劉彤馨，潘江如，孔得丞

（1.830052 新疆維吾爾自治區(qū) 烏魯木齊市 新疆農(nóng)業(yè)大學(xué) 交通與物流工程學(xué)院；2.830052 新疆維吾爾自治區(qū) 烏魯木齊市 新疆工程學(xué)院 機(jī)電工程學(xué)院；3.710064 陜西省 西安市 長安大學(xué) 省部級重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室）

0 引言

農(nóng)業(yè)機(jī)械化的發(fā)展使內(nèi)燃機(jī)在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)作業(yè)中得到廣泛應(yīng)用，但是隨著能源環(huán)境問題的日益凸顯和燃油排放法規(guī)的越發(fā)嚴(yán)厲，傳統(tǒng)拖拉機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)燃油消耗量大、污染物排放嚴(yán)重等問題亟待解決，更加清潔高效的燃燒技術(shù)成為內(nèi)燃機(jī)領(lǐng)域研究和發(fā)展的重點(diǎn)。其中，噴油嘴的霧化質(zhì)量直接影響混合氣的形成，對發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒效率及污染物排放有重大影響，射流霧化過程中液膜的破碎、流動(dòng)、蒸發(fā)、摻混等過程呈現(xiàn)出復(fù)雜相界面結(jié)構(gòu)，因此霧化問題逐漸成為制約發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒過程的重要問題之一。

近年來，許多研究人員從不同的角度和出發(fā)點(diǎn)對車用柴油機(jī)燃燒室內(nèi)燃油霧化的實(shí)驗(yàn)方法、理論基礎(chǔ)以及數(shù)值模擬開展了相關(guān)研究。本文就這幾個(gè)方面的研究情況分別進(jìn)行探討與分析，并對未來相關(guān)領(lǐng)域的應(yīng)用趨勢進(jìn)行展望，進(jìn)而推動(dòng)拖拉機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)節(jié)能環(huán)保的發(fā)展。

1 實(shí)驗(yàn)研究

實(shí)驗(yàn)方法具有直觀、真實(shí)、可靠等特點(diǎn)，是研究燃油霧化的有力工具。近年來國內(nèi)外常用的可視化設(shè)備有定容燃燒彈、預(yù)燃式定容彈、光學(xué)發(fā)動(dòng)機(jī)、快速循環(huán)機(jī)和快速壓縮機(jī)等。常用光學(xué)測試技術(shù)有高速直拍法、激光散射技術(shù)、紋影法、激光誘導(dǎo)熒光技術(shù)、相位多普勒粒子分析等。研究人員圍繞燃油物性以及噴注參數(shù)展開了大量實(shí)驗(yàn)研究，通過光學(xué)測量獲得不同工況下的霧化圖像特征，將圖像特征比對理論分析結(jié)果，探究霧化參數(shù)對物化特性的影響，從而歸納出適用一定條件的霧化模型。

1.1 燃油物性

燃油物性主要指液體密度、粘度、十六烷值等特征。一類研究是在柴油機(jī)上采取適當(dāng)摻混方式使燃油物性向有利于燃油霧化和油氣混合的方向發(fā)展。Ma[1]、鄧濤[2]和Dhanasekaran[3]通過實(shí)驗(yàn)分別以不同比例向柴油摻混醇類、醚類等含氧燃料，發(fā)現(xiàn)混合燃料在一定程度上改善了霧化和噴霧特性。

另一類研究集中在尋求新型清潔燃料，以生物柴油為代表的新型替代燃料在柴油機(jī)上具有廣泛的應(yīng)用前景。許多學(xué)者分析比較了生物柴油混合燃料的噴霧貫穿距、液滴粒徑、粒徑分布等參數(shù)[4-6]，發(fā)現(xiàn)生物柴油混合燃料與柴油的噴霧發(fā)展進(jìn)程相似，但生物柴油具有較高的密度、粘度和表面張力，因此在柴油中摻混生物柴油往往會(huì)惡化燃油霧化效果，通常在柴油/生物柴油混合燃料中摻混其他理化性質(zhì)的含氧燃料能夠有效改善噴霧特性。

1.2 噴注參數(shù)

