高壓燃油噴射噴嘴內(nèi)旋渦誘導(dǎo)線狀空化及對噴霧的影響
作者：何志霞*，管偉，李琛，張亮，郭根苗
單位：江蘇大學(xué)能源研究院
新一代高效低排放內(nèi)燃機(jī)均質(zhì)壓燃等新型燃燒模式對燃油噴射及噴霧霧化性能提出了更高的要求。高噴油壓力小噴孔直徑噴嘴內(nèi)所存在的高湍動(dòng)、強(qiáng)瞬態(tài)、小尺度、毫秒級噴射持續(xù)期、空化兩相流動(dòng)現(xiàn)象對燃油噴射噴油量及噴霧的精準(zhǔn)控制以及噴油器的穩(wěn)定性、一致性及可靠性都有決定性影響。在高達(dá)110MPa噴射壓力下清晰捕獲到噴嘴內(nèi)針閥快速運(yùn)動(dòng)過程中的渦線空化瞬態(tài)發(fā)展，發(fā)展了基于SST k-ω 的VLES大渦模擬模型以及自適應(yīng)的大渦模擬處理方法，結(jié)合噴嘴內(nèi)渦線空化流動(dòng)穩(wěn)態(tài)實(shí)驗(yàn)，揭示了旋渦誘導(dǎo)線狀空化發(fā)生機(jī)制及中空噴霧的形成機(jī)理，在國際上首次明確了渦線空化比壁面空化在強(qiáng)化噴霧方面會有更大貢獻(xiàn)，渦線空化的精準(zhǔn)捕捉湍流模型比空化模型更為重要等結(jié)論，明晰了噴孔內(nèi)的渦線空化與空氣倒吸間的關(guān)系。旋渦誘導(dǎo)中空噴霧技術(shù)在解決發(fā)動(dòng)機(jī)長久以來小負(fù)荷小流量工況、生物柴油及重油等高粘度燃油噴霧霧化質(zhì)量差的技術(shù)難題方面具備應(yīng)用潛力。
當(dāng)前降低油耗和排放的主要技術(shù)措施中，各類新型燃燒技術(shù)成為研究熱點(diǎn)，電控高壓共軌式燃油噴射系統(tǒng)是這類新型燃燒技術(shù)得以實(shí)現(xiàn)的核心和關(guān)鍵，也是我國亟待攻克的“卡脖子”核心技術(shù)。電控高壓共軌式燃油噴射系統(tǒng)噴油器噴嘴是連接上游燃油噴射與下游噴霧霧化混合的關(guān)鍵，也是最具研發(fā)挑戰(zhàn)的部分，涉及噴油量精確控制技術(shù)、空化穴蝕分布控制技術(shù)、良好霧化及噴霧穩(wěn)定性技術(shù)等，這些技術(shù)的研發(fā)都建立在對噴嘴內(nèi)部超高速、強(qiáng)瞬態(tài)空化兩相流動(dòng)特性及其對噴霧影響機(jī)理的掌握上。噴嘴內(nèi)空化流動(dòng)現(xiàn)象有兩類，一類是噴孔入口幾何流道收縮，流速增加，在壁面回流區(qū)所形成的幾何誘導(dǎo)壁面空化；另一類則是因流場中旋渦流動(dòng)，在旋渦中心低壓區(qū)形成的旋渦誘導(dǎo)的線狀空化（簡稱渦線空化）。對前者已經(jīng)有大量研究，也基本能實(shí)現(xiàn)對該種空化流動(dòng)的有效控制，而后者更為復(fù)雜，近年開始被關(guān)注。
開發(fā)了高壓共軌燃油噴射系統(tǒng)原尺寸量級透明噴嘴內(nèi)部流動(dòng)及噴霧可視化光學(xué)平臺，瞬態(tài)試驗(yàn)的燃油噴射壓力可提升到110MPa，透明噴嘴噴孔尺寸可小至0.15mm孔徑，基于高速顯微成像技術(shù)，在接近實(shí)際柴油燃油噴射系統(tǒng)工況條件和噴嘴幾何尺寸條件下可清晰捕獲原尺寸量級噴孔內(nèi)超高速、強(qiáng)瞬態(tài)工況條件下渦線空化現(xiàn)象。固定針閥位置的穩(wěn)態(tài)試驗(yàn)則可以清晰呈現(xiàn)線狀空化發(fā)生、發(fā)展過程及不同空化流態(tài)結(jié)構(gòu)對應(yīng)的噴霧結(jié)構(gòu)特性。
在試驗(yàn)基礎(chǔ)上，結(jié)合數(shù)值模擬探究旋渦誘導(dǎo)線狀空化的發(fā)生機(jī)制以及對噴霧的影響機(jī)理。相比較于壁面空化，渦線空化的模擬對湍流模型的要求更高，在SST k-ω湍流模型框架下發(fā)展超大渦模擬VLES湍流模型，在計(jì)算效率及計(jì)算準(zhǔn)確性的平衡上優(yōu)于RANS模型及LES大渦模擬，同時(shí)采用自適應(yīng)的LES大渦模擬網(wǎng)格處理方法可進(jìn)一步減小計(jì)算量，實(shí)現(xiàn)噴嘴內(nèi)渦線空化及近場噴霧的高精度模擬。
（1）低壓穩(wěn)態(tài)工況下噴嘴內(nèi)渦線空化特性及中空噴霧結(jié)構(gòu)
