張勝 李治龍 趙文伯 吳志軍 李理光

（同濟大學(xué)，上海 201804）

主題詞：噴油器 結(jié)構(gòu)參數(shù) 射流參數(shù) 數(shù)值模擬 內(nèi)流特性

1 前言

發(fā)動機污染物的排放水平是由燃燒效率和燃油霧化效果共同決定的，良好的燃油霧化可以促進燃油液滴與空氣的混合，進而實現(xiàn)充分燃燒，降低CO、CH、NOx等污染排放物[1-5]。以往的學(xué)術(shù)研究認為[6-7]，柴油高壓射流霧化的影響因素主要分為噴射條件和環(huán)境條件。但是，隨著研究的不斷深入，越來越多的學(xué)者意識到[8-9]，噴嘴內(nèi)部的幾何結(jié)構(gòu)參數(shù)通過影響噴孔內(nèi)流特性，進而對燃油離開噴孔后的霧化特性產(chǎn)生重要影響。

目前，通過數(shù)值模擬對噴孔內(nèi)流特性進行仿真分析依然是高效可行的手段，但是噴孔內(nèi)流具有多相流、瞬態(tài)性、高壓差等特點，給模擬計算帶來了很大困難。另外，噴孔結(jié)構(gòu)尺寸過小、壓差過大會對求解的穩(wěn)定性和收斂性造成影響。以往的研究在幾何精度和求解精度上一般會選擇性地側(cè)重一個方面[10-11]。隨著計算機技術(shù)的發(fā)展，同時采用高精度求解模型和高精度幾何模型進行模擬計算成為可能。Q.Xue等[12]使用雷諾平均的N-S方程（Reynolds-Averaged Navier-Stokes，RANS）方法分析多孔噴嘴的內(nèi)流特性，比較了不同噴孔的內(nèi)流特性差異，但由于噴嘴幾何模型是CAD作圖所得，各噴孔間的差異不明顯。黃魏迪[13]基于高精度三維模型，利用RANS方法分析了射流參數(shù)及噴嘴內(nèi)部幾何結(jié)構(gòu)參數(shù)對單孔噴嘴內(nèi)流特性的影響。

實際的柴油機噴嘴多數(shù)為多孔噴嘴，探究多孔噴嘴的噴孔內(nèi)流特性具有較大的指導(dǎo)意義和實用價值。因此，本文利用X射線CT對2支多孔噴嘴進行了掃描，通過三維重構(gòu)技術(shù)構(gòu)建了噴嘴真實結(jié)構(gòu)模型，并以此作為CONVERGE軟件的幾何輸入，應(yīng)用大渦模擬（Large Eddy Simulation，LES）方法對噴嘴噴孔內(nèi)流特性進行研究。

2 噴嘴噴孔結(jié)構(gòu)參數(shù)測量

本文利用同步輻射高能X射線CT技術(shù)將2支噴嘴（B-1、B-2噴嘴）進行X射線斷層掃描。圖1所示為上海光源BL13W1線站X射線試驗裝置，X射線穿透位于旋轉(zhuǎn)平臺上的噴嘴，照射到閃爍晶體上，使其發(fā)出可見光，高速相機接收可見光進行成像。對噴嘴進行180°掃描，每旋轉(zhuǎn)0.25°獲取1張吸收圖片，整個過程共獲取720張吸收圖片。

圖1 柴油噴嘴斷層掃描試驗臺架示意[14]

掃描結(jié)束后，運用重構(gòu)算法將原始的X射線吸收圖像轉(zhuǎn)換為斷層掃描切片圖像，再對切片圖像進行二值化處理轉(zhuǎn)化成二值化圖像，最后將所有的二值化切片圖像進行堆疊，從而得到噴嘴的三維結(jié)構(gòu)模型，作為后續(xù)CFD計算的幾何輸入。同時，基于二值化的切片圖像，利用MATLAB圖像處理程序?qū)娮靸?nèi)部結(jié)構(gòu)尺寸進行自動測量，包括噴孔長度、噴孔入口及出口直徑、噴孔入口圓角半徑等。圖2所示為經(jīng)過掃描重構(gòu)的多孔噴嘴的噴孔及壓力室三維模型，其中Ori1～Ori8為噴嘴各噴孔的編號。

