机车柴油机喷油嘴三维流场数值模拟及其改进研究[1]

喷油嘴喷孔内流动特性数值仿真与试验分析谢阳;罗麒元;麻剑;许沧粟【摘要】采用X射线相衬成像技术研究喷嘴喷孔内试验的流动特性,验证数值仿真结果.利用CFD软件模拟得到入口压力下燃油的质量流量、空穴分布、有效喷射速度与无量纲流动系数,结合试验数据对流动特性进行分析.结果表明:X射线相衬成像技术的成像效果良好,仿真结果与试验结果吻合较好;喷射压力越高,更容易进入临界超空穴状态;喷孔出口速度的增幅略大于体积流量的增幅;雷诺数随着喷射压力的上升呈幂函数型上升,空穴数随着雷诺数的增加呈指数下降,流量系数都随着雷诺数的上升缓慢增加直至趋于稳定.【期刊名称】《浙江大学学报（工学版）》【年(卷),期】2016(050)001【总页数】6页(P111-115,165)【关键词】柴油机;空穴;X射线;相衬成像【作者】谢阳;罗麒元;麻剑;许沧粟【作者单位】浙江大学动力机械及车辆工程研究所,浙江杭州310027;浙江大学动力机械及车辆工程研究所,浙江杭州310027;浙江大学动力机械及车辆工程研究所,浙江杭州310027;浙江大学动力机械及车辆工程研究所,浙江杭州310027【正文语种】中文【中图分类】TK421现代柴油发动机多配备高压共轨喷射系统.柴油通过喷油器的多喷孔直接向缸内喷射,从而实现更好的排放性能.高压共轨系统会加剧燃料在孔内的湍流度[1].研究表明,燃油喷雾的形成及雾化过程受到喷嘴内湍流和空穴的影响,并且喷孔内空穴引起的液流紊乱对孔外雾化的影响远远大于周围空气摩擦的影响[2-3].近年来,随着相关测试技术的发展,对喷孔内空穴流动特性的各项研究逐渐发展起来.X 射线相衬成像技术作为一项新型的测试技术,得到了极大的发展.目前,国外已有文献运用同步辐射X射线相衬成像技术来对喷雾机理以及喷孔内的流动特性进行研究[4-5].试验成像的效果良好.目前,国内利用该项技术探究喷孔内的空穴流动特性较少[6].由于真实喷孔的尺寸极小,使用可视化手段难以识别小区域内的流态变化,为了降低这种情况的影响,选用放大喷孔是一种较好的解决方法[7-12].相似准则[7]是在设计放大喷孔时的主要理论依据.为了消除喷孔曲面的影响,采用二维平面喷嘴可以直观地观察孔内流动状态的变化[7-11].本文采用X射线相衬成像技术研究喷嘴喷孔内试验的流动特性,配合数值仿真结果进行相互验证,探究该技术的可行性.通过试验和CFD仿真计算了不同喷射压力下喷孔内流量及喷孔出口处有效喷射速度等,并配合空穴数、雷诺数和韦伯数进一步分析喷射压力对孔内流动特性参数的影响.测试燃料选取市售0#柴油.柴油的理化特性如表1所示[13-14].表中,ρ、μ、pv和σ分别为密度、黏度、饱和蒸汽压和表面张力.采用上海光源( SSRF )的第3代同步辐射光源,研究喷孔内的流动特性.试验系统如图1所示,包括比例放大的喷油器、稳压供油系统、X射线成像及采集系统.二维喷孔模型如图2 所示.喷孔的几何参数如下：喷孔宽度为5 mm,考虑到部分真实喷嘴的长径比为1.8,因此选取9 mm作为喷孔长度,厚度为2 mm.透明视窗的材料采用聚稀亚胺.该材料有利于X射线的穿透,并且能够在高温下保持良好的力学强度.如图1所示,试验开始时,打开减压阀,使得氮气瓶中的气体进入油箱,从而将柴油压入供油管路,打开开关,燃油喷入大气环境中的回油槽(背压约为0.1 MPa).此时,流量计和喷嘴上方的压力计开始读数,调整减压阀使得喷嘴上方压力表示数达到试验设定值的一定范围内,待压力稳定后启动X射线源,此时图像采集系统通过ICCD相机采集2 s的图像.一次试验完成后,通过改变进入油箱的气压来调节喷射压力,从而得到不同喷射压力条件下喷孔内的流动状况.流量计与压力表的数据直接由采集系统采集后,与图像系统采集的相片同时间轴输出,因此数据的处理较方便.考虑到喷孔上游及下游燃烧室对喷孔内柴油流动的影响,选择上游10 mm喷孔以及下游燃烧室12 mm区域作为计算区域.采用混合网格划分区域,对喷孔入口拐角处进行加密处理,得到精度更高的结果.如图3所示为喷孔网格图.在验证网格独立性后,选择网格数为623 548作为后续计算的基础.数值模拟采用 ANSYS 软件,利用均相模型计算空穴现象.对喷孔内部的空穴流动进行气液两相湍流数值模拟,以 Rayleigh 所发展的单气泡溃灭模型,湍流模型选用Jones和Launder提出的标准k-ε模型；进出口均采用压力边界,入口压力设置为0.15、0.20、0.25、0.30、0.35、0.40 MPa,背压设置为0.101 MPa；固壁处理,两相间流速无滑移；由于较高入口压力带来的强湍流度,使用给定湍流强度I和湍流长度l来取代湍动能k和耗散率ε；压力修正采用SIMPLE算法；采用一阶迎风格式.为了区别喷孔内的单相流与空穴流,并反映空穴出现后的发展程度,引入无量纲空穴数K来判断空穴初生：流量系数Cd是影响喷油器设计的一个主要因素.随着孔内流动状态的改变,流量系数随之改变.Cd的定义如下：通过式(2)得到的K和Cd,结合雷诺数和韦伯数(式(3)和(4)),可以更清晰地展示孔内流动状态.网格数对模拟计算精度有很大的影响,因此对网格独立性的验证是必要的[16].本文预先对网格独立性进行验证.如图4所示为当入口压力为0.2 MPa,背压为0.1 MPa 时,孔内的质量流量随网格数n增加的变化情况.通过大量的计算显示,当网格数达到54 298时,后续的质量流量已经保持恒定.为了保证计算的精度,后续计算的网格数选择为62 548.很多实验表明：在相同背压下,随着喷射两端压差不断增加,体积流量逐渐增大.如图5所示为喷孔出口处体积流量随入口压力变化的曲线.由图5(a)可见,在相同背压的情况下,体积流量都随着入口压力的增加呈幂函数型增大,这与理论预测一致.相比于体积流量,燃油出口处的有效速度(液相平均速度)能够更直观地反映喷射状况.有效速度的定义如下.试验结果为从图5(b)可以看出,有效喷射速度随着入口压力的不断上升而增加,有效速度增幅略大于体积流量.这是由于喷孔内的超空穴现象减小了喷孔出口的有效面积,从而进一步加剧了有效喷射速度.在试验时,供油系统采用氮气提供压力,因此供油管路中的压力存在一定的波动,从而导致了体积流量存在波动值.为了便于数据处理,对体积流量进行取平均处理.如图6所示为体积流量波动偏差分析.可以看出,体积流量的偏差η随着入口压力的不断提高而下降,从最高的14%降低至4%.这是由于在压力表后端的管路中存在一定的沿程损失,入口压力增加产生的沿程损失在总动能中的占比不断下降.本试验基于X射线相衬成像技术,图像采集系统得到的图像难以直接识别,因此将图像矩阵化,并与背景图片进行差值处理,获得较清晰的孔内流动状态的图片.部分图片经过再次运算处理来加强需要分辨的细节.如图7所示为当环境温度为293 K,喷射背压为0.101 MPa时,不同入口压力下喷孔内空穴分布图(包括试验与数值仿真结果).图中,标尺为数值模拟结果,纯液相用1表示,纯气相用0表示.在喷孔平面截图中,通过对比孔内的平均气相区域,当喷孔入口压力达到0.15 MPa时,喷孔内的流动状态处于紊流状态,无空穴出现,这与试验结果(见图7(a))相符.如图7(b)所示为当入口压力为0.2、0.25 MPa时,CFD结果与试验结果喷孔内气液分布云图的对比.当入口压力为0.2 MPa时,孔内出现少量空穴,随着入口压力的增大,空穴向喷孔出口发展.当入口压力达到0.4 MPa时,CFD模拟计算结果中喷孔内流动状态进入超空化,试验结果(见图7(c))验证了这点.图8给出雷诺数在不同的入口压力情况下的比较.雷诺数(Reynolds number)与流场内部的湍流度呈正相关.雷诺数随着入口压力的增加而呈对数上升,喷孔内的湍流度不断上升.由于雷诺数正比于孔内流体的有效速度,而有效速度与喷嘴出、入口的压差的平方根成正相关,随着喷射压力的增加,有效速度增长趋缓,从而导致孔内湍流度的加剧程度变缓.这与图7相印证.图9给出雷诺数和韦伯数对空穴数的影响情况.在背压和燃料温度保持不变的情况下,空穴数随着入口压力的增加而减小.图9(a)表明：空穴数随着雷诺数的增加而呈指数下降.在紊流区域内,空穴数显著下降；在空化流区域,空穴数下降趋势放缓.根据式(1)的定义可知,当喷射的背压和流体的饱和蒸汽压为定值时,空穴数随着入口压力的上升而下降,并且这种趋势会逐渐放缓.由于空穴数与喷嘴出入口压差的倒数成正相关,雷诺数与喷嘴出入口的压差的平方根成正相关,因此空穴数随喷射压力的衰减程度强于雷诺数,呈现出指数式下降；同时,韦伯数对空穴数的影响与雷诺数相似. 如图10所示为不同入口压力下流量系数随雷诺数变化的情况.当喷孔内流态逐渐进入空穴流时,流量系数增加.当孔内流动进入空穴流后,随着雷诺数的不断增加,流量系数趋于稳定.(1)X射线相衬成像技术可以用来探究喷孔内的流动特性.X射线相衬成像技术获取的图像经过一定的处理能够清晰地展示喷孔内的流动状态.同时,仿真结果与试验结果能够较好地吻合.(2)试验和数值计算都表明,在一定的背压条件下,质量流量随着入口压力的增加而增大,而有效速度的增幅较大,并且当入口压力达到一定值(本试验为0.4 MPa)时,喷孔内流态进入超空化状态.(3)雷诺数随着喷压的上升呈幂函数型上升,空穴数随着雷诺数的增加呈指数下降,流量系数都随着雷诺数的上升而增加、直至趋于稳定.。

