噴霧油束霧化噴霧噴霧劑的應(yīng)用

噴霧油束霧化噴霧噴霧劑的應(yīng)用

燃油噴霧霧化和燃油醇霧化對柴油噴射系統(tǒng)中的噴射油束的控制是優(yōu)化燃油消耗和提高空氣利用率的關(guān)鍵，尤其是噴嘴頭部微結(jié)構(gòu)的變化對噴射孔的輸出特性有很大影響。當(dāng)前對噴嘴而言,通?？紤]盡可能多噴孔、小孔徑及小的壓力室,以產(chǎn)生最優(yōu)的噴霧油束。燃油噴霧霧化被分成兩個主要部分:初次破裂和二次破裂,這一觀點(diǎn)當(dāng)前已逐步被內(nèi)燃機(jī)界所認(rèn)可發(fā)生于接近噴孔處的初次霧化除了由液相和氣相相互作用所決定,也受噴嘴內(nèi)部流動的湍動及空穴現(xiàn)象的影響。所以噴嘴頭部結(jié)構(gòu)不斷做出改進(jìn)后的噴霧特性研究,對噴嘴內(nèi)部流動的研究是不可或缺的。當(dāng)前國內(nèi)由于各種客觀原因尚未對噴嘴內(nèi)部流動進(jìn)行可視化試驗(yàn)研究,本文則結(jié)合國外所做試驗(yàn)對有壓力室(通常所說的標(biāo)準(zhǔn)型STD)噴嘴、無壓力室(VCO)噴嘴及在這兩者基礎(chǔ)上加以改進(jìn)后的噴嘴——IM-PROVED噴嘴內(nèi)部流動進(jìn)行了計(jì)算機(jī)三維數(shù)值模擬對比分析。1噴嘴空穴兩相湍流模型本文對圖1所示的3種結(jié)構(gòu)的垂直多孔噴嘴(4×0.32mm),在噴油壓力為100MPa,氣缸背壓為0.1MPa時,分別在不同的針閥升程(0.1mm、0.2mm和0.3mm)下,進(jìn)行計(jì)算機(jī)數(shù)值模擬分析。由圖1可看出,3種結(jié)構(gòu)噴嘴只有頭部細(xì)微結(jié)構(gòu)的不同。STD噴嘴,在噴孔之前有相對較大的壓力室。VCO噴嘴則基本無壓力室,燃油通過狹窄的環(huán)形空間進(jìn)入噴孔。IMPROVED噴嘴對上述兩種結(jié)構(gòu)進(jìn)行了融合,有壓力室,但要小于STD結(jié)構(gòu),噴孔入口的位置接近VCO結(jié)構(gòu),比較靠上,位于燃油流經(jīng)通道開始擴(kuò)散處。對多孔垂直噴嘴內(nèi)部完全發(fā)展了的空穴流動進(jìn)行依賴時間的三維氣液兩相湍流數(shù)值模擬。數(shù)學(xué)模型以Rayleigh所發(fā)展的單氣泡潰滅模型為基礎(chǔ)而建立。采用混合多相流模型,通過一套量級分析法表明,對目前的噴嘴空穴流動,可不考慮兩相間的相對運(yùn)動,認(rèn)為氣液兩相是均勻混合體,采用單流體法,此時基本的運(yùn)動方程和連續(xù)性方程等和單相流體運(yùn)動有同一套表達(dá)形式。只是噴嘴空穴兩相流動中的密度、黏度均采用混合密度ρ和混合黏度μ來表示:式中:ρ1、ρv、μ1、μv分別為純液相和純氣相的密度和黏度,為常數(shù);α為氣相體積分?jǐn)?shù),即空穴在氣液混合體中所占比例。當(dāng)假定空穴區(qū)中的氣相是由許多很小的球狀氣泡組成時,α作如下計(jì)算:于是噴嘴三維空穴兩相湍流模型基本控制方程如下:(1)連續(xù)性方程(2)動量方程(3)氣相輸運(yùn)方程(4)單個氣泡的成長破裂過程,根據(jù)RayleighPlesset方程有(5)k-ε方程(6)壁面律方程式中:C1ε=1.44,C2ε=1.92,σk=1.0,σε=1.3,Cμ=0.09,k=0.42,B=5.44,V為流速,p為壓力,F為體積力(不包括重力),t為時間,ρ為混合密度,μ為混合黏度,n0為單位體積純液體中所含氣泡數(shù),k為湍動能,ε為耗散率,pB為氣泡內(nèi)壓力,σ為表面張力系數(shù),y為壁面距離,y+為距壁面的無量綱距離,u為速度沿壁面的切向分量,uτ為切應(yīng)力速度,υ為動力黏度。方程的離散均采用基于內(nèi)節(jié)點(diǎn)的有限容積法,壓力修正采用SIMPLEC算法。對流項(xiàng)的空間差分采用一階迎風(fēng)格式其他則采用二階中心差分,時間采用隱式法。進(jìn)出口均采用壓力邊界,但由于噴孔內(nèi)部空穴的出現(xiàn),噴孔出口壓力往往已不同于氣缸壓力。