在比例放大透明噴嘴內(nèi)流及噴霧的穩(wěn)態(tài)試驗(yàn)平臺上開展針閥升程固定時(shí)錐度孔噴嘴內(nèi)的渦線空化流動(dòng)及噴霧特性研究，輕微針閥升程的差異對應(yīng)了孔內(nèi)完全不同的兩種空化形態(tài)：壁面空化和渦線空化，基于平板狹縫的物理分割技術(shù)確認(rèn)了渦線空化對應(yīng)的中空噴霧結(jié)構(gòu)，如圖1所示。圖2給出了不同噴射壓力下噴孔內(nèi)三種不同流態(tài)（單相流、孔與孔間渦線空化流態(tài)、針閥錐面至噴孔出口的渦線空化流態(tài)）對應(yīng)的噴霧以及PIV速度場分布。其中，針閥錐面至噴孔出口的渦線空化對應(yīng)最為顯著的中空噴霧結(jié)構(gòu)，該渦線空化氣相區(qū)究竟是相變引致，還是噴孔出口空氣倒吸，國際上并無定論，圖3的試驗(yàn)結(jié)果得出：渦線空化區(qū)的氣相既有相變蒸汽也有倒吸空氣，明晰了低噴射壓力時(shí)以空氣倒吸為主，高噴射壓力時(shí)以相變蒸汽為主。圖4進(jìn)一步給出了噴孔出口渦線空化及旋渦流動(dòng)速度時(shí)均分布及渦量時(shí)均分布定量數(shù)據(jù)。
圖1 固定針閥升程的低壓穩(wěn)態(tài)試驗(yàn)獲得的噴嘴內(nèi)部空化流動(dòng)形態(tài)與噴霧結(jié)構(gòu)
|
|
|
|
（a）噴嘴內(nèi)流動(dòng)形態(tài)
|
|
|
|
|
|
圖2 穩(wěn)態(tài)試驗(yàn)中獲得的噴嘴內(nèi)不同空化形態(tài)對應(yīng)的噴霧空間分布及速度分布
圖3 穩(wěn)態(tài)試驗(yàn)中柴油噴入空氣與噴入柴油中的渦線空化分布及速度場
圖4 噴孔出口渦線空化及旋渦流動(dòng)速度時(shí)均分布及渦量時(shí)均分布
（2）高壓瞬態(tài)工況下噴嘴內(nèi)渦線空化瞬態(tài)發(fā)展及對噴霧穩(wěn)定性的影響
在高壓共軌燃油噴射系統(tǒng)原尺寸量級噴嘴內(nèi)流及噴霧瞬態(tài)試驗(yàn)中獲得了一次燃油噴射過程中渦線空化強(qiáng)度及噴霧錐角的變化規(guī)律（圖5），在小針閥升程時(shí)為針閥錐面至噴孔出口的渦線空化，而針閥抬至最高時(shí)為孔與孔間渦線空化。噴霧錐角變化強(qiáng)烈依賴于孔內(nèi)渦線空化的出現(xiàn)。圖6給出了針閥錐面至噴孔出口渦線空化（α線空化）與孔與孔間渦線空化（β線空化）在不同噴射壓力、不同噴嘴壓力室時(shí)的出現(xiàn)頻率，得出高噴射壓力及較小壓力室體積更有利于孔與孔間渦線空化的形成及發(fā)展。
圖5 高壓共軌噴油器噴嘴內(nèi)部渦線空化強(qiáng)度與噴霧錐角的瞬態(tài)變化規(guī)律（噴射壓力80MPa）
圖6 不同壓力室尺寸的噴嘴在不同噴射壓力下兩種形態(tài)渦線空化出現(xiàn)頻率
（3）噴嘴內(nèi)渦線空化流動(dòng)的湍流模型研究
針對噴嘴內(nèi)的渦線空化湍流流動(dòng)，分析基于SST k-ω框架的VLES、LES、SST k-ω、RNG k-ε、RSM湍流模型對渦線空化數(shù)值預(yù)測精度的影響（圖7和圖8））。k-ω和k-ε湍流模型難以預(yù)測出噴孔內(nèi)的渦線空化，RSM模型預(yù)測能力略優(yōu)于前兩者，LES模型與新發(fā)展的VLES模型能更為準(zhǔn)確地預(yù)測出噴嘴內(nèi)整個(gè)的渦線空化形態(tài)，與試驗(yàn)結(jié)果高度吻合。相比較于LES模型，VLES模型能在較粗網(wǎng)格下依然準(zhǔn)確預(yù)測線空化形態(tài)，對網(wǎng)格分辨率的敏感小。噴孔內(nèi)湍流流動(dòng)的雷諾切應(yīng)力與其剪切應(yīng)變相位不一致的特性是各向同性渦粘糢型難以預(yù)測渦線空化的原因所在。
圖7 基于SST k-ω框架的VLES、LES及RNG k-ε湍流模型計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果的比對
圖8 不同湍流模型下噴嘴流量系數(shù)及孔內(nèi)蒸汽相體積分布的對比
試驗(yàn)中采用了2孔噴嘴，對于實(shí)際8孔噴嘴利用前述驗(yàn)證后的高精度噴嘴內(nèi)流耦合近場噴霧的大渦模擬模型針對圓柱孔和錐度孔噴嘴開展對比分析，如圖8和圖9所示，中截面上的內(nèi)流和噴霧計(jì)算結(jié)果發(fā)現(xiàn)錐度孔噴嘴抑制壁面空化，圓柱孔噴嘴空化延伸出噴孔，但反倒是錐度孔噴嘴近場噴霧錐角及霧化破碎更好，這正是因?yàn)殄F度孔加速了孔內(nèi)流體旋渦運(yùn)動(dòng)，在近噴孔出口出現(xiàn)渦線空化所致，得出：渦線空化比壁面空化在強(qiáng)化噴霧方面會有更大貢獻(xiàn)的重要結(jié)論。