高原环境柴油机喷嘴内部流场与缸内温度场的三维数值模拟李华莹;刘建敏;郭猛超【摘要】The model of working process for diesel engine run in plateau was proposed with Htroyasu quasi-dimensional model and its feasibility was verified by the engine bench test. Taking the quasi-dimensional results as the boundary conditions of nozzle internal gas-fluid flow and in-cylinder combustion simulation, the influences of low pressure, low temperature and little oxygen environment on fuel flow state and distribution inside nozzle and in-cylinder combustion process were simulated. The calculated results of 3 700 m altitude show that, compared with the plain environment, the cavity phenomenon inside diesel engine nozzle intensifies, the fuel flow velocity increases and the unevenness of fuel distribution in nozzle outlet increases. The average in-cylinder combustion temperature in plateau is 300 ℃ higher than that in plain and distributes uneven, and the local thermal loads of chamber are on the high side. The research elementarily reveals the degradation mechanism of diesel engine plateau performance, which brings the reference for improving engine high-altitude performance by optimizing the in-cylinder spray and combustion process.%采用广安博之等准维模型,建立柴油机高原运行工作过程模型；通过环境模拟台架试验验证了模型的可信性.将准维计算结果作为喷嘴内部气液两相流动和缸内燃烧三维模拟的初始条件,就高原低压、低温、低氧条件对喷孔内燃油流动状态与分布、缸内燃烧过程的影响进行三维数值模拟.海拔3700 m 计算结果表明:与平原环境相比,柴油机喷嘴内空穴现象加剧,燃油流动速度增加,喷孔出口燃油分布不均匀度增加；缸内燃烧平均温度比平原最多高出300℃且分布不均匀,燃烧室局部热负荷偏高.研究初步揭示了高原环境柴油机性能劣化机理,为通过优化缸内喷雾和燃烧过程改善高原运行发动机性能提供参考.【期刊名称】《车用发动机》【年(卷),期】2012(000)005【总页数】5页(P56-60)【关键词】高原环境;柴油机;喷嘴;流动分布;燃烧过程;温度场【作者】李华莹;刘建敏;郭猛超【作者单位】装甲兵工程学院机械工程系,北京 100072;装甲兵工程学院机械工程系,北京 100072;装甲兵工程学院机械工程系,北京 100072【正文语种】中文【中图分类】TK427。

发动机燃油喷射器流场建模与优化设计发动机燃油喷射器是现代内燃机中最关键的元件之一，其性能对发动机的功率、燃油效率和排放等方面都会产生巨大的影响。

对于现代高性能发动机来说，燃油喷射器的精度和稳定性愈发重要。

为了提升燃油喷射器性能，科学家们开展了众多的基础和应用研究，其中流场建模和优化设计是其中重要的一环。

发动机燃油喷射器流场建模发动机燃油喷射器是一种薄壁壳体，内部有一系列的孔口，决定了其喷油性能。

在设计喷油器前，需要对喷口和内部孔道进行一定的流场计算和模拟，以理解内部喷油过程。

常见的燃油喷射器流场计算方法包括有限元分析、数值模拟和经验公式等。

其中，数值模拟方法在流场建模方面表现较好，已经成为流场计算的主要方法。

其中最常用的模拟方法是计算流体力学(CFD)方法，也是基于质量守恒和动量守恒定律来进行喷洒分析。

采用CFD模拟方法需求分两步进行：建模和求解。

关于建模来说，模型的准确性和真实性是非常关键的。

参数选择、提取边界条件、全场网格划分和模型验证等步骤都非常重要。

建成的模型之后，就是求解模型了。

在求解模型之前，我们还需要处理一下误差和不确定性方面的问题。

发动机燃油喷射器改进优化设计对于发动机燃油喷射器，提升其稳定性、精度和流量稳定性等方面都是研究重点。

针对这些问题，通常采取的方法是优化设计。

在进行优化设计时，我们可以通过对不同因素进行实验和模拟，然后通过多属性加权和优化算法来设计燃油喷射器。

这里我们重点对不同优化算法的特点进行讨论，以下是几种经常使用的优化算法：1.遗传算法(Genetic Algorithm)：遗传算法是自然选择和自然遗传的数学模型，通过不断地迭代进化，将最优解或近似最优解逐渐提升。

遗传算法在优化多目标多约束问题方面非常有效。

2.模拟退火(Simulated Annealing)：模拟退火算法是优化算法中的一种启发式算法，通过对解的随机搜索，以随机概率接受次优解的方式提高搜索的效率。

高压共轨喷油器内部瞬态流动三维数值模拟罗新浩 王谦（江苏大学能源与动力工程学院，镇江212013）摘要：喷油器的内部流动以及后续的喷雾特性直接影响了柴油机的排放和经济性能，对喷油嘴的内部流动进行三维瞬态数值模拟分析就显得更为重要。