當(dāng)出口壓力設(shè)為氣缸壓力時勢必影響噴孔內(nèi)部流動計(jì)算的準(zhǔn)確性,所以本文提出將出口邊界延伸至氣缸內(nèi)部,建立圖2所示的計(jì)算求解區(qū)域,使得出口邊界取為氣缸壓力時,更貼近實(shí)際,也大大減小了出口對噴孔內(nèi)部求解區(qū)域的影響。表1列出了噴嘴計(jì)算的邊界條件。由于計(jì)算區(qū)域內(nèi)湍流運(yùn)動很強(qiáng)烈,進(jìn)出口邊界上k、ε取值對計(jì)算結(jié)果影響不大,可據(jù)公式(4)計(jì)算,對固壁邊界,流速無滑移,取為0,壓力取第二類邊界條件。對垂直多孔噴嘴,噴孔沿圓周均勻分布,所以取噴嘴流動區(qū)域的1/n(n為噴孔數(shù))進(jìn)行數(shù)值模擬,采用分塊耦合的方法生成三維結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格,對噴孔處做局部加密處理。2針閥升程的影響圖3、圖4分別為不同針閥升程下的壓力(p)、速度(v)和氣相體積分?jǐn)?shù)(α)分布的計(jì)算結(jié)果。其中氣相體積分?jǐn)?shù)分布即可反映空穴在噴孔內(nèi)部的分布情況。從中看出,對STD噴嘴,針閥升程小時(h=0.1mm),噴孔入口處壓力和速度的值均較小,噴孔出口處速度同樣也較小,即通過控制針閥升程可以控制噴油速率,但針閥升程小時,噴孔入口前的噴油壓力也相應(yīng)的降低,噴霧特性會變得很差。所以采用控制針閥升程的座面節(jié)流,很難同時控制噴油速率及獲得好的油束霧化,基于此對結(jié)構(gòu)做出改進(jìn)后,就有了隨后VCO和IMPROVED的出現(xiàn)。由速度分布圖可以大致作以下判斷:針閥升程小時,其噴孔有效流通面積AHe(定義為速度矢量指向噴孔出口時噴孔中的最小面積)也略有減小,而文獻(xiàn)中提到:對標(biāo)準(zhǔn)噴嘴,由于針閥到噴孔之間的距離L不會跟VCO和IM-PROVED一樣隨針閥升程的變化而變化,而基本保持常數(shù),壓力室中的燃油流動不隨針閥升程的變化而變化,燃油流通的有效噴孔面積也不隨針閥升程而變。顯然此處出現(xiàn)這種矛盾的主要原因在于文獻(xiàn)中所做的計(jì)算沒有考慮空穴的存在,而我們從圖4的3個圖(不同針閥升程時的空穴分布情況)看出,針閥升程小時,空穴層相應(yīng)的會厚很多,從而噴孔有效流通截面肯定會有所減小。由于空穴現(xiàn)象的存在,使得噴孔的流量系數(shù)也有很大的不同。3針閥升程對噴射孔流量的影響噴嘴結(jié)構(gòu)由STD標(biāo)準(zhǔn)型、VCO無壓力室型到IMPROVED改進(jìn)型,結(jié)構(gòu)的不同對流動的影響,對低針閥升程來說更為顯著,故此處在針閥升程h=0.1mm的情況下,對3種結(jié)構(gòu)噴嘴進(jìn)行數(shù)值模擬對比分析。圖5a、圖5b和圖5c分別為3種噴嘴的壓力、速度和空穴分布的數(shù)值計(jì)算結(jié)果。由圖5a和圖5b看出,在無壓力室噴嘴和改進(jìn)型噴嘴中,在低針閥升程時,噴孔入口處的噴射壓力和速度均比標(biāo)準(zhǔn)型的有所提高。經(jīng)燃油流動分析,可以解釋為當(dāng)針閥升程減小時,針閥座面流通面積明顯減小這對無壓力室噴嘴和改進(jìn)型噴嘴而言,會限制噴孔入口燃油流通,相反標(biāo)準(zhǔn)型噴嘴則不存在這種情況。所以在小針閥升程下,與標(biāo)準(zhǔn)型噴嘴相比,無壓力室噴嘴和改進(jìn)型噴嘴中,由于燃油是通過受限制的噴孔流通面積,噴孔入口前的實(shí)際噴射壓力和速度均自然要高于標(biāo)準(zhǔn)型的。由湍動造成的噴孔出口液流紊亂,應(yīng)該是VCO和IMPROVED比STD嚴(yán)重,從這個角度我們預(yù)測VCO噴嘴和IMPROVED噴嘴在噴射開始(低針閥升程)時產(chǎn)生的油霧霧滴比標(biāo)準(zhǔn)噴嘴要小。