郭 元，肖朝南，李亞洲，陳 康，雷 剛，李 棟

（1.重慶紅江機械有限責(zé)任公司，重慶 永川 402160；2.船舶與海洋工程動力系統(tǒng)國家工程實驗室，重慶 永川 402160；3.大功率柴油機燃油噴射系統(tǒng)重慶市重點實驗室，重慶 永川 402160；4.重慶理工大學(xué)，重慶 巴南 400054）

1 引言

近年，世界各國對碳排放制定嚴格法規(guī)。中國在碳排放提出了“2030碳達峰/2060碳中和”政策[1]。雙燃料發(fā)動機主要以天然氣和輕柴油為主要燃料，相比燃燒純柴油，天然氣的使用不僅減少NOx、SOx和顆粒物，而且具有高熱值、低碳排放等優(yōu)點。燃氣噴射電磁閥作為燃料噴射系統(tǒng)關(guān)鍵零部件，天然氣屬于可壓縮性介質(zhì)，燃氣噴射閥的氣密性和流量的控制，直接影響發(fā)動機的動力、排放情況[2-3]。學(xué)者們在燃料噴射閥領(lǐng)域做了相關(guān)的研究工作。武漢理工大學(xué)李遲等[4]建立雙燃料噴射閥流量特性試驗，通過改變進出口壓力分析閥的流量特性。重慶紅江李鵬豪等[5]在船用中高速雙燃料改造技術(shù)做了應(yīng)用研究，實現(xiàn)發(fā)動機工作可靠，滿足主機工作需求。海裝豐崢嶸[6]基于ABAQUS搭建燃氣閥沖擊仿真模型，校核結(jié)構(gòu)強度，分析結(jié)果證明燃氣閥密封性良好，保證強度和壽命要求。

本研究以某雙燃料燃氣噴射閥為研究對象，建立三維流動仿真模型，在不同工作條件下進行計算流體動力學(xué)（CFD）分析，總結(jié)其流量特性，并與實驗結(jié)果對比，為產(chǎn)品的開發(fā)提供指導(dǎo)依據(jù)。

2 模型及實驗臺

2.1 模型

燃氣噴射閥三維剖面結(jié)構(gòu)如圖1所示。由電磁閥組件、閥殼體、限程盤、閥片以及閥座等組成。

圖1 噴射閥三維剖面

燃氣閥中存在較多的微小圓角區(qū)域，為了便于網(wǎng)格的劃分，保證計算網(wǎng)格的質(zhì)量，因此對模型進行簡化，刪除對計算無影響的特征。采用ANSYS SCDM軟件填充功能抽取計算流域，其整個計算流域是對稱結(jié)構(gòu)，因此取1/2區(qū)域進行流動過程分析，節(jié)省計算資源的同時也方便計算結(jié)果的后處理[7-8]。對稱模型如圖2所示。燃氣從閥殼體側(cè)面入口進入閥芯腔體，經(jīng)節(jié)流間隙流出燃氣閥。

圖2 流體模型

2.2 實驗臺

燃氣噴射閥實驗臺裝置主要由氮氣氣瓶、穩(wěn)壓器、燃氣噴射閥、測量腔以及控制單元等組成。實驗利用定容法原理，向密閉容積室噴射一定氮氣，通過測量容積室壓強變化，根據(jù)氣態(tài)方程間接測量燃氣質(zhì)量流量。

3 模型網(wǎng)格

計算模型完成后，合并小碎面，刪除尖角。將模型導(dǎo)入ANSYSY MESH中進行網(wǎng)格劃分，節(jié)流間隙和節(jié)流孔的幾何尺寸較小，同一網(wǎng)格尺寸劃分會造成網(wǎng)格數(shù)量過于龐大，因此在這些位置進行網(wǎng)格局部加密，保證在小間隙網(wǎng)格至少5層，加密后的網(wǎng)格外觀如圖3所示。

圖3 模型網(wǎng)格

計算流體介質(zhì)為天然氣，氣體屬于可壓縮性流體，網(wǎng)格數(shù)量對計算結(jié)果敏感，因此計算前期對網(wǎng)格開展無關(guān)性驗證。軟件改變網(wǎng)格尺寸參數(shù)得到20～180萬網(wǎng)格模型，設(shè)置同一邊界條件和物理屬性，監(jiān)測進口質(zhì)量流量，計算收斂后統(tǒng)計質(zhì)量流量，不同網(wǎng)格數(shù)模型的結(jié)果如圖4所示，可知網(wǎng)格數(shù)量高于120萬，燃氣閥質(zhì)量流量數(shù)值波動趨于穩(wěn)定，因此確定模型網(wǎng)格數(shù)量為120萬。

圖4 不同網(wǎng)格下質(zhì)量流量

4 物性參數(shù)與邊界

天然氣作為燃氣閥的流體介質(zhì)，物性參數(shù)見表1，該介質(zhì)為可壓縮性的理想氣體，熱傳導(dǎo)系數(shù)為0.033 2 w（/m·k），黏度為1.087×10-5kg（/m·s），分子量為16.043 kg/kmol[9]。

表1 物性參數(shù)

燃氣閥響應(yīng)過程閥芯維持階段時間最長，維持階段流量最大且穩(wěn)定，該階段閥芯全開。閥結(jié)構(gòu)設(shè)計參數(shù)確定，燃氣噴射過程不同工況僅改變?nèi)肟趬毫?，計算過程出口背壓為0.1 MPa，入口壓力范圍為0.2～0.7 MPa。邊界條件見表2。

