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高压共轨直喷式柴油机排油过程中喷嘴内瞬态流动和空化特性的数值研究
孙左玉，李国 秀，俞玉松，高思朝，高国希
北京交通大学机电与控制工程学院，北京100044中国
文章信息
文章历史:
2015年1月5日收到
2015年4月1日接受
2015年4月19日在线提供
关键词: 流动特性 空化特性 瞬变条件 排油过程 共轨喷射 数值研究
摘要
本文用数值方法研究了高压共轨柴油机喷油器喷嘴在排油过程中流动和空化的瞬态发展，得到并分析了宏观参数(指示流动特性和空化特性)的变化规律和重要物理场(指示空化在微观上的演化)的分布方式。所得数值结果表明，在排油过程中，质量流量和流量系数均随递减变化率单调增加，平均流速和平均湍流动能也呈单调性增加；然而，对于TKE针升程曲线，存在某些点会突然增加。TKE曲线与平均流速的差异主要归因于空化的突然变化。根据数值结果，由于较低的流速和缺乏低(甚至负压)压力区，直到针阀升程上升到一定位置，才会形成气穴气泡。当针上升时，主要气泡在喷嘴喷射后的下角附近形成；但是随着针进一步上升，气泡形成的位置已经转移到上拐角，然后随着流速的增加而向下喷孔。
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1、介绍
自1892年以来，柴油发动机一直在推进、动力和能源领域发挥着至关重要的作用，因为它具有[ 1–3]中任何标准内燃和/或外燃发动机最高的热效率。对于现代柴油发动机来说，直接喷射被认为是一种很有前途的燃料供应方法，它使柴油发动机更环保、更强大，并能继续运行[ 4–7 ]，因为它提高了燃料效率并减少了发动机废气排放[ 8，9 ]，高压共轨喷射系统被选为最佳喷射系统，因为它能够满足更灵活和更高的喷射压力[ 10，9，11 ]。对于高压共轨喷射系统，细喷嘴存在的空化行为是[ 12–14]中需要解决的最重要问题之一。正如佩里和他的合作者[ 15–18]所系统研究的那样，气蚀通过影响喷射流的穿透、索特平均直径、燃料分布、流速和流表面的剪切强度，对喷射器的性能有着严重的影响。因此，探索喷嘴内气蚀的解决方案对高压共轨喷射系统的设计和控制至关重要，对喷嘴内流动和气蚀特性进行基础研究甚至至关重要。
迄今为止，在过去的几十年里，[ 19–23]发表了大量关于喷嘴内流动和空化特性的研究文献，其中大部分集中在空化问题上，而不是研究最大针阀升程时空化的影响机理。尽管整个喷射过程中大约90 %的流量被最大针阀升程[ 24]所占据，但在稳定流中获得的关于空化特性的知识很难探究整个喷射过程中喷嘴内空化从形成到消失的详细演变。同时，实际的喷射过程是瞬态过程而不是稳态过程，由针离轴运动引起的空穴现象的孔间变化也对喷嘴[ 25、26]内的流动特性有很大影响，因此空穴的瞬态演化对喷射器的实际性能非常关键；特别是，气泡总是在排油过程中形成，而不是在[ 27–35 ]的最大针阀升程时形成。因此，对瞬变流中的流动和空化特性进行基础研究是深入理解喷嘴内空化现象的必要条件，对高压共轨喷射系统的性能具有实际意义。