利用计算流体力学软件STAR-CD 建立三维动态计算网格并进行模拟分析，得到了喷嘴内部的压力分布和喷孔出口的平均速度变化等信息。

计算结果可为缸内喷雾研究提供更真实的边界条件，以及对喷嘴结构参数的优化设计具有指导意义。

Abstract ：The investigation of the three-dimension transient flow characteristics inside the nozzle becomes more and more important because the flow status in the nozzle and fuel injection immediately influence the emission and economy performance of diesel engines.The three dimension dynamic model was performed by computational fluid dynamics software package STAR-CD.The results including pressure distributing and average velocity in the nozzle can provide more realistic boundary conditions for the spray model ，which are very useful for the optimum design of the nozzle structure parameters.关键词：高压共轨 柴油机 数值模拟 喷嘴 CFDKey words ：High-pressure common-rail ，Diesel engine ，Numerical simulation ，Nozzle ，CFD1 前言燃油喷射系统对柴油机的动力性、经济性和排放性发挥着重要作用。

柴油机喷嘴结构优化的数值模拟分析
何志霞;袁建平;李德桃;梁凤标
【期刊名称】《内燃机学报》
【年(卷),期】2006(024)001
【摘要】柴油机喷嘴头部细微结构的变化对内部流动有显著的影响,进而影响到喷雾油束雾化性能.利用混合多相流空穴模型对STD(Standard)标准型、VCO(Valve Closed Orifice)无压力室型及IMPROVED改进型的垂直多孔喷嘴内部完全发展了的空穴流动进行了不同针阀升程下的三维数值模拟,通过对比分析得出改进型喷嘴能在低喷油速率下获得相对良好的喷雾性能,综合特性优于STD标准型和VCO无压力室型喷嘴.
【总页数】7页(P35-41)
【作者】何志霞;袁建平;李德桃;梁凤标
【作者单位】江苏大学,能源与动力工程学院,江苏,镇江,212013;江苏大学,流体机械工程技术中心,江苏,镇江,212013;江苏大学,能源与动力工程学院,江苏,镇江,212013;江苏大学,能源与动力工程学院,江苏,镇江,212013
【正文语种】中文
【中图分类】TK421.5
【相关文献】
1.新型旋流引射喷嘴数值模拟及结构优化 [J], 肖鹰;张英;厉勇;徐宏;王元华
2.柴油机喷嘴内流场的数值模拟分析 [J], 曾东建;黄海波;贾友昌
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5.双燃料喷嘴气体燃料路数值模拟与结构优化 [J], 徐海成;徐文燕;杨强;李名家因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。

