柴油-生物柴油霧化質(zhì)量數(shù)值計算及噴嘴內(nèi)部流動和空化現(xiàn)象的CFD模擬碩士論文.pdf

分類號:tb05 10710-2010122062 碩 士 學(xué) 位 論 文 柴油/生物柴油霧化質(zhì)量數(shù)值計算及噴嘴內(nèi)部流 動和空化現(xiàn)象的 cfd 模擬 陳海龍 導(dǎo)師姓名職稱 曹建明 教授 申請學(xué)位級別 碩士 學(xué)科專業(yè)名稱 動力機械及工程 論文提交日期 2012 年 11 月 20 日 論文答辯日期 2012 年 12 月 15 日 學(xué)位授予單位 長安大學(xué) numerical calculation of diesel/biodiesel fuel atomization and cfd simulation of internal flow and cavitation phenomenon a dissertation submitted for the degree of master candidate：chen hailong supervisor：prof. cao jianming changan university, xian, china i 摘 要 環(huán)境污染的加重、石油資源的枯竭，這些都制約著柴油機的發(fā)展，但是公路運輸又 離不開貨車，而大多數(shù)貨車的發(fā)動機還是柴油機。為了解決這些問題，人們開始研究新 的燃燒方式，尋找柴油的替代產(chǎn)品。新燃燒方式的研發(fā)是以控制噴射霧化形成的可燃混 合氣來實現(xiàn)的。本論文主要研究了燃油噴射霧化過程中噴孔內(nèi)的空化現(xiàn)象以及柴油和生 物柴油噴射霧化液滴尺寸分布。 首先，本文借助 gambit 軟件建立噴嘴的二維計算模型，并進行了網(wǎng)格劃分，然 后利用 fluent 軟件對噴孔中的空化現(xiàn)象進行了全面的模擬。模擬結(jié)果表明，提高噴 壓力，降低噴射背壓都有利于噴孔內(nèi)的空化形成，然后通過改變噴嘴結(jié)構(gòu)形狀，進一步 研究了噴嘴結(jié)構(gòu)對空化的影響， 模擬結(jié)果表明， 增大噴孔長徑比， 空化現(xiàn)象受到了抑制； 增大噴孔入口圓角半徑，有利于燃油的流動，但是不利于空化現(xiàn)象的產(chǎn)生；噴孔形狀對 對空化現(xiàn)象有很大的影響，當(dāng)噴孔形狀為噴孔出口直徑小于入口直徑的壓縮噴孔時，噴 孔內(nèi)很容易產(chǎn)生空化現(xiàn)象，當(dāng)噴孔形狀為噴孔出口直徑大于入口直徑的擴張噴孔時，噴 孔內(nèi)的空化現(xiàn)象受到了抑制。 其次，本文對柴油和生物柴油噴孔中的空化現(xiàn)象進行了模擬，結(jié)果表明柴油和生物 柴油的噴孔中空化現(xiàn)象相同，只是噴嘴出口速度不同，柴油的噴嘴出口速度大于生物柴 油的噴嘴出口速度。導(dǎo)師曹建明教授根據(jù)最大熵原理推倒液滴尺寸分布函數(shù)，根據(jù)此函 數(shù)編寫了 fortran 計算程序，對柴油和生物柴油霧化液滴尺寸分布進行了理論計算， 并與實驗結(jié)果進行對比，對比結(jié)果表明生物柴油的霧化粒徑大于柴油的霧化粒徑。為了 改善生物柴油的霧化質(zhì)量，我們配制了生物柴油和液化石油氣的混合燃料 l10（生物柴 油質(zhì)量分數(shù)為 90%，液化石油氣質(zhì)量分數(shù)為 10%）和 l20（生物柴油質(zhì)量分數(shù)為 80%， 液化石油氣質(zhì)量分數(shù)為 20%） ，并且對這兩種混合燃料的霧化液滴尺寸分布進行了理論 計算，計算結(jié)果表明，l20 的霧化質(zhì)量比 l10 的霧化質(zhì)量要好，并且 l20 的霧化質(zhì)量更 接近柴油的霧化質(zhì)量。另外，理論計算中最重要的一個因數(shù)就是拉格朗日因子變換系數(shù) 初始值的選取，經(jīng)過反復(fù)的嘗試發(fā)現(xiàn)，對于本論文中所選的工況而言，拉格朗日因子 變化系數(shù)初始值在 1.9 左右時，理論計算和試驗結(jié)果得到了很好地擬合。 關(guān)鍵詞：柴油機，噴霧，空化現(xiàn)象，數(shù)值模擬，尺寸分布 ii abstract environmental pollution and petroleum resources are restricted the development of diesel engine, but road transportation cannot leave the truck, however most of the truck engine is diesel engine. in order to solve these problems, people begin to research the new combustion mode, and looking for diesel replacement products, the new combustion mode development based on control atomization formation of combustible mixture. this paper mainly studied the nozzle internal cavitation phenomenon of fuel atomization process, and droplet size distribution of diesel and bio-diesel atomization. first of all, build and mesh the two-dimensional calculation model of nozzle by using the gambit software then simulated the nozzle internal cavitation phenomenon by using fluent software. the results show