迄今为止，一些学者已经通过实验和/或数值方法对喷嘴内的瞬态流动和空化特性进行了有价值的研究。Payri等人[ 29 ]实验观察了内部瞬态空化的演变。通过激光技术注射并报告了显著的结论，但是很少有关于针运动对空腔特性的影响的信息被报道。李和赖兹·[ 27 ]数值研究了在针闭合过程中喷嘴内瞬态流动的演变，结果表明提高针的闭合速度(大于0.7 m/s )将增强喷嘴内的空腔。Som等人[ 30 ]数值研究了不同针距下喷嘴内蒸汽分数和速度大小的分布，结果表明，随着针距的移动，气隙模式发生了显著的变化。Jia等人[ 31 ]数值观察了在注射压力为100 MPa，环境压力为0.1 MPa下锥形喷雾喷射器内瞬态空化的演变，但尚未报告对不同针距下瞬态空化特性的进一步定量研究。萨尔瓦多·艾尔。[ 32 ]采用一维模拟进行数值模拟研究针运动对生物柴油流中空化行为的影响:然而，针运动和空化特性之间的关系还没有报道。萨尔瓦多等人[ 28 ]，后者，数值研究了内部流动和气蚀现象，结果表明，不同升程下，针阀升程对气蚀现象的影响机理不同。He等人。[ 33 ]数字上研究了不同喷射压力下柴油机喷油器内瞬态空化的演变，结果表明，针阀运动会引起喷嘴内空化流动的强烈瞬态变化（尤其是当针趋于完全关闭）。从上述文献中可以清楚地看出，喷嘴的总体性能接近于由针的动态特性直接决定的瞬态流动和空化特性；然而与最大针阀升程时的气蚀特性相比，有关瞬态气蚀的相关研究仍然较少，大多数研究集中在由关闭针阀(出油过程)而不是打开针阀引起的瞬态流动和气蚀的变化上(排油过程，严重影响后续最大针举升时的注入性能)。因此，深入和系统地研究喷嘴内的瞬态空化特性(尤其是在排油过程中过程)仍然是必要的，并且在将来也是需要的。
为了更好地理解高压共轨喷射系统喷射器喷嘴内的瞬态空化特性，本文对瞬态空化流动特性进行了数值研究并分析了针阀运动对喷嘴内瞬态空化的影响机理。
2、方法学
2.1 .模拟的数值方法
迄今为止，大多数关于瞬态空化特性的研究都是通过数值模拟进行的，动态网格技术由于能够清晰地观察流体域内空化的演化而得到广泛应用，平滑法是各种动态网格技术中最常用的网格方法。但是，由于喷嘴结构复杂，伸缩空间窄(一般高压共轨喷射系统采用的喷射器，针的最大升程小于半毫米)，光滑法产生的流体域(特别是针锥域)网格质量难以保证，因此对计算结果的准确性甚至合理性都有重要意义。为了克服平滑法可能带来的问题，本研究采用准稳态法而不是动态法来模拟瞬态空化特性，正如以前学者[ 34，35 ]在许多著作中所做的那样。
对于喷嘴内瞬时流动的持续时间(流体颗粒从孔的入口流向出口)，时间成本可被视为流场瞬时变化的时间尺度，因为上述过程代表喷嘴内流动流体的一组更新。对于所研究的喷嘴，孔口入口和出口之间的距离为3.5毫米，通过孔口的平均流速约为360米/秒；因此流场的单次更新的时间尺度约为0.0097毫秒。图1示出了单次注射过程中针的运动速度的演变曲线。可以看出，在针头开启过程(即排油过程)中，它能实现的最大运动速度为0.67米/秒；考虑到最大针升程是0.285毫米，最小时间尺度(即完全打开时的最短时间成本)不小于0.43毫秒。与流体场一次更新的时间成本0.0097毫秒相比，由针的运动引起的瞬变流的变化频率太慢，不能认为是恒定的；因此采用准稳态方法进行本次研究是合理的。
2.2 .流体域和一般设置
为了深入了解喷嘴内的瞬态空化特性，对应用于高压共轨喷射系统的商用柴油机喷油器进行了三维模拟计算。由于所研究的喷嘴具有带有六个孔的对称结构，因此只有六分之一的注射器几何形状被用作计算的流体域。为了避免孔口出口边界的设置对计算结果的影响，计算的流体域已经扩展到燃烧室(如先前的工作、所做的那样) [ 14，19，36]，并且喷嘴孔口处的压力被设置为汽缸内的压力。