柴油机燃烧室流场模拟与优化设计一、引言柴油机作为一种常见的内燃机，广泛应用于汽车、发电机组等领域。

燃烧室是柴油机关键组成部分之一，直接影响其燃烧效率和排放性能。

为了提高柴油机的工作性能，研究人员不断努力，其中流场模拟和优化设计是重要的研究方向之一。

本文将针对柴油机燃烧室流场模拟和优化设计进行深入探讨。

二、柴油机燃烧室流场模拟1. 数值模拟方法在柴油机燃烧室流场模拟中，数值模拟方法是一种常用的研究手段。

通过建立数学模型和计算方法，可以模拟燃烧室内的流场和燃烧过程。

数值模拟方法的优势在于可以获得燃烧室内各参数的分布情况，以及对不同工况进行仿真分析。

2. 流场模拟参数在柴油机燃烧室流场模拟过程中，需要考虑的主要参数有进气流速、喷油量、缸内压力等。

这些参数直接影响燃烧室内的流场分布和燃烧过程。

通过调整这些参数，可以优化柴油机的工作性能，提高燃烧效率和降低排放。

三、柴油机燃烧室流场优化设计1. 流场优化设计目标柴油机燃烧室流场优化设计的目标是改善气体混合、减小燃烧不均匀性、降低湍流强度等，从而提高燃烧效率和降低排放。

为了达到这些目标，需要根据燃烧室特点和工况要求，结合流场模拟的结果进行优化设计。

2. 流场优化设计方法在柴油机燃烧室流场优化设计中，可以采用多种方法，如喷油系统优化、燃烧室形状改变等。

其中，喷油系统是影响燃烧室流场的重要因素之一，通过改变喷油量、喷油角度等参数可以优化燃烧室内的气体混合情况。

此外，通过改变燃烧室的形状、增加缸内增容等措施也可以改善流场分布和湍流强度。

四、柴油机燃烧室流场模拟与优化设计案例以XX柴油机为例，使用流体力学软件进行燃烧室流场模拟和优化设计的案例。

首先，通过数值模拟方法建立柴油机燃烧室的几何模型和计算域。

其次，设置燃烧室进气流速、喷油量等参数，并进行初始条件和边界条件的设定。

然后，进行流场模拟，获得燃烧室内的速度、压力等参数分布。

最后，根据模拟结果进行优化设计，通过改变喷油系统和燃烧室形状等方式，优化燃烧室流场分布，提高燃烧效率。

柴油机喷嘴内部空穴流动的三维瞬态数值模拟
周华;王谦;马建英
【期刊名称】《郑州轻工业学院学报（自然科学版）》
【年(卷),期】2009(000)001
【摘要】建立了柴油机喷嘴内部空穴两相流动的三维气液两相流模型,并针对多孔垂直喷嘴进行了喷孔内部空穴两相瞬态流动的数值模拟;研究了喷嘴内部的瞬态速度场、压力场和湍动能的分布特点.通过计算可知,湍动能主要集中在喷孔上部空穴区,随着针阀升程的增大,喷孔入口的环状压降愈加明显,入口上拐角处形成的涡流区范围不断扩大.同时分析了不同针阀升程下空穴流动特性,获得了空穴产生、发展过程的规律,为进一步准确模拟和分析喷雾特性提供依据.模拟计算结果与已有的实验结果吻合较好.
【总页数】5页(P75-79)
【作者】周华;王谦;马建英
【作者单位】江苏大学,能源与动力工程学院,江苏,镇江,212013;江苏大学,能源与动力工程学院,江苏,镇江,212013;淄博市产品质量监督检验所,山东,淄博,255071【正文语种】中文
【中图分类】TK41
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1.船用柴油机高压喷嘴空穴流动的瞬态数值分析 [J], 景国辉;闫萍;谌祖迪
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5.垂直多孔喷嘴内部空穴两相流动的三维数值模拟分析 [J], 何志霞;李德桃;王谦;袁建平;胡林峰
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文章编号:1000 2472(2006)04 0050 05柴油机的性能改进及缸内工作过程的三维数值模拟杨 靖 ,肖明伟,崔东晓,邓帮林,周 剑(湖南大学机械与汽车工程学院,湖南长沙 410082)摘 要:论述了1105柴油机的改进原理,对改进前的花瓣型燃烧室和改进后的盆形燃烧室建立了几何模型并划分动态网格.利用仿真软件STAR-CD 对改进前后的1105柴油机的燃烧过程进行三维数值模拟,计算了两种不同燃烧室的缸内气相流场及其燃烧的温度场和压力场,并进行了对比分析.试验结果表明,模拟计算值与实测值基本吻合,改进后的盆形燃烧室的1105柴油机有更好的动力性和燃油经济性.表明在模拟精度达到一定水平时,发动机缸内燃烧过程的三维仿真计算可用来降低产品的研制周期和费用,是一种有效的研究和设计手段.关键词:柴油机;燃烧室;工作过程;数值模拟中图分类号:TK421.2+,TP391.9 文献标识码:APerformance Improvement of Diesel Engine and 3D Simulation of the In Cylinder Working ProcessYANG Jing ,XIAO M ing w ei,CU I Dong x iao,DENG Bang lin,ZHOU Jian(College of M echanical and A utomotive Eng ineering,Hunan U niv,Changsha,Hunan 410082,China)Abstract:T he principle of the improvem ent about 1105diesel engine w as discussed.The 3D geometric models of the flow er shape combustion chamber and bowl shape combustion chamber w ere established,and the dynamic grid w as created.The 3D simulation of combustion process w as achieved both on the improved 1105diesel eng ine and its orig inal one by using the STAR CD softw are.The details of in cylinder gas fluid,tem pera ture field and pressure field were calculated and compared w ith each other.The accuracy of numerical simulation w as proved by comparing the results of simulation w ith experiment data.The results show ed that the power of the improved diesel engine w as increased significantly,and its fuel consumption w as decreased.It w as proved that the com puter simulation w ith high accuracy w as effective and could reduce the cost and shorten the time of product development.Key words:diesel engine;com bustion chamber;working process;numerical simulation内燃机缸内工作过程的数值模拟,能够用于分析和预测缸内气体流动过程的湍流参数的变化、燃油粒子的空间分布、可燃气体的浓度分布、缸内温度和压力分布以及各种燃烧产物的浓度分布等,从而可以为我们研究内燃机的性能和排放提供有效的参考依据和手段[1-3].本文运用流体分析软件STAR收稿日期:20051115基金项目:湖南省科委纵向科研项目作者简介:杨 靖(1957-),女,湖南益阳人,湖南大学副教授 通讯联系人.E mail:yangjing10@第33卷 第4期2006年8月湖南大学学报(自然科学版)Journal of Hunan U niversity (N atural Sciences)Vol.33,No.4Aug 2006CD对改进前后的1105柴油机的缸内工作过程进行了模拟计算,较详细地展示了缸内气相流场、温度场及压力场,并做了对比分析及试验验证.1 1105柴油机的改进原1105柴油机采用梅花瓣型燃烧室,其设计的主导思想是将进气旋流的一部分通过燃烧室的梅花形状转换为紊流以促进燃烧.这一设计在低转速和喷雾特性不理想时,特别是喷雾贯穿度达不到要求时对促进燃烧具有一定的效果,而在高转速下效果并不理想,并且变工况适应性也不好.其原因在于: (1)为了防止活塞与进、排气门相碰,活塞顶面设有两个浅凹坑,当压缩接近终了时,凹坑的形状干扰和削弱了压缩挤流的强度,显然在燃烧初期的反挤流也会被衰减;(2)当气流进入活塞顶的燃烧室空间后,进气旋流又受到四个梅花瓣的阻尼作用,使进气旋流进一步衰减.所以到了燃烧后期,进气时所形成的旋流将被严重衰减,致使燃烧缓慢和冒烟等[4,5].原柴油机燃烧室为 型,这是因为理论上,在燃烧室中心存在一涡核死区,在这一区域内气流运动线速度小,燃油少,涡流与紊流小,因而油气混合质量差,这时燃烧室底部的凸形锥台可以与喷注锥体相适应,有利于使空气集中在喷注附近并且减少燃烧室内的 死区,能有效地加快燃烧和改善排放.但实际上,进气涡流是行星涡流,无法准确计算出死区实际直径的大小.当涡流足够强,涡环直径足够大时,燃烧室内将不存在死区,这时底部中心的凸起反而严重阻碍混合气形成及其燃烧.同时,原1105柴油机气道实验结果显示,其进气阻力比较大且涡流强度弱,致使发动机的充量系数和进气涡流强度均不理想.通过计算机仿真分析,将原来的梅花瓣型燃烧室改为普通的盆形燃烧室,并将燃烧室的位置作了相应的调整,有效地避免了挤流和涡流的衰减,同时使喷雾相对于燃烧室的 落点更加合理.本文利用仿真软件对改进前后的柴油机缸内气相流场及其燃烧的温度场和压力场进行了仿真计算并作了相应的分析.2 几何模型建立及网格的划分由于受到计算机硬件设备的限制,在保证模拟计算结果精度能满足要求的前提下,对实体结构进行了简化处理.1105柴油机采用四孔喷油嘴,且每个喷孔喷油量相同,而燃烧室相对于气缸中心的偏心量亦很小,因此只采用完整几何体的四分之一模型[6-8].这样,用于计算的几何模型为一个包括气缸和活塞顶四分之一的几何实体.燃烧室几何模型建立后,我们就必须对其区域离散化,即划分网格.由于燃烧室边界的运动性,必须及时定义其运动以适应边界的运动.本文采用内燃机专用网格生成器ES-ICE,它可以方便地生成动网格,以便对燃烧进行瞬态分析.划分的网格主要为六面体,但为了能准确反映出燃烧室形状,在燃烧室边角处,活塞与缸盖交界处采用了混合网格模式,即单元中包含很少的四面体和棱柱体[8].3 计算结果分析3 1 模拟计算中柴油机的参数表1为改进前后1105柴油机的参数.表1 1105柴油机的参数Tab.1 The reference of1105dielel改进前改进后气缸直径/mm105105行程/mm115115压缩比17.517供油提前角/(!CA)1818转速/(r∀min-1)220022003 2 气相流场的模拟结果及分析图1为1105柴油机改进前后花瓣型和盆形燃烧室不同曲轴位置时气缸纵剖面的速度矢量图,图中单位为m/s.由图1可以看出,改进后的盆形燃烧室产生的挤流强度要大于改进前的花瓣型燃烧室.较强的挤流运动可以增强燃烧室内的湍流强度,更好地组织缸内的气体运动,有利于提高燃烧效率.当活塞下行时,燃烧室中的气体向外流到环形空间,产生的逆挤流将有助于将燃烧室内的混合气流出,使其进一步和气缸内的空气混合燃烧.3 3 燃烧过程的模拟结果及分析图2为1105柴油机改进前后花瓣型和盆形燃烧室不同曲轴位置时气缸纵剖面的压力场图,图中单位为Pa.51第4期杨 靖等:柴油机的性能改进及缸内工作过程的三维数值模拟图1 改进前后缸内速度矢量图Fig.1 T he velocity diagram befo re and after improv ement从图2中对比可以看出,在5!BTDC 的时刻,改进前的柴油机缸内压力要明显高于改进后的柴油机,此后其缸内压力急剧升高,在5!ATDC 附近达到最大值,为7.32M Pa.而改进后的盆形燃烧室的最高爆发压力出现在12!AT DC 附近,为7MPa.由此可见,柴油机改进后,其压力升高率和最高燃烧压力都有所降低,从而避免了燃烧室壁面以及活塞、曲轴等机件受到强烈冲击,降低了机械冲击负荷和噪声,使发动机工作更柔和,运转更平稳.图3为1105柴油机改进前后花瓣型和盆形燃烧室不同曲轴位置时气缸纵剖面的温度场图,图例单位为#.52湖南大学学报(自然科学版)2006年图2 改进前后缸内压力场图F ig.2 T he pressure field before and after improvement图3 改进前后缸内温度场图F ig.3 T he temper ature field before and after impr ovement在柴油机压缩行程中,缸内温度不断上升,燃料的自燃温度因压力升高而不断下降.燃油喷入气缸时,缸内的温度远高于燃料在当时压力下的自燃温度,但燃料并不马上着火,而是有一个滞燃期,由图3(a)中可以看出.在随后的急燃期和缓燃期内,缸内的温度持续上升至最大值.由图3(b)和图3(c)中可以清晰地看到:在火焰传播的过程中,由于燃烧所产生的小涡流,燃烧膨胀的气体推动活塞向下运动时,在燃烧室附近形成逆挤流,带动燃烧室内的高温燃气流向余隙容积,使火焰传进余隙容积内.由图3中可以看出,改进前的柴油机缸内最高温度出现在9!ATDC,为2180#;改进后柴油机缸内最高温度出现在18!ATDC 时刻,为2153#,比改进前略低.4 试验结果与模拟计算结果的比较图4为改进后的1105柴油机在2200r/min,供油提前角为18!时的实验值与改进前后的数值计53第4期杨 靖等:柴油机的性能改进及缸内工作过程的三维数值模拟算示功图对比.图4 1105柴油机的P - 图Fig.4 T he P - figure of 1105diesel由图4可知,改进设计后的1105柴油机上的实验值与数值计算所取得的结果比较吻合,误差在5%左右,这说明三维数值模拟的正确性较好.对于柴油机而言,降低噪声(使柴油机平稳运转)与提高经济性(使柴油机经济运转)之间往往发生矛盾.为了减少燃烧噪声及降低机械负荷,希望降低压力升高率及最高燃烧压力;而欲使柴油机有较高的效率,希望燃料尽量在上止点附近燃烧.降低压力升高率就意味着较多的燃料不在上止点附近燃烧,其结果使燃烧拉长,柴油机热效率下降,燃油消耗率增高.因此,比较适合的放热规律是希望燃烧先缓后急,即开始放热要适中,以满足运转柔和的要求;随后燃烧要加快,使燃料尽量接近上止点附近燃烧[5].由图4可以看出,改进后的盆型燃烧室最高爆发压力要低于花瓣型燃烧室,到达最高压力的时间要比花瓣型燃烧室迟,而且燃烧放热后期压力高于花瓣型燃烧室.这说明盆形燃烧室放热规律是先缓后急,因此运转更为柔和,燃烧噪声减小,而且燃烧更充分,燃油消耗率下降,功率提高.此外,还进行了标定转速(2200r/min)下的负荷特性试验,测试结果如表2所示.表2 1105柴油机改进前后性能参数对比Tab.2 The difference of 1105diesel referencebetween before and after improvement改进前改进后最大功率/kW 12.314.7扭矩/(N ∀m)6263.9最低燃油消耗率/(g/kW ∀h )232225.2排气温度/#535538烟度/(FSU)2.72.5由表2中试验数据可知,1105柴油机改进后,其最大功率和扭矩都有较大程度的提高,而最低燃油消耗率有所降低,排气温度基本不变,烟度也比原机略低.5 结 论本文在对燃烧过程优化分析的基础上,对1105柴油机的燃烧室做了相应的改进.建立了改进前后的模型,并进行了三维数值模拟计算,根据计算结果对比分析了改进前后的1105柴油机的缸内工作过程.对比发现,改进后的盆形燃烧室能充分利用涡流能量、加快混合气形成、提高空气利用率、缩短燃烧时间、改善燃烧条件.试验表明,数值模拟结果与试验结果较吻合,改进后的机型的整机性能相对于改进前有了较大的提高.研究结果同时表明,发动机的缸内工作过程的三维数值模拟计算具有较高的可信度,它有利于缩短和降低产品的研制周期和费用,是一种有效的研究和设计手段.参考文献[1] 许元默,帅石金,王燕军.发动机缸内数值模拟现状及发展方向[J].小型内燃机与摩托车,2002,31(5):36-41.XU Y M ,SHUAI S J,WANG Y J.In cylinder numberical simula tion and the devel opment trend of engines [J ].Small Internal Combustion Engi n e and M otorcycle,2002,31(5):36-41.(In Chinese)[2] GONZALES M A,LIN Z W ,RE IT Z R D.M odeling diesel engine spray vaporization and combusti on[C]∃SAE Paper 920579.[3] 高文志,赵明,贾贵起,等.柴油机工作过程模拟计算[J].小型内燃机与摩托车,2004,33(6):3-5.GAO W Z,ZHAO M ,JIA G Q,et al.Operating process simul at ing calculation of diesel[J ].Sm all Internal Combustion Engine and M otorcycle,2004,33(6):3-5.(In Chinese)[4] 杨靖,李克,潘朝晖.105系列直喷式柴油机新燃烧系统开发[J].内燃机工程,2003,24(6):13-16.YANG J ,LI K,PAN Z H .Development of direct injection com bustion s ystem of 105series diesel engines [J ].Ch i nese Internal Combustion Engine Engineering,2003,24(6):13-16.(In Ch i nese)[5] 杨靖,任承钦,谢惠民.直喷式柴油机燃烧过程的合理组织[J ].湖南大学学报(自然科学版),2001,28(4):49-53.YANG J,REN C Q ,XIE H M.On burni ng process formati on of the direct injection diesel engines[J].Journal of Hunan University (Natural Sciences),2001,28(4):49-53.(In Chinese)[6] KONG S C,HAN Z,REIT Z R D.The development and application of a diesel igni tion and combustion model for multidimensional engine simulation[A]∃SAE paper 950278.[7] 贺萍.直喷式柴油机喷雾碰壁混合三维数值模拟及实验研究[D].武汉:华中理工大学,1996.HE P.T hree dimensional numerical modeling and experiment study on spray w all i m pingement in D.I.diesel engines [D ].Wuhan :Central China University of T echnology ,1996.(In Ch i nese)[8] 杜爱民.直喷式柴油机缸内气体流动和喷雾过程的三维数值模拟[D].镇江:江苏理工大学,1996.DU A M.T hree dimensional numeri cal simulation of th e fluid flow s and spray process in ID diesel engine[D].Zhenjiang :Jiang su University of Science and Technol ogy,1996.(In Chinese)54 湖南大学学报(自然科学版)2006年。