典型的噴注參數(shù)包括噴射壓力、環(huán)境背壓、溫度和噴孔參數(shù)等。噴射壓力對整體平均速度的影響是線性的，提高噴射壓力能夠促進(jìn)油滴破碎、減小液體滲透；而環(huán)境背壓對整體平均速度的影響是非線性的，背壓提高促進(jìn)油滴聚合[7-9]。溫度也是一個(gè)重要的控制參數(shù)[10]，溫度較低時(shí)，霧化效果較差；隨著燃油溫度的升高，霧化質(zhì)量得到顯著改善。

噴孔的幾何形狀、直徑[11-13]以及數(shù)量[14]等條件對霧化效果也會(huì)產(chǎn)生一定的影響。試驗(yàn)結(jié)果表明，與圓形噴孔相比，采用非圓噴孔能夠加速噴霧油束破碎、增大噴霧錐角，同時(shí)換軸現(xiàn)象能夠增強(qiáng)燃油噴霧的空氣卷吸效應(yīng)，促進(jìn)燃油/空氣的混合過程。

對于燃油霧化的實(shí)驗(yàn)研究來說，光學(xué)測試技術(shù)在霧化特性的實(shí)驗(yàn)操作中發(fā)揮著重要作用。但是，由于實(shí)際研究中大多使用基于單點(diǎn)測量技術(shù)的相位多普勒粒子分析儀和基于線測量的激光散射技術(shù)測量液滴粒徑與速度，難以獲取噴嘴內(nèi)部以及噴嘴出口燃油流動(dòng)情況，導(dǎo)致初始邊界條件不夠準(zhǔn)確，因此要結(jié)合新型光學(xué)測量技術(shù)與數(shù)值模擬的方法獲取霧化特性中更為細(xì)節(jié)的參數(shù)。

2 理論研究

目前，用于研究燃油射流霧化的理論主要是由射流線性穩(wěn)定性理論和射流非線性穩(wěn)定性理論組成的射流穩(wěn)定性理論。分析線性穩(wěn)定性理論可以得到射流表面擾動(dòng)波的最大擾動(dòng)增長率、最不穩(wěn)定波數(shù)等參數(shù)，因此在氣液交界面擾動(dòng)發(fā)生的初始階段可以利用線性穩(wěn)定性理論對擾動(dòng)波的發(fā)展過程進(jìn)行預(yù)測，形成擾動(dòng)波增長率的數(shù)學(xué)表達(dá)式，并且研究不同參數(shù)對擾動(dòng)波發(fā)展的影響。但是由于線性穩(wěn)定性理論僅考慮射流表面的一階擾動(dòng)，因此對射流發(fā)展的預(yù)測并不準(zhǔn)確。隨著擾動(dòng)振幅的進(jìn)一步發(fā)展，達(dá)到液膜無法維持原狀將要破碎的臨界點(diǎn)時(shí)，線性穩(wěn)定性理論失效，進(jìn)而通過非線性穩(wěn)定理論與實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證相結(jié)合的方法對射流破碎過程進(jìn)行進(jìn)一步描述，由于考慮了高階擾動(dòng)對射流穩(wěn)定性的作用，因此非線性穩(wěn)定性理論對射流發(fā)展的預(yù)測更為準(zhǔn)確。

孔式噴嘴和軸針式噴嘴是柴油機(jī)上常見的兩種噴嘴形式，其中孔式噴嘴噴出圓形的柱狀射流，軸針式噴嘴噴出圓環(huán)狀的錐形液膜射流。

2.1 圓柱射流

早在1878 年，Rayleigh[15]就提出無粘流體低速圓射流表面波模型。后來，Weber[16]將理論擴(kuò)展到了粘性流體，Haenlein[17]將模型劃分成正對稱波形和反對稱波形。隨后，Ohnesorge[18]將表面波模式劃分成了瑞利（Rayleigh）、斷續(xù)（Intermittent）和霧化模式（Atomization）。上述研究都是基于擾動(dòng)波是隨時(shí)間增長的這一基礎(chǔ)，但在實(shí)驗(yàn)中可以清楚地觀察到，擾動(dòng)波在空間上也是增長的。基于這一發(fā)現(xiàn)，Kelller[19]等提出了擾動(dòng)波隨空間發(fā)展的理論，能夠準(zhǔn)確描述擾動(dòng)波的最大擾動(dòng)增長率與波數(shù)之間的關(guān)系。