圖9 圓柱孔與錐度孔噴嘴孔內(nèi)空化分布與噴霧（8孔油嘴）
圖10 圓柱孔與錐度孔噴嘴近場噴霧破損率（8孔油嘴）
瞬態(tài)及穩(wěn)態(tài)光學(xué)可視化試驗(yàn)與高性能VLES超大渦模擬技術(shù)相結(jié)合揭示了噴嘴內(nèi)旋渦誘導(dǎo)線狀空化發(fā)生機(jī)制及中空噴霧的形成機(jī)理，基于此可進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)對渦線空化及中空噴霧結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定控制，提升噴霧空間分布及空氣利用率。一方面，可解決發(fā)動(dòng)機(jī)長期以來在小噴油量、小負(fù)荷時(shí)霧化差的技術(shù)難題；另一方面，可有效應(yīng)對稀薄燃燒、均質(zhì)壓燃等高熱效率新型燃燒對噴霧霧化質(zhì)量的高要求。
[1] Zhixia He* , Wei Guan, Chuqiao Wang, Genmiao Guo, Liang Zhang, Manolis Gavaises. Assessment of turbulence and cavitation models in prediction of vortex induced cavitating ffow in fuel injector nozzles, International Journal of Multiphase Flow 157 (2022) 104251
[2] Wei Guan, Zhixia He*, Liang Zhang, Genmiao Guo, Tianyi Cao, Xianyin Leng. Investigations on interactions between vortex flow and the induced string cavitation characteristics in real-size diesel tapered-hole nozzles, Fuel 287 (2021) 119535
[3] Zhou Chen, Zhixia He*, Weiwei Shang, Lian Duan, Han Zhou, Genmiao Guo, Wei Guan. Experimental study on the effect of nozzle geometry on string cavitation in real-size optical diesel nozzles and spray characteristics, Fuel 232(2018): 562–571
[4] Zhixia He*, Zhengyang Zhang, Genmiao Guo, QianWang, Xianying Leng, Shenxin Sun.Visual experiment of transient cavitating flow characteristics in the real-size diesel injector nozzle, International Communications in Heat and Mass Transfer 78(2016) : 13-20
江蘇大學(xué)能源研究院黨總支書記、教授、博導(dǎo)。主要研究方向?yàn)椋簞?dòng)力機(jī)械噴霧燃燒理論與技術(shù)、空化兩相流動(dòng)的數(shù)值模擬和試驗(yàn)、能源利用中的熱流體理論與技術(shù)。先后入選江蘇省“333工程”第二層次、江蘇省“青藍(lán)工程”中青年學(xué)術(shù)帶頭人和江蘇省“六大人才高峰”計(jì)劃。主持國家重點(diǎn)研發(fā)子課題、國家基金在內(nèi)的國家、省部級項(xiàng)目近20項(xiàng)，獲江蘇省科技進(jìn)步二等獎(jiǎng)3項(xiàng)（排名第1及第2），教育部科技進(jìn)步二等獎(jiǎng)及其他行業(yè)科技進(jìn)步獎(jiǎng)5項(xiàng)。發(fā)表SCI檢索論文100余篇，總被引近3000次，出版編著3部，授權(quán)國家發(fā)明專利近40項(xiàng)。任中國工程熱物理學(xué)會燃燒專委會委員、中國內(nèi)燃機(jī)學(xué)會燃燒專委會副主任委員、江蘇省可再生能源學(xué)會副理事長、江蘇省工程熱物理學(xué)會理事等職務(wù)。
本期編輯：劉洋 審校：胡皓瑋
文章來源：燃燒科學(xué)進(jìn)展