柴油机高压喷油嘴喷射过程空化效应数值模拟鄂加强;邢德跃;王曙辉;龚金科;袁文华;钱承【摘要】In order to reveal the cavitation mechanism of diesel injection process, a numerical model has been developed to investigate the cavitation processes in injector nozzle according to the conservation of mass, momentum and the basic rules of the mixture fraction balance. Then, the numerical simulation results of cavitation effect were analyzed. It is discovered that the atomization performance of high pressure injection nozzle becomes poor and the vapor volume fraction and the thickness of cavitation in the injector nozzle decrease, and the radius of the nozzle inlet rounding lip tends to increase. The numerical study also points out that the amplitude of inlet pressure is reduced with the small variations of outlet mass flow, which is better for the accurate control of injection quantity. The nozzle internal cavitation phenomenon is strengthened at elevated fuel temperature and injection pressure conditions. However, increasing the injection pressure is more conducive to enhancement atomization.%为揭示柴油机高压喷油嘴喷射过程空化机理,根据质量守恒、动量守恒、混合组分平衡的基本规律建立了高压喷油嘴喷射过程空化效应数学模型,并对高压喷油嘴喷射过程空化效应进行了数值模拟分析,得出了曲率半径、压力波动幅度及柴油的部分物理参数对高压喷油嘴喷射过程空化效应的影响规律:随着喷油嘴入口处的曲率半径增大,喷孔内气相体积分数越来越小,空穴层的厚度也越来越薄,高压喷油嘴雾化性能变差；随着压力波动幅度的减少,喷油嘴出口质量流量变化越来越小,有利于喷油嘴喷油量的精确控制；燃油温度、喷油压力的提高使得喷油嘴内部空化现象得到加强,但是压力的增大更有利于空穴增强,从而有利于燃油雾化.【期刊名称】《湖南大学学报（自然科学版）》【年(卷),期】2013(040)002【总页数】7页(P45-51)【关键词】喷油嘴;空穴流动;压力波动;数值模拟【作者】鄂加强;邢德跃;王曙辉;龚金科;袁文华;钱承【作者单位】湖南大学机械与运载工程学院,湖南长沙410082【正文语种】中文【中图分类】TK402随着严格排放法规的制定及人们环保意识的增强，拥有良好排放性能的柴油机高压燃油喷射系统越来越引起关注.实验研究表明［1－3］，柴油机高压喷射过程中喷油嘴内部的空化过程对燃料在气缸内雾化及燃烧起着非常重要的作用.一方面由于喷孔内部流动的不规则及极度紊乱，油束在喷孔出口处已经分裂为细小的油滴，在离开喷嘴时，雾束表面已经形成了初始扰动源，即所谓的初次雾化，使得油滴和气体的混合更加均匀，使喷雾锥角增加，取得良好的雾化特性；另一方面，随着喷油压力的提高，空穴造成流体流动紊乱，引起能量损失，使得喷油嘴流量系数降低，影响喷油器工作可靠性，甚至使喷油嘴堵塞，造成柴油机工作故障和性能恶化［4－5］.因此，全面深入地研究探讨喷油嘴内部的空化机理显得非常重要.对于柴油机高压喷油嘴而言，其几何尺寸非常小，工作压力高，通过喷孔的流速可达到几百米每秒的数量级，在可视化技术手段不成熟的条件下，很难通过实验的方法获得喷油嘴内部详细流场参数，数值模拟便成为研究的重要手段［6］.本文采用拟流体模型模拟对称垂直四孔柴油机喷油嘴内部的空化流动过程，并研究曲率半径、喷油嘴压力波动等因素影响喷油嘴空化流动过程和喷油嘴出口截面流量的规律.1 空化效应数学模型高压喷油嘴喷射过程柴油－气泡两相湍流动相当复杂，为此，提出以下假设：①柴油－气泡两相湍流流动为稀疏悬浮体两相流动；②高压喷油嘴喷射过程为物理过程，不考虑化学过程；③高压喷油嘴喷射过程温度恒定，无需求解能量方程.采用拟流体模型，将液相柴油和气相气泡视为连续介质，并考虑油－气体系质量守恒、动量守恒以及柴油－气泡两相组分平衡，在Euler坐标系中导出柴油机高压喷油嘴喷射过程油－气两相湍流流动特性的基本守恒方程，建立高压喷油嘴喷射过程空化效应数学模型.用一个通用的基本参数Φ进行概括，则高压喷油嘴喷射过程油－气两相守恒方程组的通用微分方程为：式中ρ为柴油或气泡所对应的密度，kg／m3；τ为时间，s；ui（i＝1，2，3）为液体或气泡在xi（i＝1，2，3）3个方向流速，m／s；ГΦ为输运系数；SΦ是对应的源项.如表1所示，描述柴油机高压喷油嘴喷射过程油－气两相湍流流动的物理量计有15个：液相密度ρ，液相在xi（i＝1，2，3）3个方向的分速度u，v，w；气相密度ρp，气相在xi（i＝1，2，3）3个方向的分速度up，vp，wp；液相湍流动能k，液相湍流动能耗散率ε，液相混合分数f，液相混合分数脉动均值g和另外3个场变函数：液相压强p，液相有效动力粘性系数μe和气相有效运动粘性系数νp.因此，柴油机高压喷油嘴喷射过程油－气两相湍流流动的数学模型是由15个方程构成的联立方程组以及相应的边界条件所组成的.数学模型中的有关常数如表2所示.其中，C1，C2，Cμ为与k－ε方程有关的常数，cg1，cg2为g方程中常数，σk为湍流动能的有效Prandtl数，σε为湍流动能耗散率的有效Prandtl数，σf为混合分数的有效Prandtl数，σg为混合分数脉动均值有效Prandtl数，σp 为粒相的有效Prandtl数.表1 守恒方程中的变量、输运系数和源项Tab.1 Variables，transport coefficients and sources in the conservation equation注：Gk＝μT（∂uj／∂xi＋∂ui／∂xj）（∂uj／∂xi），μe＝μ0＋μT，其中μ0为气相分子粘性系数，μT ＝Cμρk2／ε，τrg为按Stokes阻力计算的气泡平均运动驰豫时间.守恒方程ΦГΦ SΦ液相质量1 00液相动量uμeρp（vp－v）／τrg－∂p／∂xi＋∂［μe（∂uj／∂xi ＋∂ui／∂xj］／∂xi液相湍流动能kμe／σkGk－ρε液相湍流动能耗散率εμe／σε（C1Gk－C2ρε）ε／k液相混合分数fμe／σf0液相混合分数脉动均值gμe／σgcg1μe（∂f／∂xi）2－cg2ρεg／k气相质量1 0∂［vp（∂ρp／∂xi）／σp］／∂xi气相动量upρpνpρp（vp－v）／τrg＋∂［ρpvp（∂upi／∂xi）］／∂xi＋∂｛νp［upj（∂ρp／∂xi）＋upi（∂ρp／∂xj）］／σp｝／∂x i表2 模型常数Tab.2 Constant of model符号C1C2cg1cg2σkσεσpσgCμσf取值1.44 1.922.8 2.0 0.9 1.3 0.35 0.9 0.09 0.92 空化效应模拟分析2.1 计算工况分析随着燃油喷射系统压力的提高，燃油的压力和温度对密度、体积弹性模量、运动黏度等物理特性参数的影响越来越大.这些物理参数又可以表示成温度和压力的函数.体积弹性模量可表达为［7］：式中p0为温度为T时的环境压力；E0（p）是压力为p，温度为T时的体积弹性模量.柴油的密度是柴油最重要的物理特性，它随温度和压力的变化而变化.Arcoumanis C，Varde K S等人对柴油的特性进行了研究，但是推导的经验公式和弹性模量的经验公式是相互独立的，为了更准确表达燃油密度同弹性模量的关系，引用文献［7］的密度表达式：式中ρ0（T）为在压力为p，温度为T时的密度.柴油的运动黏度对管路的压力损失影响较大，建立准确的运动黏度模型可减小仿真误差.黏度采用Roelands黏压－黏温关系式：式中μ0为一个大气压下温度为T0时燃油的黏度.z＝α／［5.1×10－9（lnμ0＋9.67）］，s＝β（T0－138）／（lnμ0＋9.67），β的取值范围0.03～0.061／K，一般情况下取中间值.α＝［0.612＋0.427 3ln（1 000 μ0）］×10－8.为此，本文以如图1所示的垂直四孔对称的喷油嘴为例，喷油嘴喷孔长度L＝1.2mm，喷油嘴喷孔直径D＝0.28mm，各喷孔沿圆周均匀分布，喷孔中心线与针阀轴线夹角均为72.5°.根据图2和图3可知，所选用的介质柴油20℃时ρfuel＝830kg／m3，动力黏度μe＝0.005kg／（m·s），柴油饱和气体的蒸气压力ps ＝890Pa，柴油的蒸气密度为ρ＝0.04kg／m3，动力黏度为6×10－6 kg／（m·s）.计算的初始及边界条件为：喷油压力pin＝60MPa，100 MPa，120MPa，喷油嘴出口背压pout＝6.0MPa（代表着喷油时刻缸内的压力），喷油嘴喷孔入口曲率半径R＝0mm，0.014mm，0.028mm，0.056mm，0.072mm，针阀固定在h＝0.3mm的位置.进行依赖时间的瞬态求解，时间步长Δτ＝2×10－8s；入口湍流强度I＝0.16×Re－1／8，湍流长度尺度：l＝0.07D；壁面为无渗透、无滑移壁面，压力的法向分量为0，采用标准壁面函数法.图1 喷油嘴三维计算模型Fig.1 3－D computation of nozzle model图2 弹性模量与压力的关系Fig.2 Bulk modulus versus pressure2.2 喷嘴内流量系数影响分布2.2.1 空穴的产生过程对空穴的研究可引进一无量纲参数，即空穴数K可表示为［8］：式中pin为喷孔入口喷油压力，pout为喷孔出口喷油压力，ps为在某个温度下流体的饱和蒸气压力.空穴数K值反映了喷油嘴内部空穴发展情况：K值越大，空穴发展的程度越微弱. 图3 柴油密度与压力变化的关系Fig.3 Diesel density versus pressure对于不同结构的喷油嘴，存在不同的临界空穴数K0：①当K＞K0时，流体是单相流，不会发生空穴现象；②当K＜K0时，流体会发生空穴现象.随着空穴数K值的不断减小，以至于喷油孔内的空穴区会一直延伸超出喷孔，形成“超空穴”现象［6］..在温度恒定的情况下，K值的大小主要取决于喷油嘴的喷油压差及上游喷油压力.基于喷油嘴内空穴分布，空穴流动发展可以分为4个过程：单相流、喷油嘴紧缩处产生空穴、空穴在喷嘴紧缩处到出口的发展、超空穴.超空穴通过提高流体的流速及减小流层的厚度，明显提高了流体的雾化效果.空穴发展的4个过程如图4所示.图4 喷嘴孔内空穴产生及发展过程Fig.4 Generation and development of cavity flow in the nozzle2.2.2 流量系数柴油在喷油嘴喷孔流动过程中，由于受到湍流摩擦涡旋和喷孔几何形状等的影响，产生流动损失，喷油嘴喷孔出口处柴油的实际质量流量已不同于理想流动下的质量流量［8］，故对流经整个喷孔的流动引入流量系数［9］Cd（即实际质量流量与理论质量流量的比值）：式中m为喷油嘴实际质量流量；Ath为喷油嘴喷管出口截面的横截面积.为简化公式，引入收缩系数Cc：式中Aeff为喷油嘴出口液体所占的有效横截面积.收缩系数Cc与喷孔几何尺寸（R／D）可表示如下：当Aeff＜Ath时，即产生超空穴现象时，由式（2）和式（6）可知，流量系数Cd和空穴数K存在如下关系：当进口压力为80MPa，背压为6MPa时发生空穴现象，喷嘴的临界空穴数K0约为1.2［10］，本文模型所模拟的结果（如图5所示）与Nurick关系式所预测的结果一致，证明了所用模型的可靠性与准确性.