柴油機或缸內直噴汽油機中，噴油器的噴霧特性優劣對發動機的燃燒和排放具有關鍵作用。發動機內的噴霧是噴射、油束擴展、油氣混合、破碎、蒸發、碰壁等過程的綜合與疊加，由于噴霧模擬涉及噴霧破碎、氣液動量交換、湍流擴散、液滴蒸發、液滴碰撞和噴霧碰壁等子模型，噴霧模擬一直是難題，特別是缸內氣體的宏觀流動和湍流脈動對噴霧具有強烈影響，模擬時湍流模型的選擇往往對結果有較大影響。

迄今為止，進行噴霧標定或噴霧燃燒時大多使用雷諾平均（RANS）湍流模型。近年來隨著計算機的發展，流體運動仿真逐漸使用大渦模擬（LES）和直接數值模擬(DNS)。目前條件下，DNS計算成本太過高昂，只能局限于低雷諾數及簡單邊界條件，故大渦模擬成為目前湍流理論和應用研究的熱點。

大 渦 模 擬

大渦模擬方法由氣象學家Smagorinsky在1963年提出，當時用于全球天氣預報研究。大渦模擬的基本思想：對湍流中不同尺度的渦進行過濾（使用數學濾波函數，將渦分為大尺度結構和小尺度結構）。

大尺度的渦對平均流動影響較大，各種變量的湍流擴散、熱量、質量和能量的交換以及雷諾應力的產生都是通過大尺度的渦來實現的；小尺度的渦由粘性力產生，主要對耗散起作用，通過耗散脈動影響各種變量。

大尺度結構在流場中占據主導地位，屬于可解尺度量，可被計算網格分辨出來，因而可直接通過求解瞬時三維湍流方程組獲得真實結構狀態；小尺度渦無法直接求解，需要將其通過引入附加應力項來表現其對大尺度渦運動的影響，這樣的模型叫亞格子尺度模型，引入的應力稱為亞格子尺度應力。亞網格尺度模型是影響大渦模擬性能的一個關鍵因素，目前，廣泛采用的亞網格尺度湍流模型有零方程模型、一方程模型和其它不基于亞網格尺度黏度概念的模型等。

由于雷諾平均湍流模型采用的是時間平均，抹去了時間上的脈動值，丟失了流場的很多信息，而LES可以得到很多雷諾時均方法無法獲得的的細微結構和流動圖像，所以本文分別對比使用了兩種湍流模型（分別是RNG k-? 模型和基于動態結構模型的LES模型）的噴霧計算。

1 噴霧仿真模型

圖1所示為使用的噴霧仿真模型，使用ECN（Engine Combustion Network）的spray G噴油器，其噴油規律如圖2所示，噴霧模型建立條件見表1，模型選擇見表2。建立的兩個計算模型除了使用湍流模型不一樣外，其它如噴霧破碎、湍流擴散、液滴蒸發、液滴碰撞和噴霧碰壁等模型都設置一樣，網格設置也相同，最大網格數可達1000萬。

圖1 定容彈內噴霧仿真模型

圖2 噴油規律曲線

表1 噴霧模擬的條件

燃油類型                                IC₈H₁₈

燃油溫度（K）                       363

定容彈內氣體組分                  N₂

定容彈內氣體溫度（K）          573

定容彈內氣體密度（kg/m³）  3.5

定容彈內氣體壓力 ( bar )         5.97

噴孔數                                     8

噴孔直徑（mm）                    0.165

噴射壓力（bar）                     216.677

噴射時間（ms）                      0.78

噴射質量（mg）                     10

表2 模型選擇

湍流擴散模型                          O'Rourke

蒸發模型                                 Frossling

油滴間碰撞模型                       NTC collision

曳力模型                                 Dynamic drop drag

碰壁模型                                 rebound/slide

破碎模型                                 KH-RT

2  RNG k-? 模型模擬 VS 大渦模擬

使用CFD計算，分別得到使用RNG k-? 模型、大渦（LES）兩種湍流模型在1.4ms時刻的噴霧形態圖，如圖3、圖4。

圖3 使用RANS湍流模型1.4ms時刻的噴霧形態

圖4 使用大渦（LES）模擬湍流模型1.4ms時刻的噴霧形態

從圖3、圖4可以看出RNG k-? 模型、大渦模擬兩種湍流模型在1.4ms時刻的噴霧形態有一定差異，使用大渦模擬模型時油滴分布會更散。

圖5、圖6、圖7分別為RNG k-? 模型、大渦模擬兩種湍流模型的SMD變化曲線、液相貫穿距變化曲線、蒸發相貫穿距變化曲線的對比圖。

圖5 SMD變化曲線的對比

圖6 液相貫穿距變化曲線的對比

圖7 蒸發相貫穿距變化曲線的對比

從圖5、圖6和圖7的參數對比來看，使用大渦模擬模型時能得到比使用雷諾平均模型更小的索特平均直徑，更小的液相貫穿距和蒸發相貫穿距。當然，使用大渦模擬模型得到SMD和蒸發相貫穿距都比使用了RNG k-?模型的較小，但影響較小，主要是對液相貫穿距的影響較大。

使用不同湍流模型后會導致計算得到的流場結構有很大差異，所以能看到如圖8至圖11所示流場中的各個變量的分布有很大差異。

圖8 1.4ms時刻同一截面上速度分布對比

圖9 1.4ms時刻同一截面上密度分布對比

圖10 1.4ms時刻同一截面上溫度分布對比

圖11 1.4ms時刻同一截面上燃油質量分數分布對比

從這些變量的分布云圖的對比可以看出，大渦模擬能捕捉到湍渦的小尺度隨機結構，也更能捕捉到湍流擴散、卷吸作用等噴霧發展的細節，總的來說，大渦模擬預測的燃油噴霧的各項特性均優于RANS模型。當然，由于缺乏與試驗數據的對比，所以不能單從流場信息做判斷，下一步將依據試驗結果，結合不同湍流模型、不同網格密度進行探討，并通過調整破碎模型的相關參數對計算結果進行標定，敬請期待。

【參考文獻】

1、P. K. Senecal, E. Pomraning, K. J. Richards,S. Som. An Investigation ofGrid Convergence for Spray Simulations using an LES Turbulence Model.SAETechnical Paper2013-01-1083, doi:10.4271/2013-01-1083.

2、L. Bravo, M. Kurman, C. Kweon,S. Wijeyakulasuriya , P.K. Senecal.LagrangianModeling of Evaporating Sprays at Diesel Engine Conditions: Effects ofMulti-Hole Injector Nozzles with JP-8 Surrogates.ILASS Americas 26th AnnualConference on Liquid Atomization and Spray Systems, Portland, May 2014.

來源：多相流在線  

作者：何俊偉