對于液體射流的非線性穩(wěn)定性理論，Wang[20]首先將Rayleigh 提出的線性模型擴(kuò)展到二階非粘性模型；Nayfeh[21]利用多時(shí)間尺度的方法得到了二階展開式；Ibrahim[22-23]等認(rèn)為線性穩(wěn)定性理論能夠用于分析射流破碎的開始，而非線性穩(wěn)定性理論對射流破碎后的結(jié)果分析更為理想。并且提出了渦流作用下液體射流的非線性反對稱波形模型；呂明[24]等進(jìn)一步延伸了射流空間發(fā)展的概念。

2.2 圓環(huán)液膜射流

圓環(huán)液膜破碎過程非常復(fù)雜，F(xiàn)raser[25]、Crapper[26]等較早對圓環(huán)液膜進(jìn)行了研究，但是他們并未考慮液體粘性。Shen[27]等推導(dǎo)了描述牛頓流體圓環(huán)液膜射流穩(wěn)定性的色散方程；嚴(yán)春吉[28]用空間線性穩(wěn)定性理論對在射流霧化過程中起控制作用的主要參數(shù)如氣液速度、密度、表面張力、液體粘性等進(jìn)行分析；Hosseinalipour[29]等研究了液膜旋流速度和氣流軸向速度對液膜不穩(wěn)定性和破裂長度的影響，同時(shí)還對環(huán)境壓力的影響進(jìn)行了研究。

而對圓環(huán)液膜射流的非線性穩(wěn)定性理論研究目前還不成熟，主要的研究方法有非線性對稱降維方法[30]和擾動(dòng)展開技術(shù)[31]。與線性穩(wěn)定性理論相比，非線性穩(wěn)定性理論有一定的優(yōu)越性，能夠更準(zhǔn)確地預(yù)測射流破碎的破碎長度。

3 數(shù)值模擬

噴霧過程的數(shù)值模擬是研究內(nèi)燃機(jī)的另一個(gè)有力工具，不僅可以加快研究進(jìn)程，降低研究成本，還可以獲得由于實(shí)驗(yàn)條件和設(shè)備限制而無法得到的數(shù)據(jù)信息。但是柴油機(jī)的霧化是一個(gè)極其短暫且細(xì)微的過程，目前國內(nèi)外對復(fù)雜條件下燃油霧化的全過程數(shù)值模擬相關(guān)研究較少，對其模擬計(jì)算的相關(guān)模型尚不完善，為了平衡霧化過程和計(jì)算效率，對許多霧化的細(xì)節(jié)過程都進(jìn)行了理想化處理。這些因素制約著數(shù)值模擬在柴油機(jī)開發(fā)中的進(jìn)一步應(yīng)用。

3.1 一次霧化

燃油經(jīng)噴油嘴噴出后，受到氣流擾動(dòng)和湍流運(yùn)動(dòng)的影響，最初作為連續(xù)射流的燃油分解成細(xì)絲和液滴，該過程稱為一次霧化。對于初次霧化的研究，國內(nèi)外學(xué)者主要關(guān)注當(dāng)燃油從連續(xù)狀態(tài)變?yōu)殡x散狀態(tài)時(shí)氣液相界面的發(fā)展過程，因此在數(shù)值模擬中主要采用界面追蹤法（Front Tracking Method，F(xiàn)TM）捕捉液體射流的表面波動(dòng)以及破碎過程的細(xì)節(jié)。根據(jù)氣液相界面描述的方式不同，界面追蹤方法主要有PIC(Particle In Cell)、MAC（Marker And Cell）、VOF（Volume of Fluid）和LS（Level Set）方法等。

