周乃君;杨晓力;邢志海;黄庆;刘慧
【摘 要】利用FLUENT软件,采用WAVE破碎及标准k-ε湍流模型,对高压燃油喷射雾化过程进行数值模拟研究；在可视化实验平台上,借助高速摄影技术,结合C#语言开发的图像处理软件,分析得出宏观喷雾特性.采用数值模拟方法获得了各种工况下的喷雾贯穿距和锥角等宏观特性的发展规律.研究结果表明:仿真结果与试验结果较吻合.喷射压力越大,喷雾贯穿距越大,喷雾锥角越小；背压越大,喷雾贯穿距越小,喷雾锥角越大;随着喷射时间的增加,单位时间内贯穿距离和喷雾锥角的增加幅度都呈逐渐减小的趋势.%With WAVE breakup model as well as standard k-e turbulence model, numerical simulation for spray characteristics was established by FLUENT on high pressure common rail fuel injection system. With the visualization of experimental platform, many spray process images were obtained using a high speed camera. Processing these images through C# procedure, macro-spray characteristics under different conditions were obtained, and then the development of spray characteristics was achieved by numerical simulation under various conditions, including spray penetration and spray cone angle. The results show that numerical simulation model is reliable and can be well verified by experiment data. With the increase of injection pressure, the spray penetration increases and the spray cone angle decreases; with the increase of gas pressure in the cylinder, the spray penetration decreases and the spray cone angle increases. With the increase of injection time, the rate of spray penetration and spray cone angle are gradually decreased.
【期刊名称】《中南大学学报（自然科学版）》 【年(卷),期】2012(043)010 【总页数】5页(P4063-4067)
【关键词】高压共轨;燃油喷射;雾化特性;数值模拟 【作 者】周乃君;杨晓力;邢志海;黄庆;刘慧
【作者单位】中南大学能源科学与工程学院,湖南长沙,410083;中南大学能源科学与工程学院,湖南长沙,410083;中南大学能源科学与工程学院,湖南长沙,410083;中南大学能源科学与工程学院,湖南长沙,410083;中南大学能源科学与工程学院,湖南长沙,410083 【正文语种】中 文 【中图分类】TK427
在柴油机缸内燃烧过程中，燃油喷雾贯穿距和锥角将影响到燃烧室的设计和形状，涉及柴油机效率与寿命。缸内燃烧程度直接关系柴油机的动力性、经济性和排放性能[1−2]，而燃烧过程的诸多影响因素中，燃油的喷射雾化质量是获得高燃−空混合速率和混合质量的核心和关键[3−5]。所以，研究喷雾特性的影响因素和变化规律，对于优化燃烧系统从而提高电控柴油机的性能至关重要[4−6]。目前，关于燃油雾化特性的研究主要是在中低压(20 MPa以下)喷射前提下开展的，但高压共轨柴油机的喷射压力达到200 MPa左右，对其喷雾特性的研究还相当缺乏。因此，本文作者采用CFD数值模拟技术建立燃油高压喷射雾化模型，并借助先进的高速摄影喷雾可视化试验[7−9]分析手段对高压喷雾特性进行研究，检验数学模型的合
