利用双流体模型研究柴油高压喷嘴内部的空化流动

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1、成都，2007年8月中国内燃机学会燃烧净化节能分会2007年学术年会论文集利用双流体模型研究柴油高压喷嘴内部的空化流动汪翔,苏万华（天津大学内燃机燃烧学国家重点实验室,天津300072）摘要：利用双流体模型对一单孔柴油喷嘴内部复杂的空化流动进行数值模拟，并分别考察进口压力恒定和进口压力高频波动这两种不同的边界条件所对应的空化过程及相应流场的特征。数值模拟的结果与文献中已有的实验结果吻合较好。通过数值分析发现，超空化的出现致使流场结构和喷孔出流条件均发生显著的变化，这对下游的雾化过程有着重大的影响。此外，空化过程对边界条件比较敏感，部分空化和超空化都

2、会因进口压力的波动而变得不稳定。关键词：柴油喷嘴；空化流；双流体模型；压力波动；数值模拟[1-3][1]实验研究的结果表明，在柴油的高压喷射过析。此外，采用Chaves等人的实验数据对数学模型程中喷嘴内部的空化过程及湍流行为对喷嘴近场的和数值方法的可靠性进行了验证。雾化过程起着重要的作用，进而影响柴油的喷雾及燃烧特性。为了深入地探讨柴油射流雾化的机理，1数学模型描述对柴油喷嘴内部的空化流行为进行全面的研究是很有必要的。1.1双流体模型的基本方程发生于柴油喷嘴中的空化流涉及到了湍流、质依照双流体模型的基本思想，分别建立空化流量传输、可压缩性和非定常等

3、几乎所有的复杂流动中气液两相的守恒方程。本研究假定流动是等温的，现象。由于空化流动本身很复杂以及喷嘴内流场的则无需求解能量方程。气液两相的连续性方程、动-4几何尺度相当小（量级在10m左右），目前的实验量方程分别如下：技术手段很难从喷嘴内流中获取比较详实的流场参连续性方程：数。在此背景下，借助于数值模拟来研究柴油喷嘴2∂(αρ)kk内部的空化流就成为很重要的手段。至今，喷嘴空+∇⋅(αkρkVk)=∑Γkl（1）∂tl=1,l≠k化流的数值模拟方法主要有三类：一、均相流模型[4-6]方法，该方法将气液两相混合流体处理成一均匀动量方程：介质，并通过求

4、解气相或液相的体积分数的输运方∂(αρV)kkk程来确定空化区域。二、VOF（VolumeofFluid）方+∇⋅(αρVV)=−α∇pkkkkk[7]∂t法，该方法通过引入流体分数体积函数来计算气液两相的界面，通常需要大量的网格，计算量庞大。t[8-9]+∇⋅αk(τk+Tk)+αkρkg三、双流体模型方法，该方法分别建立气液两相的守恒方程，并通过附加源项的办法来考虑相间的22交互作用，与均相流模型方法相比，它能够反映更+∑Mkl+Vk∑Γkl（2）l=1,l≠kl=1,l≠k多的流场细节，同时，所需要的计算量比VOF方法的少。式（1）及式（2）

5、中，下标k表示相k，k为1时表示[9]本研究采用一种基于双流体模型的计算方法气相，k为2时表示液相；αk为k相的体积分数，且来模拟一单孔柴油喷嘴内部的空化流，分别考察了α1+α2=1；ρk为k相的表观密度；Vk表示k相的速度矢进口压力恒定和进口压力高频波动这两种不同的边量；p为压力，且p=p1=p2；g为重力加速度矢量；τk和t界条件所对应的空化过程及相应流场的特征，并将Tk分别为k相的分子粘性应力张量和雷诺应力张量，不同流场结构所对应的喷孔出流条件进行了对比分定义为作者简介：汪翔，男，博士研究生；研究方向：内燃机燃料喷雾与燃烧。E-mail:wa

6、ylandwx@yahoo.com.cn成都，2007年8月汪翔等：利用双流体模型研究柴油高压喷嘴内部的空化流动于空化流中的气液两相而言，界面力主要有曳力和⎡()T2⎤τk=μk⎢∇Vk+∇Vk−∇⋅VkI⎥（3）湍流扩散力，则⎣3⎦DTDM=F+F=−M（10）12121221tt⎡()T2⎤T=μ∇V+∇V−∇⋅VIkk⎢kk3k⎥式中，曳力FD和湍流扩散力FTD的计算式分别为：⎣⎦12122−ρkkkI（4）DD3α1ρ2()3F12=−F21=CDV2−V1V2−V1t8R其中，µk为分子粘性系数；I为单位二阶张量；µk为湍流粘性系数；kk

7、为k相的湍动能。此外，Гkl和Mkl分（11）别为相间的质量传输项和动量传输项，下面将针对TDTDF=−F=−Cρk∇α（12）1221TD221空化流中的气液两相来建立二者的关系式。1.2相间质量传输其中，CD为曳力系数，按照文献[10]中推荐的关系在空化流中，蒸气相和液相之间的质量传输源式计算；CTD为湍流扩散系数，一般取0.05~0.5，本自蒸发过程和凝结过程，并与气泡的动力行为有关，文计算时取0.1。则1.4湍流模型湍动能kk和湍动能耗散率εk的输运方程分别如N2∂RΓ12=ρ14πR=−Γ21（5）下C∂tR∂(αρk)kkk式中，CR为

8、凝结减少因子，CR≥1；N为气泡的数密+∇⋅()αkρkVkkk=∂t度，可由下式计算：t⎧N0α1≤5.0⎛μk⎞N=⎨