表2 進出口壓力邊界條件

5 湍流模型

FLUENT提供了多種計算湍流模型，如標準k-ε模型、RNG k-ε模型、低雷諾Wilcox模型和menter模型、雷諾應(yīng)力模型、LES模型、DES模型、SST k-ω模型[10-11]。為了解決燃氣閥可壓縮流動問題，計算采用SST k-ω湍流模型，相比于其他湍流模型，SST k-ω模型包含了k-ω低雷諾數(shù)準確預(yù)測邊界層流動和標準k-ε模型充分湍流的優(yōu)點。SST k-ω模型修正了湍流黏度項，并且也考慮了湍流剪應(yīng)力影響。該模型不會過度預(yù)測渦黏度，這也是SST k-ω模型在計算可壓縮流動的優(yōu)勢。在近壁面附近，SST k-ω模型計算準確性、穩(wěn)定性較好。在計算逆向壓力梯度也能表現(xiàn)出較好的預(yù)測性，因此能夠反映真實的壓力情況[12]。SST k-ω模型包含的k方程和ω方程以及參數(shù)如下式。

方程參數(shù)定義:

層流無滑移邊界：

6 結(jié)果分析

6.1 流量特性

計算結(jié)果見表3，表中列出了不同壓差下仿真流量和實驗流量結(jié)果，背壓0.1 MPa。在最小進出口壓差0.1 MPa，仿真流量為11.59 g/s，實驗流量為10.84 g/s，相對誤差為6.92%。在最大進出口壓差0.6 MPa，仿真流量為35.82 g/s，實驗流量為35.10 g/s，相對誤差為2.05%。仿真和實驗流量結(jié)果繪制成曲線如圖5所示，二者曲線都隨壓力增加而增加。在0.1～0.6 MPa范圍內(nèi)，流量曲線與壓力近似呈線性關(guān)系。

表3 流量結(jié)果

圖5 質(zhì)量流量曲線

6.2 云圖分析

燃氣閥內(nèi)部流場特性分析有助于掌握閥內(nèi)部壓力、速度規(guī)律，F(xiàn)LUENT仿真云圖形象地展示了流場特性。文章篇幅所限和云圖規(guī)律相似，因此云圖展示進出口壓力0.1 MPa、0.4 MPa以及0.6 MPa邊界。本研究選取一截面分析不同壓差下燃氣閥內(nèi)部壓力分布和各位置馬赫數(shù)。從壓力云圖掌握燃氣閥各個位置的節(jié)流情況，在天然氣流入進氣口至閥座間隙的空間，天然氣壓力分布均勻，在閥座間隙處，氣體壓力開始下降，然后流經(jīng)閥座孔壓力繼續(xù)下降，孔內(nèi)壓力分布不均勻，孔的內(nèi)側(cè)壓力比外側(cè)較高。這是因為氣體經(jīng)過閥座間隙的過程，等效氣體通過節(jié)流孔，氣體在進口腔室無流通面積變化，因此壓力均勻不變。氣體流經(jīng)閥座間隙過程流通截面突然減小，間隙發(fā)生節(jié)流損失，壓力迅速下降。氣體從間隙發(fā)生對沖匯集流入閥座孔，間隙左側(cè)的壓力損失較大，氣體開始膨脹，流體發(fā)生劇烈的擾動，孔內(nèi)部壓力分布不均勻，孔的左側(cè)壓力較小。從表4可以看出燃氣閥進口壓力升高，節(jié)流損失位置不變，閥座孔及流出區(qū)域高壓區(qū)域面積增大，高壓區(qū)域延伸到燃氣閥出口腔。

表4 云圖

馬赫數(shù)不僅反映了閥內(nèi)部流速與聲速比值大小，也反映了內(nèi)部氣體速度大小情況。從表4馬赫數(shù)云圖可以看出，燃氣閥進口腔馬赫數(shù)較低分布均勻，不同進口壓力腔內(nèi)部的馬赫數(shù)低于0.3，閥座間隙和閥座孔的馬赫數(shù)較大，這兩個位置的平均馬赫數(shù)高于0.8。壓差為0.1 MPa時，最高馬赫數(shù)為0.9，燃氣流速低于聲速，此時閥座孔最高速度臨近音速。壓差為0.2 MPa時，最高馬赫數(shù)為1.3，在閥座孔內(nèi)部氣體流速達到了超音速。隨著進口壓力的增加，閥座孔內(nèi)部的馬赫數(shù)增加，高數(shù)值馬赫數(shù)范圍在孔附近向下擴大。壓差為0.6 MPa時，閥座孔的平均馬赫數(shù)大于1.9，高數(shù)值馬赫數(shù)范圍延伸到燃氣出口左側(cè)靠近壁面附近。

7 結(jié)論

通過CFD 仿真技術(shù)，結(jié)合實驗流量特性驗證方法，研究結(jié)果歸納為：仿真與實驗的燃氣質(zhì)量流量結(jié)果誤差小于6.92%，仿真計算技術(shù)應(yīng)用燃氣噴射閥具有可靠性。燃氣閥內(nèi)部節(jié)流主要發(fā)生在閥座間隙和閥座孔該位置易發(fā)生超聲速現(xiàn)象。本文的研究方法和結(jié)論為燃氣閥噴射閥設(shè)計提供指導(dǎo)。