that cavitation takes place more easily by improving spray pressure and reducing outlet pressure. then change the nozzle structure and further studied the structure change influence on cavitation phenomenon of nozzle internal flow. the results show that increase lengthdiameter ratio restrains the cavitation phenomenon. and increase the nozzle inlet edge radius avail of the fuel flow, but restrains the cavitation phenomenon. the shape of the spray hole has a great influence on the cavitation phenomenon, when the outlet diameter is smaller than the inlet diameter its called compression spray nozzle, when the outlet diameter is larger than the inlet diameter its called expansion spray nozzle, compression spray nozzle easily generated cavitation phenomenon, but the cavitation phenomenon of the expansion spray nozzle was inhibited. secondly, simulation results of cavitation phenomenon show that the diesel and bio-diesel spray holes cavitation phenomenon is the same, just different in nozzle exit velocity, diesel nozzle exit velocity is greater than the biodiesel nozzle exit velocity. droplet size distribution function is derived by prof. cao jianming based on the maximum entropy principle. according to this function to write a fortran calculation program, then calculated the diesel and bio-diesel droplet size distribution, and compared with the experimental results, the results show that the droplet size of the biodiesel is greater than the diesel. in order to improve the atomization quality of the biodiesel, we have formulated a biodiesel and lpg mixed fuel l10 (biodiesel has a mass fraction of 90% and the lpg has a iii mass fraction of 10%), and l20 (biodiesel has a mass fraction of 80% and the lpg has a mass fraction of 20%), then calculated the the droplet size distribution of these two kinds of mixed fuel, the result show that atomization quality of l20 is better than the l10, and l20 atomization quality closer to the diesel atomization quality. furthermore, the most important factor of theoretical calculation is the initial guess of the lagrange factor variation coefficient, for this paper selected operating conditions, when the lagrange factor variation coefficient initial guess value is about 1.9, the theoretical calculations and experimental results have been well fitted. key words: diesel engine, spray, cavitation phenomenon, numerical simulation, size distribution iv 目 錄 第一章 緒論 1 1.1 引言 1 1.2 空化現(xiàn)象及國內(nèi)外研究現(xiàn)狀 2 1.2.1 空化現(xiàn)象及其分類 . 2 1.2.2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀 . 4 1.3 本文的主要內(nèi)容 6 第二章 計算流體力學(xué)（cfd）概述及 fluent 軟件簡介 8 2.1 計算流體力學(xué)簡介 8 2.1.1 cfd 簡介 8 2.1.2 cfd 求解過程 . 