图1单组织针运动速度演变曲线 图2针升程为28 mm时，当前计算的网格流体域。
表1本次调查中模拟的基本设置。
图3喷嘴入口压力和针阀升程之间的关系: ( a )时间的历史记录；和( b )通过针提升记录压力。表2
本研究中关于针的提升位置和喷嘴入口处相应压力的详细信息。3、结果和讨论
图4显示了喷射器喷嘴的质量流量和流量系数随上升的变化规律。可以看出，随着针升程的上升，质量流量和流量系数都单调增加(如图4(a )所示)，两个参数的变化率在针上升的初始阶段迅速下降，然后在针上升的后期阶段趋于收敛(如图4(b )所示)。这种现象主要归因于喷嘴压差的变化规律和有效流动面积的变化。随着针阀不断升至最大扬程，喷嘴内的有效流通面积不断增大，流量与喷孔出口之间的压力差也相应增大，从而导致质量流量和流量系数单调上升。与图3相联系，可以发现针的运动规律给出了最大升力一半的不同趋势。在排油过程的前半部分(针从关闭座上升到最大提升的一半的过程)，喷嘴进口压力的上升呈抛物线趋势；然而，在排油过程的后半部分(针进一步升高到最大针升程的过程)，喷嘴入口压力的进一步升高表现出近乎线性的趋势。同时，有效流通面积也有相似的演变规律，在针张开的前半段急剧增加到最大值，然后在后半段保持最大值。
图5显示了不同压差下质量流量和流量系数的变化规律。可以看出，当压差从1000巴变化到更高时，质量流量和流量系数都以线性十阶上升；然而，当压差从1000巴变化到更低时，线性趋势将不会保持。与图3相联系，可以知道压差接近最大针升程的一半时达到1000巴。基于以上所述，可以得出结论:对于排油过程，确定了前半段的流量(以质量流量和流量系数表示)由压差和有效流动面积开采，它们在最后半个周期内仅由流量和孔口出口之间的压差决定。图6显示了孔板出口处平均流速和平均湍流动能的变化规律。TKE )随着针升程的增加而在喷嘴内。对于孔板出口处的平均流速，在排油过程中，随着针的上升，流速单调增加，前半段流速明显高于后半段流速，达到最大流速。在第一季度期间(如图6(a )所示)；同时，随着喷嘴上压差的增加，其增长一般呈线性趋势，尽管当针上升到最后半个周期时，变化程度有所下降(如图6(b )所示)。对于喷嘴内的平均TKE，它通常在排油过程中上升。前半段内，平均全叶面积的变化趋势与孔口出口处平均流速的变化趋势相似，且随着针头逐渐打开，生长率越来越小；然而，在过去的半个周期内，平均全热交换器的变化趋势明显不同于孔板出口处的平均流速，生长速度加快而不是减慢。
图4 不同针距下的质量流量和流量系数: ( a )绝对值；和( b )变化率。
图5 质量流量/流量系数与喷油器喷嘴压差之间的关系
图6 喷孔出口处平均速度和喷嘴内平均全当量的变化: ( a )随着针阀升程的变化；和( b )注射器处的压力。图7 不同针阀升程下蒸汽的平均体积分数: ( a )气蚀和针阀升程之间的散点线；( b )气泡分散在针阀升程、压差、流速和气穴之间的关系中
图6示出了孔口出口处平均流速和平均湍流动能的变化规律。TKE )随着针升程的增加而在喷嘴内。对于孔口出口处的平均流速，在排油过程中随着针的上升而单调增加，前半段的增长率明显高于后半段，而第一季度达到最大增长率(如图6(a ) )。同时，随着喷嘴上压差的增加，其增长一般呈线性趋势，尽管当针上升到最后半个周期时，变化程度有所下降(如图6(b )所示)。对于喷嘴内的平均TKE，它通常在排油过程中上升。前半段内，平均全叶面积的变化趋势与孔口出口处平均流速的变化趋势相似，且随着针头逐渐打开，生长率越来越小；然而，在过去的半个时期内，平均全要素生产率的变化趋势明显不同于平均流速的变化趋势，增长率不是减慢而是加速。