就VCO無壓力室噴嘴和IMPROVED改進(jìn)型噴嘴而言,噴孔內(nèi)部流動的壓力損失系數(shù),低針閥升程不同于高針閥升程,所以在低針閥升程時,需對正常噴油狀態(tài)(高針閥升程下)分析獲得的壓力損失進(jìn)行修正,損失修正系數(shù)為ζc,有如下的經(jīng)驗(yàn)公式:式中:C1、C2為常數(shù),L為針閥到噴孔間的垂直距離。顯然損失修正系數(shù)ζc受L的影響,當(dāng)L減小到一定程度后,ζc開始顯著增加,噴孔流量系數(shù)就開始降低。對VCO型,L在針閥升程變化的整個過程中始終比較小,噴油速率也就被限制在低值上,而對IMPROVED而言,針閥的頭部錐面與噴嘴體錐面的不平行性增加,接近STD型,L值也因而增加,ζc減小,從而噴孔流量系數(shù)會比VCO型的有所增加流動的綜合特性好于型從圖5c空穴分布發(fā)現(xiàn),VCO噴嘴內(nèi)部空穴層最薄,而STD最厚,即空穴造成的液流紊亂在VCO噴嘴中又最為微弱,IMPROVED結(jié)構(gòu)噴嘴則介于STD和VCO之間,優(yōu)于VCO噴嘴,所以從該角度考慮,同樣認(rèn)為IMPROVED噴嘴霧化特性好于VCO噴嘴。圖6和圖7分別是VCO噴嘴和IM-PROVED噴嘴在不同針閥升程下的速度和空穴分布圖,結(jié)合圖4,可以看出這3種類型噴嘴,隨針閥升程的增加,噴孔內(nèi)平均速度均會增加,特別是在小針閥升程時,由于座面流通面積小,噴孔入口處,速度均不能達(dá)到較高。噴孔有效流通面積也均與噴孔內(nèi)部空穴區(qū)域的分布有很密切的關(guān)系。噴孔入口和噴孔出口處平均速度的差異正是噴孔內(nèi)部空穴現(xiàn)象的直接反應(yīng),差異的大小也直接與噴孔空穴分布區(qū)域的大小有關(guān)。4噴霧發(fā)展過程投影圖在自行研制的噴霧燃燒過程多功能動態(tài)可視化試驗(yàn)裝置上進(jìn)行了不同噴嘴結(jié)構(gòu)時噴霧發(fā)展過程的可視化試驗(yàn),并進(jìn)行了試驗(yàn)結(jié)果的對比分析。圖8則為該裝置的光路示意圖。激光器發(fā)出的鐳射點(diǎn)光源5經(jīng)擴(kuò)束鏡4和準(zhǔn)直鏡3轉(zhuǎn)換為準(zhǔn)直平行光,經(jīng)半透半反鏡2,透射后到達(dá)平面反射鏡7(與水平方向呈45°放置),被反射后直接穿過石英玻璃將燃燒室內(nèi)照亮,當(dāng)出現(xiàn)噴霧和燃燒時,相應(yīng)的噴霧像和燃燒火焰像再經(jīng)石英玻璃和45°的平面反射鏡到達(dá)半透半反鏡,此時利用其反射功能將像反射進(jìn)入高速數(shù)碼攝像機(jī),完成噴霧和燃燒全過程記錄。利用上述試驗(yàn)裝置,在噴油壓力為18MPa時,對STD類型、VCO類型和IMPROVED類型3種噴嘴結(jié)構(gòu)分別進(jìn)行試驗(yàn)。其中,高速數(shù)碼攝像機(jī)的拍照速度調(diào)至5000幅/s,此時所拍攝的每兩張照片間的時間間隔Δt為0.2ms。隨后,對通過高速數(shù)碼攝像機(jī)拍攝得到的每幅試驗(yàn)照片進(jìn)行簡化處理后的噴霧發(fā)展過程投影圖見圖9所示。由試驗(yàn)數(shù)據(jù)所獲得的3種不同結(jié)構(gòu)類型噴嘴的噴霧發(fā)展過程投影圖可以清楚地看出,STD噴嘴噴霧錐角小,VCO噴嘴噴霧錐角大大增加,但同時其噴霧貫穿距減弱,噴霧形狀有了較大變化。將這兩種噴嘴的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)進(jìn)行綜合和改進(jìn)后出現(xiàn)的IMPROVED結(jié)構(gòu)噴嘴在噴霧錐角增加的同時,具備了類似于STD噴嘴的優(yōu)異性能,即VCO噴嘴所存在的噴霧貫穿距減弱和噴霧變化問題得以改進(jìn)。通過試驗(yàn)的對比分析得到了和數(shù)值模擬分析同樣的結(jié)果:IMPROVED噴嘴綜合性能優(yōu)于STD噴嘴和VCO噴嘴。5噴嘴內(nèi)部流動特性對比(1)不同結(jié)構(gòu)噴嘴(STD、VCO和IM-PROVED)在不同針閥升程下內(nèi)部氣液兩相流動的三維數(shù)值模擬的可視化計(jì)算結(jié)果表