11 2.2 fluent 軟件介紹 12 2.2.1 fluent 原理 12 2.2.2 fluent 求解器的介紹 20 2.2.3 fluent 的邊界條件 22 2.2.4 fluent 中的湍流模式 25 2.3 本章總結(jié) . 27 第三章 噴嘴 cfd 模型的建立及模擬結(jié)果分析 . 29 3.1 幾何模型建立及網(wǎng)格的生成 . 29 3.1.1 噴嘴的幾何參數(shù)的確定 29 3.1.2 物理模型的建立 29 3.1.3 計算網(wǎng)格的生成 30 3.2 數(shù)值求解過程的設(shè)置 . 32 3.2.1 關(guān)于網(wǎng)格的操作 32 3.2.2 模型參數(shù)的設(shè)置 33 3.2.3 流體物理特性參數(shù)的設(shè)置 35 3.2.4 空化模型的設(shè)置 36 3.2.5 操作條件的設(shè)置 39 3.2.6 邊界條件的設(shè)置 39 v 3.2.7 求解參數(shù)的設(shè)置 . 40 3.3 噴嘴內(nèi)部流動數(shù)值模擬結(jié)果及分析 . 41 3.3.1 柴油和生物柴油噴孔內(nèi)部流動的模擬結(jié)果對比 41 3.3.2 入口壓強對噴孔內(nèi)部流動特性的影響 45 3.3.3 出口壓強（背壓）對噴孔內(nèi)部流動特性的影響 47 3.3.4 不同噴孔直徑對噴孔內(nèi)部流動特性的影響 49 3.3.5 不同長徑比對噴孔內(nèi)部流動特性的影響 51 3.3.6 不同入口圓角對噴孔內(nèi)部流動特性的影響 . 53 3.3.7 不同噴孔 k 系數(shù)（擴張管和壓縮管）對噴孔內(nèi)部流動特性的影響 . 55 3.4 本章總結(jié) . 58 第四章 噴嘴霧化質(zhì)量的數(shù)值計算 . 60 4.1 霧化液滴尺寸分布函數(shù)的介紹 . 60 4.1.1 經(jīng)驗分布函數(shù) 60 4.1.2 理論分布函數(shù) 61 4.2 霧化液滴尺寸計算所需的理論參數(shù) . 63 4.2.1 實驗參數(shù)、噴霧參數(shù)、燃油物理特性參數(shù)的確定 63 4.2.2 循環(huán)噴油量的計算 63 4.2.3 噴霧持續(xù)時間和油滴貫穿時間 64 4.2.4 拉格朗日因子 64 4.2.5 程序收斂的標(biāo)準(zhǔn) 64 4.3 霧化液滴尺寸的理論計算 . 64 4.3.1 bd0（純柴油）噴霧液滴尺寸分布理論計算 . 65 4.3.2 bd100（純生物柴油）噴霧液滴尺寸分布理論計算 . 66 4.3.3 l10 噴霧液滴尺寸分布理論計算 . 67 4.3.4 l20 噴霧液滴尺寸分布理論計算 . 70 4.4 本章總結(jié) . 72 第五章 全文工作總結(jié)與展望 . 74 5.1 全文工作總結(jié) . 74 5.2 展望 . 75 vi 參考文獻 76 攻讀碩士學(xué)位期間的研究成果 79 致謝 80 長安大學(xué)碩士學(xué)位論文 1 第一章 緒論 本章首先介紹了本課題的研究背景，其次探討了空化現(xiàn)象以及國內(nèi)外的研究現(xiàn)狀， 最后指出了本論文的主要研究內(nèi)容和本課題的研究意義。 1.1 引言 隨著人們生活水平的提高，現(xiàn)代物流業(yè)也在迅速發(fā)展，在物流運輸中道路運輸占據(jù) 著很大的比重，道路運輸主要是通過大貨車來運輸，作為大貨車的動力來源發(fā)動機也 得到了人們高度的重視， 貨車的發(fā)動機大多是以柴油為燃料， 但是隨著環(huán)境污染的加重， 國際組織對柴油機的排放標(biāo)準(zhǔn)提出了更高的要求，另一方面，隨著石油資源的枯竭，人 們已經(jīng)開始尋找柴油的替代品。為了解決這兩方面的問題，人們提出了高壓共軌技術(shù)和 開發(fā)新的燃燒方式，通過高壓共軌技術(shù)再配合新的燃燒方式，可以降低柴油機有害排放 物和碳煙值。高壓共軌技術(shù)主要是通過高壓油泵提供比普通噴射高很多的高壓燃油，首 先儲存在高壓共軌管內(nèi)，然后根據(jù)發(fā)動機電子控制單元（ecu）發(fā)出的指令，在合適的 時間打開噴油器將高壓燃油噴霧燃燒室內(nèi)，形成可燃混合氣。新的燃燒方式則是想辦法 控制燃燒過程及燃燒路徑，如何調(diào)制和優(yōu)化液體燃油在缸內(nèi)的噴霧過程，從而有效地控 制燃燒室內(nèi)的油氣混合物的當(dāng)量比和環(huán)境溫度t的變化是新燃燒方式的核心。圖 1.1 是 kitamura 等人1繪制的t原理圖及一些燃燒路徑。從圖中可以清楚地看出，傳統(tǒng) 的燃燒路徑（圖中大空心箭頭所示） ，很容易進入碳煙生成區(qū)和 x no生成區(qū)，而對新燃 燒方式 ldc 和 pcci 來說， 在著火前很短的時間內(nèi)將燃燒室內(nèi)的混合物當(dāng)量比降低到 2.0 附近及以下范圍，這樣的燃燒路徑就不容易進入碳煙生成區(qū)，在燃燒后期也可以避 開 x no高排放區(qū)。 燃燒室內(nèi)的混合物當(dāng)量比的迅速降低主要取決于燃油的噴霧霧化過 程的精確控制2。 以前人們對噴霧的測試主要局限于噴霧的幾何形態(tài)，包括噴霧錐角、貫穿距以及液 滴尺寸分布，并且討論了周圍氣體運動對油滴運動的影響，但是對射流霧化機理卻不是 完全的了解，這對控制射流霧化以及燃燒路徑是不利的，也就很難創(chuàng)造新的燃燒方式， 因此人們都把重點集中到了射流霧化機理的研究，日本學(xué)者玉木伸茂3認為燃油的霧化 不僅與噴霧場周圍的氣流作用有關(guān)，而且與噴孔中空化產(chǎn)生的湍流有關(guān)，并且通過實驗 第一章 緒論 2 證實了噴孔中湍流的擾動作用大于周圍氣體的擾動作用。 圖圖 1.1 -t原理圖和燃燒路徑原理圖和燃燒路徑 隨著現(xiàn)代柴油機的發(fā)展，高壓共軌技術(shù)越來越完善，高壓共軌柴油機燃油噴射系統(tǒng) 的三個主要特征是：第一，燃油噴射壓力高，一般燃油噴射壓力都在 100pam以上。