体中运动的阻 力系数，其表达式定义为3 9 】： c d ：j 罢( 1 + 0 1 0 r 啄0 7 5 ) r e b _ 1 0 0 0 其中，r e 。是气泡的雷诺数，其定义为r e 。：v r d b 。 2 4 计算模型 2 4 1 几何模型 图2 - 2 给出了利用c a d 绘图软件绘制的v c o 型的喷嘴结构示意图。计算实 体模型采用p r o e 生成，该喷嘴为六孔柴油喷嘴。考虑到喷孔沿圆周方向均匀分 布，以及圆形喷孔是中心轴对称的，为了节省网格划分时间，降低计算成本，实 1 4 第二章柴油机喷油器喷孔内部流动的数值模拟 际计算模型取3 0 部分模型，模拟范掏由喷油嚣八口直到喷孔出口。实体模型的 网格采用全自动网格划分技术，并对喷孔盐进行网格细化，实际计算模型的网格 数在8 0 ，0 0 0 个左右，图2 - 3 ( a ) 给出了整体计算网格图，b ) 图显示的是喷嘴 模型的局部放大。 厂1 ：j | 厂 弋跚r 。| 聚 a ) 喷嘴中心剖面图b ) 喷嘴计算实体模型 图2 - 2v o o 型喷嘴结构示意囝 a ) 整体计算网格b ) 喷嚆慎型的局部放大 图2 - 3计算阿格与边羿条件 第二章柴油机喷油器喷孔内部流动的数值模拟 2 4 2 边界条件 本计算中采用的喷嘴取自某实际轿车发动机。喷嘴实体模型高度为2 4 5 m m ， 喷孔直径是0 1 5 r a m ，喷孔倾斜角为7 2 0 ，喷孔入口圆角半径为零，即入口锐边 过渡。针阀固定在最大升程处，最大升程为0 2 5 m m 。图2 3 ( b ) 显示出了数值 计算的边界条件。模型入口和出口均采用压力边界条件，柴油饱和蒸气压为 8 9 2 p a 。柴油蒸气的属性满足理想气体状态方程，液体柴油看作是不可压缩流体。 鉴于计算模型在整个计算域内存在对称性，故模型两侧采用对称边界条件，这就 意味着速度在这两侧面上的法向量为零，无流体穿过，速度通