图7(b )显示了气泡在需要的升程、压差、流速和空化(由蒸汽的平均体积分数表示)之间的关系中的散布。在图中，散点图的垂直线感测压力差，在喷嘴上，散射的水平线感测孔出口处的平均流速(在一定程度上反映喷嘴内的流速)，散射的颜色和捕捉感测蒸汽的平均体积分数，以及颜色条，指示气蚀的程度(即蒸汽平均体积分数的范围)。可以看出，在排油过程的初始阶段(第一季度)，流速随着压差的增加而线性上升，但蒸汽的平均体积分数由于不明显的小值而可以忽略不计；根据先前研究[ 14 ]中报告的空化形成特征，这种现象意味着喷嘴内的流速不够足够大，以便在喷嘴入口后的拐角处形成低压(甚至负压)区域(气穴最容易形成的流体区域)。随着针进一步上升(直到接近本研究中最大升力的一半)，流速持续增加，以使喷嘴入口处的压力快速增加，蒸汽的平均体积分数突然上升，这种现象意味着在喷嘴形成以在喷嘴内引起气穴现象后，低压区突然出现。然而，从第二季度到第三季度，蒸汽的平均体积分数开始逐渐下降，尽管流速仍在增加，这种现象意味着喷嘴内的气穴现象已被抑制。在排油过程的最后一个季度，随着压差和流速的增加，蒸汽的平均体积分数再次快速上升，即气穴现象再次增强，抑制效果减弱。 图8 不同针距下静压、速度大小和TKE的轮廓。
图9 不同针阀升程下喷嘴内的速度矢量。 图10。 不同针阀升程下喷嘴内蒸汽传递系数和体积分数的轮廓。
图9显示了当针上升时喷嘴内流速的变化。可以看出，在排油过程中，流速也在不断变化。与静压场相似，前半段流速场的变化比后半段明显。结合38.3升、73.3升和105.6升的计算结果，可以看出较高的流速集中在喷嘴和针之间的环形截面上，这意味着当针的上升仍然影响有效流动面积时，有效流动面积严重影响流动的发展。当针阀升程超过某一位置(如105.6升米)时，较高流速集中的区域已转移到喷嘴入口的拐角和孔口附近的下游；随着指针进一步上升，流速值不断上升，但速度的分布方式几乎保持不变。在靠近喷嘴入口的拐角处，流线确实产生了急转弯，因此在喷嘴入口之后形成了局部旋流区，并且最终形成了低压(甚至负压)区(即已经准备了形成气穴的条件)。
4、结论
本文通过数值模拟研究了泄油过程中的瞬态流动和空化特性，获得并分析了表征流动和空化特性的宏观参数(如质量流量、流量系数、流速)和物理场(如压力场、速度场、TKE场、传递系数场和蒸汽体积分数)的详细分布。主要结论如下。
随着针的上升，质量流量和流量系数单调增加，但两个参数的变化范围迅速下降到收敛。这种行为主要归因于对流动发展的主导作用的转变，喷嘴内的流动主要受针阀开启初期的有效流动面积支配，而后期则仅受喷嘴入口压力支配。
当排油过程还没有进入第二季度时，喷嘴内压力场的演变主要受到喷嘴与中间环形截面的抑制。随着针头的进一步上升，上述抑制已经消失，压力场的分布方式基本保持不变；同时，在喷嘴内形成了低压(甚至负压)区，并且位于喷嘴进入后的拐角附近。
由于低压区(甚至负压区)的存在，气泡已经形成和发展。气泡最初是在喷嘴进入后的下角附近形成的，但这种最初的气泡将会消失。因为低压区(甚至负压区)
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资料编号：[2000]
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