理性，进而对高压共轨燃油雾化特性进行数值预报。 1 物理参数与几何模型
为了使燃油喷雾场更直观和便于检测，采用单孔喷油器和定容室进行雾化特性研究。喷油系统物理参数如下：喷油器为单孔，孔径为0.25 mm；定容模拟气缸内径为75 mm，长为150 mm；试验温度为40 ℃；燃油为 0号轻柴油；黏度为 2.5 mm2/s；密度为 845 kg/m3；表面张力系数为0.031 N/m。
由于圆柱形气缸为几何对称结构，因此，采用二维及四边形网格进行建模。在喷雾过程中，喷射时间很短及喷油器的孔径较小，因而，需要对网格细化分。本文对定容室中的关键部位进行了局部加密处理，总网格数为22 500个。连续相为定壁温边界条件，壁温为313 K，离散项边界条件为reflect条件[10]。 2 数学模型
高压共轨燃油喷射雾化特性主要涉及到气液之间的相互耦合作用，因此，选用耦合求解器和 PISO算法[11−12]，同时采用标准 k−ε湍流模型[13−14]进行模拟。喷雾模型采用 DPM模型中的平口雾化模型，颗粒尺寸分布采用liner分布[15]，并且视为不可压缩流体。对于高压燃油喷射雾化，当韦伯数We＞100时，WAVE破碎模型的适应性更好[14]。
在WAVE模型中，破碎时间及破碎后液滴的尺寸与快速增长的 Kelvin-Helmholtz不稳定表面波有关[12]。通过数值方法的拟合，Reitz[13]计算出了最不稳定波最大增长率Ω和相应的波长λ：
其中：Oh为昂赛格数；Ta为泰勒数。表达式如下：
式中：a为射流油束中大液滴的半径；We1和We2分别为液体与气体的韦伯数。 其次，破碎后小液滴的半径r可通过下式计算：
其中：模型常数B0=0.61；而大液滴在破碎后的半径变化率为：
式中：τ为破碎时间，由下式计算可得。
式中：B1为破碎时间常数，取值范围为1～60[14]。破碎时间常数与初始射流的湍流程度相关联，并且对不同的喷嘴其取值不同，由于湍流度为4.5%，喷嘴直径为0.25 mm，对照破碎时间常数的合适取值[16]，通过仿真结果与试验结果的比较，本文取1.73。 3 可视化实验系统
为检验数值模拟结果的可靠性，作者构建了相应的实验系统。主要由GS−1000型高压共轨燃油喷射试验台、控制系统(ECU)、高速摄影图像拍摄系统及定容压力室 4部分构成，试验装置参见文献[10]。实验过程是：向定容压力室内充注高压空气至试验设定的背压要求，通过ECU控制高压共轨系统的喷射压力及喷油脉宽，喷油触发的同时开启高速摄影对喷雾场进行拍摄[7−8]。
利用C#语言基于灰度变换、滤波等原理[17]开发了图像分析软件。先将 RGB图像转换成灰度图像，选取合适的油束与背景相区分的阈值对灰度图像进行二值化，然后反色处理，并利用边缘检测、滤波以及哈弗变换对图像进行检测。其长度和角度的测量精度可分别达0.01 mm和0.1°，能满足试验要求。 4 仿真结果与试验结果的对比 4.1 喷雾场数值模拟结果
以喷射压力100 MPa，定容室背压2 MPa为例对喷雾特性进行模拟计算，通过设定 DPM 模型的相关参数，得到了1.5 ms喷射时间内的喷雾粒子空间分布结果，如图1所示。
4.2 喷雾实验结果
选取喷射压力为100 MPa、定容室背压为2 MPa工况下的喷雾场图像作为对比对象，如图2所示。
图1 喷射压力为100 MPa、背压为2 MPa时的粒子空间分布图Fig.1 Spatial distribution of particles at 100 MPa of injection pressure and 2 MPa of gas pressure in cylinder