目前應(yīng)用較多的界面追蹤方法是VOF 法[32-33]與LS 法[34]。除此之外，也有其他的模擬方式，如Salvador[35]等設(shè)計(jì)了一種新的自適應(yīng)網(wǎng)格細(xì)化的不可壓縮多相流方法；Andreini[36]等提出了一種創(chuàng)新的二階封閉RANS 環(huán)境下的物化模擬。綜合以上研究發(fā)現(xiàn)，界面追蹤法對于柴油與背景環(huán)境的分界面能夠?qū)崿F(xiàn)精準(zhǔn)捕捉并獲得較好的一次霧化效果，但是這種模擬方法的求解對網(wǎng)格精度的要求較高，隨著液滴尺度的變小，網(wǎng)格的尺度也需要進(jìn)行調(diào)整，因此該種算法計(jì)算量巨大，在工程上應(yīng)用難度較大。

3.2 二次霧化

一次霧化后形成的大粒徑液滴進(jìn)入到油氣混合區(qū)域，大粒徑液滴所受的表面張力大于連續(xù)液體的表面張力，導(dǎo)致在高速氣流環(huán)境中的大液滴在表面非均勻分布的擾動(dòng)下發(fā)生變形，并進(jìn)一步碎裂成更小的液滴，這一過程稱為二次霧化。二次霧化過程中液滴在流場以離散形式存在，因此通常采用Eulerain-Lagrangian 方法跟蹤液滴獲取不同直徑液滴的運(yùn)動(dòng)軌跡，進(jìn)而模擬實(shí)際燃燒室中燃油射流霧化混合到蒸發(fā)燃燒的全過程。在這一方法中，研究者們根據(jù)液滴的破碎霧化過程提出了不同的數(shù)學(xué)模型，主要有TAB（Taylor Analogy Breakup）[37]和KH-RT 模型[38-39]。此外，毛傳林[40]等采用k-ε湍流模型結(jié)合DPM 離散相模型對氣泡霧化噴嘴下游的二次霧化過程進(jìn)行數(shù)值模擬，且考慮了氣液兩相間的耦合作用及液滴破碎和碰撞模型。Hwang[41]、侯玉晶[42]等均采用DDM 模型模擬多相流動(dòng)過程，并與試驗(yàn)結(jié)果對比證明了DDM 模型的有效性。

3.3 一次霧化與二次霧化的耦合方法

在霧化過程數(shù)值模擬研究中發(fā)現(xiàn)，采用VOF等界面追蹤法可以捕捉到初次霧化的氣液相界面，但難以獲取小粒徑液滴的流暢特性，而如果直接采用離散相模型，則會(huì)忽略初次霧化中液體微團(tuán)對整個(gè)霧化過程的影響，因此有研究者們開始提出將初次霧化與二次霧化過程進(jìn)行耦合的方法[43-45]，從而實(shí)現(xiàn)對液體射流霧化全過程的數(shù)值模擬。

數(shù)值模擬已成為繼實(shí)驗(yàn)方法和理論方法之后研究燃油霧化的第3 種重要研究手段，基于傳統(tǒng)的Eulerain-Eulerain 和Eulerain-Lagrangian 方法已經(jīng)可以獲得燃油霧化的典型過程，但射流空化現(xiàn)象和湍流擾動(dòng)同樣對霧化效果有重要影響，因此考慮空化、湍流等多因素霧化數(shù)值模擬還需進(jìn)一步完善，用于數(shù)值模擬過程中的物理化學(xué)模型仍需深入探索。

4 結(jié)語

本文針對拖拉機(jī)柴油機(jī)燃油霧化問題，分別從實(shí)驗(yàn)方法、理論方法和數(shù)值模擬三個(gè)方面進(jìn)行了總結(jié)。近年來國內(nèi)外研究者致力于燃油霧化特性的相關(guān)研究并取得了較大進(jìn)展，但是由于霧化機(jī)理的復(fù)雜性、試驗(yàn)研究的局限性以及數(shù)值模擬的誤差性，霧化特性還未完全揭示。因此，對燃油霧化的特性研究必須要與光學(xué)測量技術(shù)、應(yīng)用數(shù)學(xué)理論和計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展緊密聯(lián)系起來，不斷汲取相關(guān)領(lǐng)域的最新研究成果推動(dòng)柴油機(jī)霧化技術(shù)的發(fā)展。