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1、第40卷第3期船海工程Vol.40No.32011年06月SHIP&OCEANENGINEERINGJun.2011DOI:10.3963/j.issn.1671-7953.2011.03.038基于喷嘴内部流场的柴油机喷嘴高压喷雾仿真章翔,安士杰(海军工程大学船舶与动力学院,武汉430033)摘要:为探讨对喷嘴内部的喷射流动模拟方法,建立柴油机喷油器有气穴和无气穴两种喷嘴内部CFD流动分析模型,对流动情况进行计算分析,将计算结果作为边界条件,对喷嘴喷雾场进行模拟,与实验结
2、果对比表明,对于喷嘴内部流动,有气穴模型更接近于真实流动状态。关键词:柴油机;喷油器;流动;仿真中图分类号:U664.121文献标志码:A文章编号:1671-7953(2011)03-0134-04燃油在喷油器进、回油孔,出油阀,针阀座及究,因而对喷孔内部流动进行数值模拟研究非常[1]喷油孔等小孔和缝隙处流动,因为流速高且流通有必要。计算流体力学(computationalfluid面积小,燃油会受到不同程度的节流。随着柴油dynamics,CFD)是目前用于解决三维流动问题的机喷射压力的提高,喷油器各处流动
3、状态的变化、有效手段。空泡和穴蚀现象的出现等都对柴油机燃油的喷射CFD可以看作是在流动基本方程(质量守恒产生极大的影响。但由于喷嘴零件小,结构紧凑,方程、动量守恒方程、能量守恒方程)控制下,再结受力复杂,喷孔内部流动高度湍动,具有气液两相合流动组分变化、气泡产生和破碎以及内部湍流流动的复杂性,很难直接通过实验的方法观察到运动共同作用下的对流动的数值模拟。其内部的流动情况,故采用仿真的手段研究喷嘴1.2喷雾模型内部的流动情况。利用CFD分析软件,对柴油机内燃机燃油雾化可以分为两个过程:初级破喷嘴内部流动进行仿真,利用仿真结果以不
4、同边碎和次级破碎。前者发生在高韦伯数的喷嘴附近界条件对燃油喷雾状态进行计算分析,将喷雾模区域,它不仅仅是由于气液两相间的相互作用形拟结果与试验进行比较,在喷雾形态以及喷雾贯成的,还受到喷嘴内部的流动现象如湍流和空穴穿距、喷雾锥角等喷雾特性参数上,与试验分析取等因素的影响。在距喷嘴较远的下游区,液滴破得一致,从而验证了文中对喷嘴内部流动及喷雾碎是由于空气动力的作用,与喷嘴形式无关,称为特性数值模拟的正确性。次级破碎。经典的破碎模型如TAB模型、Reitz-Diwakar模型和WAVE模型不区分这两个过程。1基本喷射模型喷雾模型的
5、发展越来越重视初级破碎过程,如1.1喷嘴内部流动基本模型Huh-Gosman模型特别重视喷嘴内湍流对后续喷喷嘴内部流动高度湍动以及气液两相流动的雾破碎的影响,而柴油机初级破碎模型则同时描[2]复杂性使得喷油器喷射的影响机理和程度尚不很述了喷嘴内空穴和湍流对喷雾破碎的影响。清楚。喷嘴内部的流动分析涉及到流-固耦合问FIPA和KH-RT等模型提供了对初级破碎和次题,难以通过传统的物理模拟实验进行可视化研级破碎分别处理的可能。KH-RT模型认为:在喷雾破碎过程中KH表面波和RT扰动一直处于竞争关系。KH机理收稿日期:2010-05-
6、27修回日期:2010-06-02适宜于高相对速度和高环境密度时的喷雾破碎;基金项目:国防十一五预研项目(401010301);RT机理适宜于描述由于液滴的快速减速而导致湖北省自然科学基金(2009CBB312)。表面波在液滴的背风面快速增长,引起变形导致作者简介:章翔(1982-),男,硕士生。破碎成小液滴的破碎。KH-RT模型用WAVE研究方向:动力机械及热力系统的设计、仿真与优化模型公式模拟KH破碎,RT扰动通过具有最大E-mail:zx14921741@163.com增长率的表面波的频率和相应的波数k描述:134
7、基于喷嘴内部流场的柴油机喷嘴高压喷雾仿真章翔,安士杰1.5耦合采用simple算法。喷油嘴内的气液两相流2gt
8、l-g
9、=(1)33l+g计算采用欧拉-欧拉算法。进出口边界设定为压力边界,进口压力为130MPa,出口压力为gt
10、l-g
11、k=(2)2MPa。针阀最大升程为0.25mm,针阀从开启3到关闭的持续时间为2ms。RT破碎时间为图2为喷油前0.05ms、中0.83ms和后B2=(3)1.95ms三个时刻的喷孔中心截面上的压力云RT扰动产生的滴径为图。可以看到从针阀开始打开到上升到最高,压力室
12、内压力梯度由大变小且逐渐稳定。喷油器本rstable=B3(4)k体到喷孔内部压差变化很大,这是因为燃油从压式中:gt液滴运动方向的减速度;力室高速流入喷孔时,截面积急剧减小,流动方向B2、B3模型常数;变化大,而针阀最高时喷孔内部的压力梯度变化