第 二，噴孔直徑小，高壓共軌柴油機噴油器的噴孔直徑一般在 0.2mm以下。第三，燃油 噴射更靈活，可以實現(xiàn)多次噴射即預(yù)噴、主噴和后噴，這對混合氣的形成是很有利的。 在這樣高的噴射壓力和小的噴孔直徑下，噴孔中的流動情況變得相當(dāng)復(fù)雜，但是由于噴 嘴結(jié)構(gòu)小，實驗設(shè)備有限，直接對真實噴嘴內(nèi)部流動情況進行實驗研究還是很困難的， 因此我們可以借助計算機采用軟件模擬的方法很容易的研究不同結(jié)構(gòu)噴嘴以及不同噴 射情況下的噴嘴內(nèi)部流動。 前面提到過，為了解決石油資源匱乏和環(huán)境污染問題，我們提出了兩種解決方案， 第一種是上面提到的高壓共軌技術(shù)和新燃燒方式。第二種即是尋找柴油替代品，我們找 到了生物柴油，但對生物柴油和柴油霧化效果到底有什么差別還不是很清楚，因此本論 文將對生物柴油的霧化情況和噴孔中的流動狀態(tài)也進行了研究。 1.2 空化現(xiàn)象及國內(nèi)外研究現(xiàn)狀 1.2.1 空化現(xiàn)象及其分類 當(dāng)液體在恒壓下加熱，或者在恒溫下用靜壓或者動壓方法減壓，到一定程度就會有 長安大學(xué)碩士學(xué)位論文 3 蒸汽氣泡或者充滿空氣和蒸汽混合物的空泡出現(xiàn)并發(fā)育生長，液體在恒壓下加熱而在其 內(nèi)部形成蒸汽的物理現(xiàn)象稱為沸騰，而液體在溫度基本不變的條件下由于壓力下降形成 氣泡的過程稱為空化4。液體流經(jīng)的局部區(qū)域，若其壓強低于某一臨界值，液體也會發(fā) 生空化，在低壓區(qū)空化的流體夾雜著大量的空泡而形成兩相流。 對于現(xiàn)代高速柴油機來說，基本都采用了高壓共軌技術(shù)，噴射壓力可以達到 100pam， 噴孔直徑最小可以達到 0.1mm以下， 在這樣高的噴射壓力和小的噴孔直徑下， 燃油的噴射速度可以得到 500/m s 5，當(dāng)然有流經(jīng)噴嘴時，由于噴孔入口處的結(jié)構(gòu)突變， 噴孔截面驟然收縮，燃油流動的流線會脫離噴孔壁面，并且在入口拐角處形成脈縮，使 得實際流通截面減小，從而使流量減小。對于定常流，由伯努利方程可知，流體的靜壓 強隨著流體速度的增大而降低。當(dāng)局部的流速很大時，其靜壓強會低于液體的飽和蒸汽 壓，這樣液體中就會產(chǎn)生蒸汽泡，氣泡會隨著液體向下游移動，在移動過程中，氣泡首 先會增大，隨后會潰滅，這時噴孔中的流動狀態(tài)處于氣液兩相流階段，隨著噴射壓力或 者燃油噴射速度的增大，噴孔中的流動狀態(tài)可分為四種，如圖 1.2 所示： a a 湍流湍流 b b 局部空化局部空化 c c 超空超空化化 d d 挑射挑射 圖圖 1.2 噴孔中的噴孔中的 4 種不同流動狀態(tài)種不同流動狀態(tài) 1. 湍流（如圖 1.2a 所示） ，當(dāng)燃油從壓力室流入噴孔時，由于噴孔截面的收縮， 燃油流線從而改變，在噴孔入口不遠處會形成一對渦流區(qū)，在渦流區(qū)以后，燃 油從新附著到噴孔壁面上，但是當(dāng)燃油流動速度不大時，噴孔中的壓力大于燃 第一章 緒論 4 油的飽和蒸汽壓，沒有蒸汽從液體中析出，此時噴孔中的流動狀態(tài)是單相流， 即只有純液體燃油沒有燃油蒸汽的存在。 2. 局部空化（如圖 1.2b 所示） ，當(dāng)燃油流速增大后，由伯努利方程可知，當(dāng)流量 一定時，燃油流速越大，壓力降就會越大，當(dāng)達到一定速度時，在噴孔入口附 近的渦流區(qū)的壓強就會小于燃油的飽和蒸汽壓，在低壓區(qū)燃油中就會以燃油的 氣核為中心形成氣泡，小氣泡會相互匯集變成大氣泡，在壁面附近會形成由氣 泡組成的氣泡流，氣泡會隨著液體向下流流動。當(dāng)達到壓力較高的下游時，氣 泡會潰滅，因此在噴孔出口附近仍然是燃油單相流，但是在渦流區(qū)則是氣液兩 相流。 3. 超空化（如圖 1.2c 所示） ，如果繼續(xù)增大燃油流動速度，維持噴孔中局部的壓 力一直低于燃油的飽和蒸汽壓， 氣泡就不會潰滅， 而會一直延伸到噴孔出口處， 因此在噴孔壁面就會形成一層氣泡流，噴孔中的流動狀態(tài)就完全處于氣液兩相 流狀態(tài)。 4. 挑射（如圖 1.2d 所示） ，挑射是一種新的流動狀態(tài)。在超空化狀態(tài)下，如果噴 孔長度很短，而且噴孔中燃油的流速很快時，噴孔出口處的空氣就會進入噴孔 中，與噴孔中的蒸汽氣泡相融合，空化現(xiàn)象就會消失，取而代之的是在噴孔壁 面附近會形成一層薄薄的空氣層，該空氣層將燃油與噴孔壁面分離，相當(dāng)于減 小了噴孔的直徑，同時燃油的流量也會減小。 1.2.2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀 1.2.2.1 國外研究狀況 1959 年 bergwerk6利用真實尺寸的透明噴嘴做實驗， 在實驗中觀察到噴嘴內(nèi)部壁面 處有氣泡產(chǎn)生，他的研究結(jié)果很具有歷史價值，之后的學(xué)者在研究空化現(xiàn)象時，都是以 他的結(jié)論作為假設(shè)的基礎(chǔ)。 1995 年 chaves7等人同樣利用透明噴嘴研究了不同噴嘴結(jié)構(gòu)中的流動情況， 他們利 用雙焦點激光測速儀測試了噴孔內(nèi)部的燃油流速，并且與基于無粘不可壓縮流動的壓降 法得到的噴孔中燃油流速的理論計算結(jié)果對比，兩者很接近。他們的實驗結(jié)果表明，空 化現(xiàn)象出現(xiàn)在噴孔入口附近，同時，他們還發(fā)現(xiàn)隨著噴射壓力的進一步提高，噴孔中會 出現(xiàn)超空化現(xiàn)象，噴霧錐角和流量系數(shù)有一個臨界值，當(dāng)達到該臨界值后，再提高噴射 壓力噴霧錐角和流量系數(shù)都不在改變。 長安大學(xué)碩士學(xué)位論文 5 1998 年林航空3翻譯了日本學(xué)者玉木伸茂的文獻， 玉木伸茂通過對噴霧油束分裂特 性的觀察，得出了霧化機理的新見解，即湍流和空化的影響，以前人們認為霧化主要是 燃油油束與周圍空氣的摩擦作用的影響，即空氣動力學(xué)作用。