图5 流量系数随空化数的变化Fig.5 The flow coefficient with the change of the cavitation numbers2.3 喷嘴入口处的曲率半径对空化效应影响分析空穴流的产生及发展和喷油嘴的几何参数（喷嘴入口处的曲率半径R、喷嘴的长度L、喷孔的直径D）有着密切的联系.以进口压力100MPa为例，由图6分析可知，在喷油嘴进出口压力及其他参数保持恒定的情况下，随着喷油嘴入口曲率半径的增大，喷孔内流体的气体体积分数随之减小.喷油嘴喷孔内气体体积分数的减小意味着喷油嘴雾化效果的变差.入口的曲率半径对流体的雾化程度有着显著的影响，当R＜0.056 mm时，曲率半径对流体的雾化效果有着较大影响，尤其是喷油嘴入口为锐边时雾化效果最好.随着曲率半径的增大喷孔内雾化效果迅速的减弱.当R增大到一定程度，R＞0.056mm时喷孔内流体的气体体积分数的变化减弱，曲率半径对流体雾化的影响明显减小且趋于稳定.图6 pin＝100MPa时不同入口曲率半径下气相体积分数Fig.6 Vapor fraction distributions of different lip roundings Rfor pin＝100MPa研究发现［5－6］，喷嘴进出口的压差对喷孔内的空穴形成及发展有着很大的影响.通过表3及图7～图8可以看出，喷油嘴进出口的压力差对喷孔内气相体积分数有很大的影响，入口高压对喷孔内流体的雾化作用比较明显，这也是需不断努力提高柴油机喷油压力的重要原因.通过图7对出口流量的分析，可以看出随着曲率半径增大，R＜0.056mm时喷油嘴出口流量变化幅度较大，当R＞0.056mm时，喷孔出口流量基本稳定.结合表3可知，随着曲率半径增大，喷孔内气体体积分数越来越小，空穴层的厚度也越来越薄，喷孔内流体的有效流通面积变大，流量就越大.同时由式（8）可知喷嘴入口圆角半径R越大，即R／D越大，入口圆角边越圆，紧缩系数增大，综合以上两种不同的工况，在喷油嘴的设计中，为提高喷油嘴的综合喷油性能，要权衡雾化即空穴层越薄，同时延伸长度也越短.但考虑雾化效果和喷嘴出口流量的影响，不能牺牲流量刻意追求锐边过渡.图7 pin＝100MPa不同曲率半径下喷孔出口流量及流量系数变化Fig.7 Outlet mass flow and discharge coefficient variations under different lip roundings Rfor pin＝100MPa表3 不同压力pin和曲率半径R条件下的气相体积分数Tab.3 Vapor fraction distributions of different lip roundings Rand inlet pressure pinR／mm a ／%pin＝60MPa pin＝100MPa pin ＝120MPa 0 90.3 94.0 96.7 0.014 74.6 80.8 85.6 0.028 62.2 67.6 70.4 0.056 41.6 49.5 53.9 0.072 37.6 42.5 47.92.4 喷嘴压力波动对空化效应影响分析实际高压喷油过程中，柴油机喷油嘴入口处将不可避免地产生高频率的压力波动，而这种高频率的压力波动已被证实对喷油嘴喷孔内的空穴分布产生较显著的影响［11－12］.设柴油机喷油嘴入口处平均压力pavg＝100MPa，当入口半径R＝0.014mm其压力变化幅度Δp1＝10MPa，Δp2＝5MPa，压力的变化频率f＝50kHz，其压力波动曲线分别为：不同压力波动幅度对柴油出口流量的影响如图9～图10所示.在压力增大的过程中，喷孔出口流量随之减小，但在压力增大到峰值110MPa时，喷孔出口流量的变化却没有降到最低，直到压力再次减小到108MPa时喷孔出口的流量才达到最小值.同样当压力减小至波谷位置τ＝70μs时，喷孔出口的流量也没达到最大值.同时，喷孔入口处压力波动越小，柴油出口质量流量的变化就越不明显.这说明喷孔入口处的压力波动和喷孔出口质量流量的波动有一定的时差，两者不是同步变化的，即随入口压力的变化，喷嘴内部任一点的压力和速度的变化存在一定的相位差.因此，在喷油压力快速增加或减小的非稳态变化过程中，瞬态喷油压力最高时刻对应的空化效果并不是最理想.随着压力波动幅度的减少，且τ＝74μs到τ＝80μs的时间段内质量流量变化程度越来不明显，故在工程实际中应尽量避免喷油嘴喷油入口大的压力波动幅度，确保出口喷油质量的误差能有效减小，以增加系统对喷油嘴喷油量的精确控制.图8 pin＝120MPa时不同入口曲率半径下气相体积分数Fig.8 Vapor fraction distributions of different lip roundings Rfor pin＝120MPa2.5 柴油的物理特性对空化效应的影响分析在喷油压力越来越高的燃油喷射系统中，压力对燃油的物理性质的影响越来越大.如图9，图10所示，在高压下，柴油的密度、弹性模量均有明显的变化.然而这些物性参数的变化对燃油喷射系统的仿真结果的准确性有着直接的影响.为了更深入详细地研究柴油物性参数对空化效应的影响，对不同温度条件下某型号柴油，在喷油嘴入口曲率半径为0.014mm，入口喷射压力为60MPa，出口压力为6 MPa的条件下进行了具体的研究分析.图9 压力波动为10MPa时出口质量流量变化Fig.9 Outlet mass flow variations of the inlet pressure fluctuation of 10MPa图10 压力波动为5MPa时出口质量流量变化Fig.10 Outlet mass flow variations of the inlet pressure fluctuation of 5MPa如图11所示，随着温度、压力的升高，喷嘴内部气相体积分数相应的增加.随着温度升高柴油的黏度降低、密度减小，黏度的降低使得柴油在流动过程中压降损失减小，喷油嘴内部气体分数增加，从而有利于燃油的雾化.但是这种影响不甚明显.结合表3相比较而言，入口喷油压力的增大使得喷嘴内部空化现象得到显著加强，压力的增大更有利于燃油的雾化.图11 不同温度下气相体积分数Fig.11 Vapor fraction distributions of different temperature3 结论1）高压喷油嘴喷射过程空化效应数值模拟结果和实验结果表明：随着喷油嘴入口处的曲率半径增大，喷孔内气相体积分数越来越小，空穴层的厚度也越来越薄，高压喷油嘴雾化性能变差；随着压力波动幅度的减少，喷油嘴出口质量流量变化程度越来小，有利于喷油嘴喷油量的精确控制.2）超空穴流能更好地起到雾化流体的作用，但同时使得喷油嘴内流量系数减小，降低喷油嘴的工作性能，为提高喷油嘴的喷油性能，应综合考虑喷油嘴初次雾化及出口流量等因素.3）喷油压力的提高及燃油温度的变化使得燃油的物理特性产生变化，燃油温度、压力升高使得喷油嘴内部空化现象得到加强，但是压力的增大更有利于空穴增强从而有利于燃油雾化.4）柴油机高压喷油嘴喷射过程空化效应数值模拟研究结果可为柴油机高压喷油嘴的优化设计提供坚实的理论基础与技术保障.参考文献［1］ TAMAKI N，SHIMIZU M，NISHIDA K，et al.Effects of cavitation and internal flow on atomization of a liquid jet［J］.Atomization and Sprays，1998，8（2）：179－197.［2］ SOTERIOU C，ANDREWS R，SMITH M.Further studies of cavitation and atomization in diesel injection［C］／／SAE Paper.1999－01－1486，1999.［3］ CHAVES H，KNAPP M，KUBITZEK A.Experimental study of cavitation in the nozzle hole of diesel injectors using transparent nozzles［C］／／SAE Paper.950290，1995.［4］成晓北，黄荣华，王志，等.柴油机喷油器喷孔空泡雾化的研究［J］.内燃机工程，2002，23（2）：60－64.CHENG Xiao－bei，HUANG Rong－hua，WANG Zhi，et al.The study on injector nozzle cavitation atomization in a diesel engine［J］.Chinese Internal Combustion Engine Engineering，2002，23（2）：60－64.（In Chinese）［5］魏明锐，文华，刘会猛，等.柴油机孔式喷油嘴内空穴流动的模拟分析［J］.内燃机学报，2006，24（6）：526－530.WEI Ming－rui，WEN Hua，LIU Hui －meng，et al.Simulation analysis on cavitation flow in a diesel engine nozzle［J］.Transactions of CSICS，2006，24（6）：526－530.（In Chinese）［6］何志霞，李德桃，胡林峰，等.喷油嘴喷孔内部空穴两相流动数值模拟分析［J］.内燃机学报，2004，22（5）：433－438.HE Zhi－xia，LI De－tao，HU Lin－feng，et al.Numerical simulation and analysis of two－phase flow of inner cavitation in injection nozzles［J］.Transactions of CSICS，2004，22（5）：433－438.（In Chinese）［7］ CATANIA A E，FERRARI A.Temperature variations in the simulation of high－pressure injection－system transient flows under cavation.［J］.Heat and Mass Transfer，2008（51）：2090－2107.［8］王谦，柏金，何志霞，等.柴油机喷嘴空穴流动特性分析［J］.车用发动机，2010（3）：27－34.WANG Qian，BO Jin，HE Zhi－xia，et al.Cavitating flow characterisitics in diesel nozzle［J］.Vehicle Engine，2010（3）：27－34.（In Chinese）［9］ NURICK W H.Orifice cavitation and its effects on spray mixing ［J］.ASME Journal of Fluids Engineering，1976，98（4）：681－687. ［10］PAYRI F，BENMUDEZ V，PAYRI R，et al.The influence of cavitation on the internal flow and the spray characteristics in diesel injection nozzles ［J］.Fuel，2004（83）：419－431.［11］何志霞，王谦，袁建平，等.喷油压力波动对喷油嘴内空穴发展影响的CFD 分析［J］.内燃机工程，2009，30（1）：64－68.HE Zhi－xia，WANG Qian，YUAN Jian－ping，et al.CFD analysis for effect of injection pressure fluctuation on cavitating flow in diesel engine nozzle［J］.Chinese Internal Combustion Engine Engineering，2009，30（1）：64－68.（In Chinese）［12］WANG Xiang，SU Wan－hua.Numerical investigation on relationship between injection pressure fluctuations and unsteady cavitation processes inside high－pressure diesel nozzle holes［J］.Fuel，2010，89（9）：2252－2259.。