圖2 噴嘴三維模型

表1、表2所示為噴嘴噴孔內(nèi)部結(jié)構(gòu)尺寸測量結(jié)果，其中，Din為噴孔入口直徑，Dout為噴孔出口直徑，L為噴孔長度，r為噴孔入口圓角半徑，相應(yīng)定義如圖3所示。同時，本文就噴孔K系數(shù)（K=(Din-Dout)/10）、噴孔長徑比L/D=L/Dout及噴孔入口圓角半徑比2r/D=2r/Din進行分析。

表2 B-2噴嘴噴孔內(nèi)部結(jié)構(gòu)尺寸

圖3 噴孔參數(shù)定義示意

從表1、表2中可以發(fā)現(xiàn)，2支噴嘴的結(jié)構(gòu)差異主要為入口圓角半徑，B-1噴嘴的入口圓角半徑約為B-2的2倍，兩者在噴孔長度上也存在差異，但差異不大，其他結(jié)構(gòu)尺寸基本相同。由于加工誤差的存在，同一噴嘴不同噴孔間的結(jié)構(gòu)參數(shù)也存在差異，例如，B-1噴嘴Ori3與Ori8噴孔的K系數(shù)差別較為明顯，這也是導(dǎo)致同一噴嘴的不同噴孔產(chǎn)生內(nèi)流特性差異的原因之一。另外，B-2噴嘴分為2層，每層有4個噴孔，呈交叉分布，2層噴孔雖均為側(cè)孔噴嘴，但因位置有差異，也會對內(nèi)流特性產(chǎn)生影響。

3 數(shù)學(xué)-物理模型

3.1 數(shù)學(xué)模型

本文采用流體體積（Volume Of Fluid，VOF）模型進行多相流的計算。計算所用的空穴模型是基于Shields[15]在氣相和液相之間進行快速熱交換的閃急沸騰理論建立的。閃急沸騰發(fā)生的同時，伴隨著尺度較小的壓降和溫升，用一個均質(zhì)的松弛模型預(yù)測液體和蒸汽之間的質(zhì)量交換，它描述了兩相流中瞬時質(zhì)量、氣相質(zhì)量將達到的平衡值。Bilicki和Kestin[16]提出了該值的簡單線性計算方程：

式中，m為瞬時質(zhì)量；為平衡質(zhì)量；θ為m到的時間尺度。

θ的計算方法為：

式中，θ0=3.84×10-7為尺度系數(shù)；α為氣相體積分數(shù)；Φ為無量綱壓力比值。

Φ的計算方法為：

式中，P為靜壓；Pc為臨界壓力；Psat為飽和蒸汽壓。

獲得這些參數(shù)后，通過求解式（1）可以計算出氣相與液相之間的質(zhì)量交換量。

另外，在噴孔內(nèi)流特性計算模型中，燃油作為連續(xù)相的不可壓縮流體，壓力和速度的耦合采用壓力的隱式算子分割（Pressure Implicit with Splitting of Operator，PISO）算法，湍流模型采用LES模型，連續(xù)相滿足連續(xù)方程、動量守恒方程以及湍動能方程和耗散率方程：

式中，u為速度矢量；μ為動力粘度；μt為湍動粘度；ρ為密度；u、v、w分別為速度矢量在x、y、z方向上的分量；σk和σε分別為湍動能k和耗散率ε的湍流普朗特數(shù)；Su、Sv、Sw、Sk、Sε為動量守恒方程、湍動能和耗散率方程的廣義源項。

3.2 物理模型

以X射線CT掃描獲得的噴嘴真實三維模型（見圖2）為基礎(chǔ)，考慮到針閥偶件段會影響噴孔入口處的流動情況，在真實三維模型的上游增加針閥偶件段能獲得更真實的模擬結(jié)果，并在噴孔出口處延長一段計算域。由于計算中不考慮針閥運動，所以在幾何模型中，針閥固定在最大升程位置。最終完成的幾何模型如圖4所示。

圖4 噴嘴計算模型

CONVERGE能根據(jù)用戶設(shè)置的網(wǎng)格尺度對計算域自動進行網(wǎng)格劃分，并對局部區(qū)域加密。由于LES要求網(wǎng)格尺度足夠小，但為兼顧計算能力，網(wǎng)格的基本尺寸設(shè)為2 mm，同時，對于多孔噴嘴，只關(guān)注其中1個噴孔的內(nèi)流特性，所以對其中1個噴孔進行局部網(wǎng)格加密，加密尺度為29，加密后的網(wǎng)格尺寸約為3.9 μm（0.002/29m）。加密后B-1、B-2噴嘴的最終網(wǎng)格數(shù)量分別為169萬和147萬，網(wǎng)格劃分結(jié)果如圖5所示。