后來他通過實驗發(fā)現(xiàn)，液 體霧化過程中空化效應(yīng)產(chǎn)生的紊流作用遠遠大于空氣動力的作用。 1998 年 ficarella8等人研究了流體在快速減壓情況下，由于相變產(chǎn)生的蒸汽氣泡的 成核和生長過程對流體流動的影響，并且進行了實驗研究，同時還考慮了氣泡和液體之 間有溫差和無溫差情況下的對氣液兩相之間的能量交換和質(zhì)量交換的影響。 2004 年 payri9等人研究了不同噴孔形狀對空化的影響，他們通過對圓柱形噴孔和 圓錐形噴孔進行實驗研究，試驗結(jié)果表明，相同的工況下，圓柱形噴孔比圓錐型噴孔更 易于產(chǎn)生空化現(xiàn)象， 同時他們還研究了空穴流動對噴霧錐角和噴射速度的影響， 結(jié)論是： 空化流動能夠使噴霧錐角增大，并且使噴孔出口的流動速度提高，同時還提出了臨近空 穴系數(shù)的概念，并且得出臨界空穴系數(shù)不只僅僅與噴嘴幾何形狀有關(guān)，而且與噴射壓力 也有關(guān)。 2012 年 payri10等人提出通過結(jié)合實驗和模擬來進一步認識柴油機噴嘴中的空化效 應(yīng)，同時他們指出，由于實際噴嘴尺寸很小，以前的實驗研究都是采用放大的透明噴嘴 來模擬，雖然做到了幾何相似、運動相似，動力相似，但是沒有考慮比尺效應(yīng)。他們將 模擬結(jié)果和實驗結(jié)果進行對比，結(jié)果表明模擬和實驗的誤差在 7%之內(nèi)，說明了模擬的 精度還很很高的，同時得出一個結(jié)論是：隨著蒸汽氣泡的初生、發(fā)展和潰滅，三種狀態(tài) 的交替，這對噴孔出口的速度有很大的影響，同時也會影響燃燒室內(nèi)燃油和空氣的混合 過程， 也得出了噴孔出口的速度會隨著空化效應(yīng)的增強而增大， 并且解釋了其中的原因， 這是因為氣泡的出現(xiàn)改變了流體的黏度，隨意噴射速度也就相應(yīng)的增大了。 1.2.2.2 國內(nèi)研究狀況 國內(nèi)在空化研究這一方面起步比較晚，2003 年魏明銳11等人對柴油機噴孔內(nèi)的流 動情況進行了深入的研究， 分析了噴孔內(nèi)空穴產(chǎn)生的機理， 并且建立了相應(yīng)的流動模型， 并結(jié)合 kiva 程序?qū)Σ裼秃投酌鸦旌先剂系膰婌F貫穿距和噴霧錐角進行了模擬計算， 計算結(jié)果表明， 要想真實的反應(yīng)噴霧過程， 必須考慮噴孔內(nèi)燃油流動所產(chǎn)生的空穴效應(yīng)。 國內(nèi)高校中研究噴嘴內(nèi)的空化現(xiàn)象的不多，主要有天津大學(xué)和江蘇大學(xué)，江蘇大學(xué) 的何志霞副教授主要從事于柴油機高壓共軌式噴射技術(shù)和內(nèi)燃機工作過程的數(shù)值計算， 發(fā)表了很多關(guān)于噴嘴內(nèi)部空化現(xiàn)象的論文12-19，他們自己研發(fā)設(shè)計了噴嘴流動區(qū)域的三 維實體參數(shù)化生成軟件，輸入相關(guān)參數(shù)就可以得到噴嘴流動區(qū)域的三維實體模型，借助 第一章 緒論 6 此軟件很容易研究不同結(jié)構(gòu)參數(shù)變化對空化現(xiàn)象的影響，只要將實體模型再導(dǎo)入網(wǎng)格劃 分軟件，得到網(wǎng)格文件，再將網(wǎng)格文件用 cfd 軟件進行迭代計算就可以得到想要的結(jié) 果。最近幾年他們也進行了實驗研究12，制作了放大的可視化噴嘴，用來直接觀察噴孔 內(nèi)的空化現(xiàn)象。 天津大學(xué)方面： 汪翔2主要討論了噴射壓力波動對空化的影響，以及不穩(wěn)定空化過程對噴孔出口流 動狀態(tài)的影響，同時還提出了對于初始氣泡密度的新計算方法，并通過實驗驗證了氣泡 初始密度計算式的正確性，在這之前的研究中都是將氣泡初始密度設(shè)為定值，作者認為 是不合理的。 最后作者還考慮了壓力波動下和不穩(wěn)定空化共存條件下噴孔內(nèi)流對高壓射 流霧化的影響情況，在兩者共同作用下的噴孔出流對噴霧場有著較大的擾動，并且隨著 噴孔出流的不穩(wěn)定性的增強，噴霧近場的霧化情況越來越好。 董慶兵20則是利用放大的透明噴嘴和高分辨率相機拍攝了噴孔中的流動情況的照 片，他通過調(diào)節(jié)進出口壓差，研究了不同雷諾數(shù)、空化數(shù)、入口壓力、出口壓力，針閥 升程、噴孔傾角、噴孔直徑、噴孔長徑比和入口倒角對噴孔內(nèi)空化的發(fā)生、發(fā)展和潰滅 過程的影響。研究發(fā)現(xiàn)增大雷諾數(shù)、空化數(shù)，提高入口壓強，降低出口壓強，減小噴孔 傾角和噴孔直徑，增大長徑比都會促進空化的提前出現(xiàn)。 同時還有一些其它高校也在研究空化現(xiàn)象， 如浙江大學(xué)張樂超21和劉勁松22都用軟 件模擬的方法研究了噴霧過程中噴孔內(nèi)的空化效應(yīng)，并分析了空化效應(yīng)對霧化質(zhì)量的影 響。太原理工大學(xué)姜鵬23則研究了噴孔內(nèi)的單相流動的壓力分布，速度分布，以及有空 化情況下的氣相體積分布以及速度分布，并且研究了不同結(jié)構(gòu)噴嘴的空化現(xiàn)象。國內(nèi)的 一些研究所也在研究噴嘴內(nèi)的空化現(xiàn)象，如無錫油泵油嘴研究所的郭立新24，他利用多 相流的空穴模型對噴嘴中穩(wěn)定噴射時的空化現(xiàn)象進行了三維數(shù)值模擬，主要研究了不同 入口壓力、出口壓力、入口圓角半徑、噴孔 k 系數(shù)對噴孔內(nèi)空化的分布的影響。 1.3 本文的主要內(nèi)容 本論文是針對穩(wěn)態(tài)條件下噴嘴內(nèi)部的流動情況和噴嘴的霧化情況進行了cfd模擬， 得出噴孔內(nèi)部流動的影響因素， 對噴嘴的設(shè)計提供了理論依據(jù)。 本論文主要的內(nèi)容如下： 1. 首先介紹了有關(guān)計算流體力學(xué)（cfd）的發(fā)展歷程以及一些常用的 cfd 軟件， 接著介紹了這些軟件的一般求解過程，最后詳細介紹了本論文所用到的 fluent 軟件，包括軟件的原理、軟件的結(jié)構(gòu)、軟件中的常用邊界條件以及常 長安大學(xué)碩士學(xué)位論文 7 見湍流模型。 