柴油机喷嘴喷孔内气液两相湍流场三维数值模拟
何志霞;袁建平;李德桃;梁凤标
【期刊名称】《内燃机工程》
【年(卷),期】2005(026)006
【摘要】柴油机喷嘴内部空穴流动是影响喷雾特性极为重要的因素.在开发了喷嘴流动区域三维实体参数化生成软件的基础上,对完全发展了的空穴流动建立起三维空穴两相流动数学模型,提出将计算区域的出口边界延伸至气缸内部,以减小出口对喷孔内部求解区域的影响.对多孔垂直喷嘴进行了喷孔内部空穴两相湍流流动的三维数值模拟,得出喷嘴内部燃油流动的压力降基本发生在喷孔入口处,喷孔入口锐边过渡,使得该处必定出现空穴现象,且会延伸至喷孔出口,增加液流紊乱,引起燃油在喷孔出口的初次雾化.
【总页数】4页(P18-21)
【作者】何志霞;袁建平;李德桃;梁凤标
【作者单位】江苏大学,能源与动力工程学院,镇江,212013;江苏大学流体机械工程技术中心;江苏大学,能源与动力工程学院,镇江,212013;江苏大学,能源与动力工程学院,镇江,212013
【正文语种】中文
【中图分类】TK421
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4.气液两相同轴式超声喷嘴内流场数值模拟研究 [J], 刘邱祖;李洪喜;刘燕萍
5.针阀关闭时刻柴油机喷孔内瞬态流场的数值模拟 [J], 文华;徐颖韬;汪美奇;魏明锐
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柴油机喷油嘴的结构改进及三维流场数值模拟韩振南;姜鹏【摘要】喷油嘴头部细微的结构变化会对内部的流动状态产生显著的影响,进而影响到油束雾化性能.通过CFD软件对STD( Standard)标准型、VCO(Valve Closed Orifice)无压力室型及IMP(IMPROVED)改进型的多孔喷嘴进行了三维流场数值模拟,通过对比分析得出改进型喷嘴在低油速率下获得相对好的喷雾性能,综合特性优于标准型和无压力室型的喷嘴.%The subtle change in structure of diesel nozzle tip greatly affects the flow characteristics inside the nozzle and the performance of the fuel atomization of sprays.Three-dimensional numerical simulation for Multi-orifice nozzle is done in three types of nozzles, the standard (STD), the valve closed orifice (VCO)and the improved (IMPROVED),by using CFV.The study shows that IMPROVED nozzle has better spray characteristics at low injection velocity through comparing,and the comprehensive performance of IMPROVED nozzle is better than that of the STD nozzle and the VCO nozzle.【期刊名称】《机械设计与制造》【年(卷),期】2012(000)001【总页数】3页(P213-215)【关键词】喷油嘴;CFD;三维数值模拟;柴油机【作者】韩振南;姜鹏【作者单位】太原理工大学,太原030024;太原理工大学,太原030024【正文语种】中文【中图分类】TH161 引言随着柴油机向节能减排的方向发展，对柴油机燃油的喷油雾化效果提出了更加苛刻的要求，而喷嘴头部细微的结构变化对喷孔的喷雾特性有很大的影响。