圖5 噴嘴網(wǎng)格劃分結(jié)果示意

因正庚烷與柴油的物化特性十分相似，求解模型中液體燃油使用正庚烷。起始時間步長為10ns，最大時間步長為1 000 ns，最小時間步長為0.1 ns。CON?VERGE將根據(jù)網(wǎng)格尺度自動調(diào)整時間步長。湍流模型為LES，亞格子模型為Viscous One Equation。

4 多孔噴嘴內(nèi)流特性分析

4.1 噴孔結(jié)構(gòu)參數(shù)影響分析

圖6所示為2支噴嘴在噴射壓力為200 MPa、環(huán)境壓力為3 MPa時軸截面上的氣相質(zhì)量分數(shù)分布情況。由圖6可知，2支噴嘴都產(chǎn)生了空穴，且空穴均從噴孔上圓角入口處向噴孔內(nèi)延伸，下圓角空穴現(xiàn)象被抑制，這是燃油由壓力室進入噴孔時速度大小和方向發(fā)生突變導(dǎo)致的。燃油初始流動方向為垂直向下，因此噴孔下圓角處的燃油進入噴孔前受壓力室的限制，已經(jīng)發(fā)生了速度方向的變化，而上圓角處的燃油速度方向在進入噴孔前變化較小，故燃油進入噴孔時，上圓角處燃油變化更劇烈，從而導(dǎo)致壓降較大，進而產(chǎn)生空穴。

圖6 噴孔軸截面的空穴分布示意

對比可知，除入口圓角半徑外，這2支噴嘴的其他結(jié)構(gòu)參數(shù)差別不大。入口圓角半徑是影響空穴分布的重要結(jié)構(gòu)參數(shù)，圓角半徑大會造成速度突變減弱，從而抑制空穴現(xiàn)象。由圖6可知，空穴現(xiàn)象主要發(fā)生在上圓角處，且B-2噴嘴的空穴現(xiàn)象較B-1明顯。B-2噴嘴沿噴孔上壁面產(chǎn)生大量空穴，占據(jù)噴孔長度的約3/4，且空穴層厚度也顯著大于B-1噴嘴，而B-1噴嘴僅在入口處產(chǎn)生少量空穴。空穴層后半段空穴體積分數(shù)降低至0.5左右，并呈現(xiàn)離散分布，說明空穴在向噴孔出口延伸的過程中受到燃油外力作用而破碎，這會對噴孔壁面產(chǎn)生較強的腐蝕作用，進而影響噴孔的性能。

圖7所示為2只噴嘴在噴射壓力為160 MPa、環(huán)境壓力為3 MPa時噴孔軸截面上的湍動能分布情況。由圖7可知，湍動能在噴孔壁面處較大，特別是在噴孔入口上圓角位置，顯示了這一位置劇烈的速度脈動。

對比可知，在遠離噴孔壁面的區(qū)域以及噴孔出口處B-2噴嘴的湍動能明顯大于B-1噴嘴。這是由于噴孔的入口圓角半徑越小，即噴孔入口處的幾何結(jié)構(gòu)突變程度越高，燃油流動的速度和方向的突變程度也越大，導(dǎo)致燃油的最大湍動能增大。噴孔出口處的湍動能直接影響噴霧的霧化效果。

圖7 噴孔湍動能的分布

圖8顯示了B-1噴嘴和B-2噴嘴在噴射壓力為120 MPa、環(huán)境背壓為3 MPa時各噴孔的出口質(zhì)量流量?？梢园l(fā)現(xiàn)，雖然B-1噴嘴各噴孔對稱分布且各噴孔間沒有明顯的位置差異，然而模擬結(jié)果表明，各噴孔之間的質(zhì)量流量仍存在一定差異，這主要是噴嘴各噴孔的幾何結(jié)構(gòu)尺寸不一致造成的（如表1、表2所示）。從圖8可以看出，B-1噴嘴Ori5噴孔質(zhì)量流量最大達到14.8 g/s，Ori2噴孔質(zhì)量流量最小為14.3 g/s，其余噴孔的質(zhì)量流量都集中在14.4 g/s左右。同時，B-2噴嘴的上、下兩層噴孔的出口質(zhì)量有明顯差異，下層噴孔（編號為Ori2、Ori4、Ori6、Ori8）的出口質(zhì)量流量總體較上層噴孔（編號為Ori1、Ori3、Ori5、Ori7）大。上層噴孔的質(zhì)量流量集中在11.8 g/s，下層噴孔的質(zhì)量流量普遍偏低，最小達到了10.6 g/s。這主要是因為B-2噴嘴分為2層，呈交叉分布，噴孔位置存在差異導(dǎo)致的。B-2噴嘴上、下層噴孔的內(nèi)流特性差異會對燃油的噴霧特性產(chǎn)生影響。