2. 利用 gambit 建立噴嘴的二維模型，并進行了網(wǎng)格劃分，并借助 fluent 軟 件，利用其中的多相流空化模型對噴孔內(nèi)部空化現(xiàn)象進行了模擬，探討了柴油 和生物柴油不同種類燃料的噴孔內(nèi)部流動情況，以及不同噴嘴結(jié)構(gòu)對噴孔內(nèi)部 流動情況的影響。 3. 根據(jù)導(dǎo)師曹建明教授利用最大熵原理推倒的液滴尺寸分布函數(shù)編寫 fortran 程序?qū)娮祆F化進行理論計算，得到了噴嘴霧化的液滴粒徑分布，并與實驗所 得到的結(jié)果進行了對比，得到了不同工況下的拉格朗日因子的初始值，計算結(jié) 果和實驗結(jié)果擬合很好。 第二章 計算流體力學(xué)（cfd）概述及 fluent 軟件介紹 8 第二章 計算流體力學(xué)（cfd）概述及 fluent 軟件簡介 計算流體力學(xué)（computational fluid dynamics，簡稱 cfd）是建立在經(jīng)典流體動力 學(xué)與數(shù)值計算方法基礎(chǔ)上的一門新型學(xué)科，是基于離散化的數(shù)值計算方法，利用電子計 算機對于不同固體邊界的內(nèi)外流場進行數(shù)值模擬和分析，屬于流體力學(xué)的一個分支25。 本章主要簡單介紹了 cfd 的發(fā)展歷程，以及常見的 cfd 計算軟件，詳細介紹了本論文 將用到的 cfd 軟件fluent，包括 flunet 的原理，常見的湍流模型以及邊界條件。 2.1 計算流體力學(xué)簡介 2.1.1 cfd 簡介 早期對流體流動現(xiàn)象的分析主要依靠理論分析研究，但是由于方程未知數(shù)的個數(shù)常 大于方程數(shù)，也就是說方程不封閉，因此要對計算對象進行簡化和抽象，但是由于簡化 和抽象對研究結(jié)果造成不可預(yù)知的誤差甚至是錯誤，所以理論分析的發(fā)展不是很順利； 后來人們終于找到了一種新方法，那就是實驗研究的方法，但是由于實驗研究所牽扯到 的流動問題相當(dāng)復(fù)雜，同時還涉及到很多外部因素的影響，因此很難建立一種通用的模 型，所建立的模型局限性很強；后來隨者高性能計算機的問世，人們開始利用計算機進 行復(fù)雜流動問題的計算，而且在水利、航運、海洋、食品、環(huán)境、流體機械及相關(guān)流體 工程領(lǐng)域已有成功應(yīng)用。這種利用計算機技術(shù)進行流動問題的數(shù)值求解的方法就是計算 流體力學(xué)方法，目前已有相關(guān)計算流體力學(xué)商業(yè)軟件的問世，過去只能靠實驗手段得到 的某些結(jié)果，現(xiàn)在已完全可以借助數(shù)值模擬來準(zhǔn)確獲得。 2.1.1.1 cfd 的提出 計算流體力學(xué)是建立在經(jīng)典流體力學(xué)與數(shù)值計算方法基礎(chǔ)之上的一門新型獨立學(xué) 科，其基本定義是通過計算機進行數(shù)值計算和圖像顯示，分析包括流體流動和熱傳導(dǎo)等 相關(guān)的物理現(xiàn)象的系統(tǒng)。它兼有理論性和實踐性的雙重特點，建立了許多理論和方法， 為現(xiàn)代科學(xué)中很多復(fù)雜流動與傳熱問題提供了有效的計算技術(shù)。 cfd 方法和傳統(tǒng)理論分析方法、實驗測量方法組成了研究流體流動問題的完整體 系。理論分析的有優(yōu)點在于結(jié)果具有普遍性，各種影響清晰可見，是指導(dǎo)實驗研究和驗 證新的數(shù)值計算的理論基礎(chǔ)， 但往往要求對計算對象進行抽象和簡化， 才能得出理論解。 對于非線性情況，只有少數(shù)流動才能給出解析解；實驗測量方法是理論分析和數(shù)值計算 方法的基礎(chǔ)，其重要性不可低估，然而，實驗往往受到模型尺寸、流場擾動、人為因素 長安大學(xué)碩士學(xué)位論文 9 和測量精度的限制，而且還要投入大量的人力、物力和財力；cfd 方法很好地克服了理 論分析和實驗研究的缺點，在計算機上實現(xiàn)一個特定的計算，且可以形象地再現(xiàn)流動情 況。 利用 cfd 進行流場流動和傳熱現(xiàn)象的分析的基本思路是利用一系列有限個離散點 上的變量值的集合來代替空間域上連續(xù)物理量的場，如速度場和壓力場，然后按照一定 的方式建立這些離散點上變量間關(guān)系的代數(shù)方程組，通過求解代數(shù)方程組獲得場變量的 近似值。它可以看作是在流動基本方程控制下對流場的數(shù)值模擬。通過這種數(shù)值模擬， 可以得到極其復(fù)雜問題的流場內(nèi)各個位置上的基本物理量的分布，以及這些物理量隨時 間變化的情況，從而確定漩渦的分布情況、空化特性以及漩渦的脫流區(qū)等。此外 cfd 還可以與 cad 聯(lián)合，對流體機械的結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化設(shè)計。 cfd 具有較強的適應(yīng)性、較廣的應(yīng)用性等優(yōu)點。由于流體問題的控制方程一般是非 線性的，自變量多，計算區(qū)域的形狀和邊界條件復(fù)雜，很難求得解析解，只有用 cfd 的方法才有可能求得滿足工程需求的數(shù)值解。另外，cfd 方法不受物理模型和實驗?zāi)Ｐ?的限制，省錢省時，有較多的靈活性，能給出詳細和完整的數(shù)值計算結(jié)果，很容易模擬 特殊尺寸、溫度、有毒、易燃等真實條件和實驗中只能接近而無法達到的理想條件。然 而， cfd 也存在一定的局限， 其數(shù)值解法是一種離散近似計算方法， 依賴于物理上合理、 數(shù)學(xué)上可用，適合于在計算機上運行的有限數(shù)學(xué)模型，且最終結(jié)果不能提供任何形式解 析表達式，只是有限數(shù)量離散點的數(shù)值解，而且有一定的計算誤差。此外，cfd 軟件在 不很大程度上依賴于經(jīng)驗和技巧。 2.1.1.2 cfd 軟件的簡介 cfd 的應(yīng)用與計算機技術(shù)的發(fā)展密切相關(guān)。