超多喷孔喷油嘴流动特性的三维数值模拟
夏兴兰;杨海涛;郭立新;缪雪龙;王先勇
【期刊名称】《现代车用动力》
【年(卷),期】2009(000)001
【摘要】在超多喷孔喷油嘴中,由于存在2排喷孔,各喷孔的布置与协调更加困难.利用AVL-Fire软件对超多喷孔喷油嘴内流体的流动特性进行了模拟计算,在利用定针阀升程条件下的试验结果对模型进行了标定之后,对实际喷油过程进行了计算与分析,根据计算结果对喷孔布置进行了改进,提高了各喷孔喷油均匀性.同时,计算结果也为缸内喷雾和燃烧计算提供了边界条件.
【总页数】6页(P6-10,38)
【作者】夏兴兰;杨海涛;郭立新;缪雪龙;王先勇
【作者单位】中国一汽无锡油泵油嘴研究所,江苏,无锡,214063;中国一汽无锡油泵油嘴研究所,江苏,无锡,214063;中国一汽无锡油泵油嘴研究所,江苏,无锡,214063;中国一汽无锡油泵油嘴研究所,江苏,无锡,214063;中国一汽无锡油泵油嘴研究所,江苏,无锡,214063
【正文语种】中文
【中图分类】TK423.8
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5.喷油嘴喷孔内部空穴两相流动数值模拟分析 [J], 何志霞;李德桃;胡林峰;袁建平;王谦;袁文华
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