圖8 噴嘴各噴孔的出口質(zhì)量流量

圖9顯示了B-1噴嘴和B-2噴嘴在噴射壓力為120 MPa、環(huán)境背壓為3 MPa時的出口速度。由圖9可知，2支噴嘴的出口速度分布與其出口質(zhì)量流量分布相似，但存在細微差別。B-1噴嘴中，Ori5噴孔出口質(zhì)量流量顯著大于其余噴孔，但出口速度差異不明顯；Ori4噴孔出口質(zhì)量流量接近平均值，但出口速度明顯較低。這是加工誤差使得各噴孔的出口直徑、出口輪廓線等存在差異導(dǎo)致的。對于B-2噴嘴，上、下層噴孔的分層現(xiàn)象仍存在，下層噴孔的出口速度總體上較上層噴孔小。

圖9 噴嘴各噴孔的出口速度

4.2 射流參數(shù)對內(nèi)流特性的影響分析

對B-2噴嘴，以O(shè)ri5噴孔為例，分析噴射壓力及環(huán)境背壓對其內(nèi)流特性的影響。

圖10、圖11分別顯示了不同噴射壓力和環(huán)境背壓下，B-2噴嘴噴孔軸截面上的氣相質(zhì)量分數(shù)分布。由圖10、圖11可知，在噴孔上部，空穴從噴孔入口處一直延伸到接近噴孔出口，空穴分布的范圍及氣相燃油質(zhì)量隨噴射壓力的增大均略有增大，而隨環(huán)境背壓的增大均略有減小。

圖10 環(huán)境背壓3 MPa時不同噴射壓力下的噴孔空穴分布

圖11 噴射壓力200 MPa時不同環(huán)境背壓下的噴孔空穴分布

圖12、圖13分別顯示了不同噴射壓力和環(huán)境背壓下B-2噴嘴噴孔軸截面上的湍動能分布。由圖12、圖13可知，噴孔入口上圓角位置及噴孔壁面處湍動能較大。在環(huán)境背壓相同的條件下，噴射壓力從120 MPa增加到160 MPa時噴孔內(nèi)的湍動能增強較明顯，噴射壓力從160 MPa增加到200 MPa時噴孔內(nèi)的湍動能增強不甚明顯。同樣，在噴射壓力相同的條件下，隨著環(huán)境背壓的增大，噴孔內(nèi)的湍動能也隨之增強，特別是在噴孔入口上圓角位置和噴孔壁面處。環(huán)境背壓從1.5 MPa增加到3 MPa時，噴孔內(nèi)的湍動能明顯變強；環(huán)境背壓從3 MPa增加到5 MPa時，湍動能變化減弱。

圖12 環(huán)境背壓3 MPa時不同噴射壓力下的噴孔湍動能分布

圖13 噴射壓力200 MPa時不同背壓下的噴孔湍動能分布

5 結(jié)束語

本文基于X射線斷層掃描獲得的高精度三維模型，開展了噴嘴內(nèi)流特性的數(shù)值模擬分析，分析了不同多孔噴嘴幾何結(jié)構(gòu)參數(shù)和射流參數(shù)的影響，得到以下主要結(jié)論：

a.增大入口圓角半徑，會減弱噴孔空穴現(xiàn)象。

b. 增加噴射壓力，會促進空穴的產(chǎn)生，加劇噴孔的空穴現(xiàn)象；增加環(huán)境背壓可一定程度削弱空穴現(xiàn)象。

c.對于多孔噴嘴，噴孔位置不同以及幾何結(jié)構(gòu)尺寸加工不一致會導(dǎo)致各噴孔之間的質(zhì)量流量和出口速度存在一定差異。

噴嘴內(nèi)部幾何結(jié)構(gòu)對內(nèi)流特性直接產(chǎn)生重要影響，同時會對噴嘴的噴霧特性產(chǎn)生影響，故后期研究工作中可嘗試建立噴嘴幾何結(jié)構(gòu)參數(shù)、噴孔內(nèi)流特性和場外噴霧特性三者之間的關(guān)系。