cfd 軟件最早于 20 世紀 70 年代誕生 與美國，只是近十年才得到了突飛猛進的發(fā)展和應(yīng)用。為了完成 cfd 計算，早期需要 用戶自己編寫計算程序，但是由于 cfd 復(fù)雜性及計算機軟硬件的多樣性，使得用戶各 自的應(yīng)用程序往往缺乏通用性，而 cfd 本身又有鮮明的系統(tǒng)性和規(guī)律性，因此，比較 合適商業(yè)化。 自從 1981 年以來， 出現(xiàn)了如 phoenics、 kiva、 cfx、 star-cd、 fidap、 fluent 等多個商業(yè)軟件，并且隨著計算機技術(shù)的進一步迅猛發(fā)展，這些商用軟件在工 程領(lǐng)域正發(fā)揮著越來越大的作用。下面對各個商用軟件進行介紹。 phoenics： 是第一個投入市場的cfd商用軟件， 該軟件的創(chuàng)始人d.b. spalding 以及合作者 s.v. patankar 提出了 simple 算法以及混合格式等，對后來開發(fā)的 商用軟件產(chǎn)生了較大的影響。近年來，phoenics 軟件在功能和方法方面做出 第二章 計算流體力學(xué)（cfd）概述及 fluent 軟件介紹 10 了較大改進，例如，在網(wǎng)格細化方面，多片式多網(wǎng)格嵌入技術(shù)，同位網(wǎng)格以及 非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格技術(shù)；在湍流模型發(fā)面，開發(fā)了通用的零方程、低雷諾數(shù)的-模 型、rng -模型等。該軟件主要用于包括城市污染預(yù)測、葉輪中的流動、管 道流動等工程實際問題的計算。 kiva：kiva 程序是發(fā)動機缸內(nèi)過程分析的軟件，由美國洛斯阿拉莫斯國家實 驗室與 1985 年開始推出的。它是建立在二維計算程序 conchas 程序（1979 年）和 conchas-spray（1982 年）的基礎(chǔ)之上的軟件，可以用來研究內(nèi)燃 機多維燃燒模擬的問題，也可以用來求解二維或三維的非定常多元化學(xué)反應(yīng)流 及蒸發(fā)性燃料射流問題。到目前為止 kiva 共有四個版本的計算程序，分別為 kiva、kiva-2、kiva-3 和 kiva-3v。kiva 是采用 fortran77 語言編寫的 程序，kiva-3v 可以用來計算包括進、排氣過程，可以模擬隨氣門運動的氣門 閥口附近氣流的流動狀況，還可以模擬包括缸內(nèi)氣流運動、燃油噴射、傳熱、 燃燒和廢氣生成等物理現(xiàn)象在內(nèi)的完整的發(fā)動機工作循環(huán)。在模擬噴霧方面 kiva 采用液滴碰撞和整合子模型， 后來在 kiva-2 中增加了液滴氣體動力學(xué)碎 裂模型，碎裂模型從泰勒 tab 模型轉(zhuǎn)化為瑞茲表面波增長模型，燃油碰壁反濺 模型，由單一組分燃油蒸發(fā)向多組分燃油蒸發(fā)過度，不斷完善了燃油噴射霧化 的模擬。 cfx：該軟件采用有限容積法、拼片式塊結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，在適體坐標(biāo)系上進行離 散、變量的布置采用同位網(wǎng)格方式。對流項的離散格式包括一階迎風(fēng)格式、混 合格式、quick、condif、musci 及高階迎風(fēng)格式。壓力與速度的耦合方式 采用 simple 系列算法，代數(shù)方程求解的方法中包括線迭代、代數(shù)多重網(wǎng)格、 iccg、 etone 強隱方法及塊隱式 （bim） 。 該軟件可以用來計算不可壓縮流動、 耦合傳熱、多相流、化學(xué)反應(yīng)、氣體燃燒等復(fù)雜問題。 star-cd：該軟件是基于有限容積的一個通用商用 cfd 軟件。在網(wǎng)格生成方 面，采用非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，單元的格式可以有六面體、四面體、三角形截面的棱 柱體、金字塔形的椎體以及六種形狀的其它多面體。可以用來計算包括穩(wěn)態(tài)和 非穩(wěn)態(tài)流動、牛頓流體及非牛頓流體的流動、多孔介質(zhì)中的流動、亞聲速及超 聲速流動在內(nèi)的很多復(fù)雜的工程問題。同時該軟件在汽車工業(yè)中也有很廣泛的 應(yīng)用。 fidap：這是流體動力分析包（fluid dynamics analysis package）的縮寫，該 長安大學(xué)碩士學(xué)位論文 11 軟件是由美國 fluid dynamics international inc.與 1983 年首次推出的， 同時也是 世界上第一個采用有限元法（fem）的 cfd 軟件。該軟件具有很強的兼容性， 可以兼容由 i-deas、patran、ansys 和 icemcfd 等著名網(wǎng)格生成軟件所 劃分的網(wǎng)格。該軟件可以計算可壓縮流及不可壓縮流、層流與湍流、單相流與 多相流、牛頓流體與非牛頓流體的流動問題。 fluent：這是 1983 美國 fluent inc.推出的計算流體力學(xué)軟件，是繼 phoenics 軟件之后第二個采用有限容積法并投放于市場的軟件。它包括結(jié)構(gòu) 化和非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格兩個版本。在結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格版本中有適體坐標(biāo)的前處理軟件， 同時也可以納入 i-deas、patran、ansys 和 icemcfd 等著名網(wǎng)格生成軟 件所生成的網(wǎng)格。速度與壓力耦合采用了同位網(wǎng)格上的 simplec 算法。對流 項差分格式采用一階迎風(fēng)格式、中心差分格式及 quick 等格式。軟件可以計 算可壓縮不可壓縮流動，含有粒子的霧化、蒸發(fā)、燃燒過程、多組分介質(zhì)的化 學(xué)反應(yīng)過程以及空化現(xiàn)象的問題。 