资源描述：
《基于喷嘴内部流场的柴油机喷嘴高压喷雾仿真_章翔.pdf》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在学术论文-天天文库。
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:2010-05-27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 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|l-g|=(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|l-g|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燃油密度;较为剧烈,因此更容易在喷孔入口上拐角处形成l气体密度;低压区甚至负压,引起穴蚀。g液滴表面张力。2喷嘴流动仿真分析喷嘴流动区域的几何形状很不规则,采用一[3]般的CAD软件进行建模比较复杂。当前流行的三维造型工具软件Pro/EngineerWildfire采用了参数化设计的新思想,实体模型的生成是由实体的尺寸参数驱动的,设定实体的尺寸参数后,图2喷嘴中心截面上的压力分布[4]经过再生处理即可获得模型,直观快捷。因此采用Pro/EngineerWildfire软件对喷嘴的流动图3为喷油前0.05ms、中0.83ms和后区域进行三维实体建模。由于试验用电控喷油器1.95ms三个时刻的喷孔壁面和中心截面的气相体积分布云图。4个喷孔均匀分布且夹角相同,因此只建立单个喷孔模型进行计算,图1所示为喷嘴头部网格示意图。图3喷孔壁面、中心截面上的气相体积分布图1喷嘴头部网格示意计算参数设置湍流模型选用标准k-方程,可以看到在喷孔入口上拐角附近首先形成气在近壁面处求解采用近壁面函数法。把柴油看作穴,气穴沿着壁面向喷孔下游发展扩散到达出口不可压缩的介质,不考虑流动过程中的能量转换处,且强度从喷孔壁面向中心逐渐减弱。喷孔上和损失。求解动量守恒和连续性方程,压力速度下流动区域的气穴分布呈不对称分布,上侧厚,下135 第3期船海工程第40卷侧薄且随着针阀上升而逐渐减弱。主要是因为上部燃油流动曲率较大,这样的气穴分布使得雾束上下侧的锥角也会有所不同。图4为喷油前0.05ms、中0.83ms和后1.95ms三个时刻的喷孔中心截面和出口上的速度分布云图。图4喷孔中心截面和出口截面上的速度分布3.2喷射雾化试验及对比分析针阀刚打开时,喷嘴内部部分区域燃油流速为对仿真结果进行验证,建立高速闪光喷雾较高,随着针阀上升到最大,内部流速逐渐稳定且照相试验台,试验台主要包括背压系统、高压共轨整体速度达到最大,因此喷孔出口速度相对较高,系统、拍摄系统和控制系统4个部分。背压系统这时的雾化与混合也就显得较好。另外可以看到用来提供模拟柴油机燃烧室环境,高压共轨系统由于气穴的影响传递到喷孔出口,喷孔内的高速用来给喷油器提供恒定的高压燃油以保证试验的分布区域主要集中在下侧,有效流动面积很小。稳定性,拍摄系统和控制系统联动达到拍摄油束发展的目的。3喷射仿真及试验验证由于所拍摄图像并非来自同一循环,试验通过由于喷嘴内部流动的仿真结果难以验证,文在不同循环中相对于基准信号的相同时间间隔拍中进一步建立喷射仿真模型,以喷嘴内部流动仿3幅,按像素值进行平均,来减少晃动等不确定因真结果作为边界条件,对喷射过程进行仿真分析,素的影响。同时建立高压容器的计算网格模拟燃并通过喷射试验对仿真结果进行验证。油在其中的雾化发展过程,共有86400个网格。3.1喷射雾化仿真分析喷射压力130MPa、背压2MPa下计算的喷将前面喷嘴的流动计算结果作为边界条件进雾贯穿距与试验值比较见图7。行喷雾模拟,包括计算所得的喷嘴质量流量,喷孔位置矢量、出口速度、气穴、湍动能等,这样可以保证模拟的喷雾结果从形态上更加接近真实的喷雾。图5、图6分别为模型中考虑气穴和不考虑气穴时,在不同喷射压力下喷射贯穿距以及喷射锥角的仿真结果。可以看出,在相同喷射压力情况下,有气穴模型的喷射贯穿距比无气穴模型的喷射贯穿距要大,喷雾锥角随喷射压力的增大而增大。图7喷雾贯穿距测试结果对比136 基于喷嘴内部流场的柴油机喷嘴高压喷雾仿真章翔,安士杰从图中可以看出,相对只把质量流量作为边4结论界条件而言,增加气穴流动后的计算结果与试验情况吻合很好。在喷射后时间t<0.38ms时,计通过模拟喷雾仿真与试验对比分析可以确算值稍微大于试验值,两者较为接近,t>0.38ms定,有气穴模型计算的图像与试验图像比较一致。时计算值略短于试验值,可能是由于RT模型中第一次雾化主要出现在喷孔附近,随着油束的继计算阻力过大。模拟喷雾的计算结果见表1。续发展,第二次雾化开始,雾束前部油滴由内向外分裂成许多小油滴,由于分裂出的小油滴与高压空气的相对速度减小,空气充分卷吸到油束中,使雾束头部体积变大。通过建立喷油器内部流动模型,获得喷嘴内部燃油流动状态作为喷雾模拟的边界条件,可更准确地对喷雾过程进行建模,为燃烧分析提供准确喷雾模型。通过与试验结果对比分析可以看出,有气穴模型更加接近于真实流动状态。参考文献[1]李霞明,周华.喷油器内部瞬态流动三维数值模拟研究[J].拖拉机与农用运输车,2007,34(5):19-21.[2]汪翔,苏万华.空化过程对柴油喷嘴内流特性的影响[J].内燃机学报,2007,25(6):481-487.[3]翟建华.计算流体力学(CFD)的通用软件[J].河北科技大学学报,2005,26(2):160-165.[4]袁江涛,欧阳光耀.柴油机喷嘴流动的CFD分析[J].柴油机,2005,27(2):21-23.SimulationofHighPressureInjectorSprayBasedontheFlowwithinNozzleZHANGXiang,ANSh-ijie(SchoolofNavalArchitectureandPower,NavalUniversityofEngineering,Wuhan430033,China)Abstract:Toinvestigatetheresearchmethodoftheinjectorsprayflowwithinnozzleinthedieselengine,theCFDanalyticalmodelwithcavitationandthatwithoutcavitationwereestablishedtocalculatetheflowstatuswithinthenozzleseparately.Thentheanalysisresultswereusedastheboundaryconditionstosimulatetheinjectorsprayfield.Thenu-mericalresultswerecomparedwiththeexperimentones,indicatingthatthethecavitationmodelisclosetotherealsitua-tionoftheflow.Keywords:dieselengine;injector;flow;simulation137