2.1.2 cfd 求解過程 所有的商用 cfd 軟件計算過程都包括 3 個基本環(huán)節(jié)，分別為前處理、求解和后處 理，與之相對應(yīng)的程序模塊稱為前處理器、求解器和后處理器。 前處理器用于完成前處理工作。前處理環(huán)節(jié)是向 cfd 軟件輸入所求解問題的相關(guān) 數(shù)據(jù)，該過程一般是借助于求解器所對應(yīng)的對話框等圖形界面來完成的。用戶需要定義 所求問題的幾何計算區(qū)域，并將計算區(qū)域劃分為多個互不重疊的子區(qū)域，形成由單元組 成的網(wǎng)格，然后對所要求解的問題的物理和化學(xué)現(xiàn)象進行抽象，選擇相應(yīng)的控制方程， 最后定義流體的物性參數(shù)和初始邊界條件。 目前， 商用 cfd 軟件數(shù)值計算時， 超過 50% 的時間花在幾何區(qū)域的定義和計算網(wǎng)格的生成上，在建立幾何區(qū)域時可以使用 cfd 軟 件自帶的前處理器，也可以借助其它 cad 軟件提供的幾何模型。 求解器的核心是數(shù)值求解算法。常用的數(shù)值求解方案包括有限差分、有限元、譜方 法和有限體積法等?？偠灾?，這些方法的求解過程大致相同，都是首先借助簡單函數(shù) 來近似待求解的流動變量，然后將近似關(guān)系代入連續(xù)型的控制方程，形成離散方程組， 最后求解代數(shù)方程。各種數(shù)值求解方案的主要區(qū)別在于流動變量被近似的方法及相應(yīng)的 離散化過程。 后處理器是幫助用戶對流體計算結(jié)果進行觀察和分析，包括計算區(qū)域的幾何模型及 第二章 計算流體力學(xué)（cfd）概述及 fluent 軟件介紹 12 網(wǎng)格顯示、速度矢量圖、各種物理量的等值線圖/云圖、xy 散點圖、粒子軌跡圖等。借 助后處理功能，還可以動態(tài)地模擬流動效果，直觀的了解 cfd 的計算結(jié)果。 根據(jù)以上描述可以將cfd計算過程 描述為：首先，通過前處理器建立所要 求解問題的幾何計算區(qū)域；然后在此基 礎(chǔ)上劃分出滿足計算要求的網(wǎng)格，建立 計算節(jié)點；其次根據(jù)實際問題的流動狀 態(tài)建立流體流動的控制方程，采用合適 的算法，定義適當(dāng)?shù)倪吔鐥l件和初始條 件，然后設(shè)置收斂的標(biāo)準(zhǔn)，進行迭代計 算；最后當(dāng)計算求解器計算達到收斂的 標(biāo)準(zhǔn)后，借助后處理軟件對計算結(jié)果進 行后處理，得到流場的壓力云圖、速度 云圖、湍流強度云圖等其他物理變量的 云圖，以及速度矢量圖。其計算過程流 程如圖 2.1 所示。 圖圖 2.1 cfd 計算流程計算流程 2.2 fluent 軟件介紹 2.2.1 fluent 原理 cfd 數(shù)學(xué)模型是一系列的偏微分方程組，要得到解析解很困難，為了求解實際問題 的近似解，我們采用數(shù)值計算的方法來解決。fluent 也是采用數(shù)值方法，其基本思路 是這樣的，首先對流體區(qū)域進行離散化，然后通過一定的原則建立離散區(qū)域節(jié)點上的代 數(shù)方程，最后求解這些代數(shù)方程從而得到所求變量的近似解。fluent 對流體區(qū)域的離 散采用有限體積法（fvm） ，對流場的迭代求解的方法主要有 simple 算法、simplec 算法和 piso 算法。 2.2.1.1 有限體積法 有限體積法（簡稱 fvm） ，又稱為有限容積法，是近年來發(fā)展最迅速的一種離散化 方法，其特點是計算效率高。用有限體積法導(dǎo)出的離散方程可以保證具有守恒特性，而 且離散方程系數(shù)的物理意義明確。有限體積法是將所有計算區(qū)域劃分為一系列控制體 長安大學(xué)碩士學(xué)位論文 13 積，每個控制體積都有一個節(jié)點作為代表，通過將控制方程對控制體積積分來導(dǎo)出離散 方程。在積分過程中，需要對控制體積界面上的被求函數(shù)本身（對流通量）以及其一階 導(dǎo)數(shù)（擴散通量）的構(gòu)成做出假設(shè)，這就形成了不同的格式。由于擴散項多是采用相當(dāng) 于二階精度的線性插值，因此格式的區(qū)別主要體現(xiàn)在對流項上。 2.2.1.2 流體區(qū)域離散 在對實際的流體問題進行數(shù)值計算之前，首先就是要對空間上連續(xù)計算區(qū)域進行網(wǎng) 格劃分，將其劃分為多個子區(qū)域，并且確定每個區(qū)域的計算節(jié)點，從而生成計算網(wǎng)格。 然后將控制方程在網(wǎng)格上離散，即是將偏微分格式的控制方程轉(zhuǎn)化成各個節(jié)點上的代數(shù) 方程組。 1 計算區(qū)域的離散 將計算區(qū)域劃分為許多個互不重疊的子區(qū)域，并確定每個子區(qū)域的節(jié)點位置及節(jié)點 所代表的控制體積。計算區(qū)域離散的網(wǎng)格有兩種：一種是結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，此種網(wǎng)格的節(jié)點 排列有序，即當(dāng)給出了一個節(jié)點編號后，立即可以得出其它相鄰節(jié)點的編號，所有內(nèi)部 節(jié)點周圍的網(wǎng)格數(shù)目相同，這種網(wǎng)格生成容易，對一些規(guī)矩的流體區(qū)域能夠劃分出滿意 的網(wǎng)格，同時計算時間短，但是網(wǎng)格的使用范圍??；另外一種是非機構(gòu)化網(wǎng)格，此種網(wǎng) 格內(nèi)部節(jié)點以一種不規(guī)則的方式布置在流場中，各節(jié)點周圍的網(wǎng)格數(shù)目不盡相同，其網(wǎng) 格生成復(fù)雜，計算時間加長，但卻就有很大的優(yōu)越性，可以很容易的對結(jié)構(gòu)復(fù)雜的區(qū)域 劃分出適當(dāng)?shù)木W(wǎng)格。 2 控制方程的離散 流體流動需要遵循物理守恒定律，這些定律包括質(zhì)量守恒定律、動量守恒定