图2 喷射压力为100 MPa、背压为2 MPa工况下的喷雾场Fig.2 Spray velocity field at 100 MPa of injection pressure and 2 MPa of gas pressure in cylinder
4.3 结果对比及分析
运用自行开发的图像分析软件，对图1和图2所示的图像进行检测并校核后，得到图3所示的喷雾贯穿距和喷雾锥角的对比图及相对误差。
由图3可知：计算得到的喷雾贯穿距、喷雾锥角随时间的变化曲线与实验值在变化趋势和变化幅度上是基本一致的，模拟值比实验值略大，喷雾贯穿距平均相对误差为 6.79%；喷雾锥角平均相对误差为9.25%。考虑到观测的雾矩界面不是太清晰，而且采用图像识别时会丢失雾矩边缘的稀疏小液滴区，因而，实际雾矩长度和锤角应当比测定结果大。总体来看，模拟结果与实验结果较吻合，说明本文所采用的模型是合理、可靠的。
4.4 喷雾贯穿距和喷雾锥角的数值预报
采用经过检验的数学模型，可进一步就不同喷射压力、背压等参数对燃油喷射雾化特性的影响规律进行数值研究，以预报在实验难以达到的参数条件下的喷雾特性，结果如图4和图5所示。
图3 喷雾贯穿距、喷雾锥角试验值与仿真值对比Fig.3 Spray penetration and spray cone angle of experiment value compared with simulation
(1) 由图 4可知：喷射压力越大，喷雾贯穿距越大，喷雾锥角越小；此外，随着喷雾时间的变化，在背压气体的作用下，在相同时间内贯穿距离的增加量逐渐减少。其原因是喷射压力越大，柴油从喷油器喷出的初速度较大，具有较大的动能，因而在相同的时间内贯穿距离就越远；但同时由于空气阻力的存在，雾矩中液滴的速度越来越低，因而，对于同一种喷射压力，在相同的时间内贯穿的距离就越来越短，即贯穿距离曲线的斜率会逐渐降低。此外，由于在高喷射压力下，喷雾场外围颗粒并没有获得和低喷射压力时相同的时间来发生雾化，液滴速度逐渐减小，气液耦合作用降低，所以，高喷射压力时雾化锥角较小。
(2) 由图5可知：背压越大时，喷雾贯穿距越小，喷雾锥角越大。背压越大表示定容室内气体密度越大，单位空间内的气体分子增加，气体和液滴之间的碰撞概率越大，因而会造成柴油粒子速度降低得越快，贯穿距变小。在100 MPa的喷射压力下，4 MPa的背压对贯穿距特性而言是一个明显的“分界点”，当喷射压力提高时，这个“分界点”的数值也随之增大。另一方面，当背压增大时，空气密度的增加使得喷雾所受阻力增大，喷雾卷吸雾滴场的空气量增多，进一步加大了流束边界层的扩展，尤其是喷雾远场呈现更加显著的发散状，所以，锥角随着背压的增大而增大，但不是呈线性关系。相对于较低的背压1 MPa和2 MPa，喷雾锥角明显变小，其原因在于单位空间内气体分子数相对较少，柴油粒子和气体分子之间碰撞程度减弱，呈现出液滴速度降低较少，锥角变化较大的现象。
(3) 由图4和5可看出：对于某一固定的喷射压力和背压条件，随着喷射时间的增加，单位时间内贯穿距离和喷雾锥角的增加幅度都呈逐渐减小的趋势。 图4 不同喷射压力条件下的喷雾贯穿距、喷雾锥角随喷射时间的变化(背压为4 MPa)Fig.4 Spray penetration and spray cone angle at different injection pressures(a) 不同喷射压力条件下喷雾贯穿距随喷射时间的变化；(b) 不同喷射压力条件下喷雾锥角随喷射时间的变化喷射压力/MPa：1—100；2—120；3—150；
4—180
图5 不同背压条件下的喷雾贯穿距、喷雾锥角随喷射时间的变化(喷射压力为100 MPa)Fig.5 Spray penetration and spray cone angle at different gas pressures in cylinder(a) 不同背压下喷雾贯穿距随喷射时间的变化；(b) 不同背压下喷雾锥角随喷射时间的变化背压/MPa：1—1；2—2；3—4；4—6；5—8 4.5 实验工况与数值模拟下喷雾贯穿距和喷雾锥角的相对误差
鉴于实验条件和安全因素的考虑，本文没有进行6 MPa和8 MPa背压下的喷雾实验。将典型工况不同背压下的贯穿距和锥角相对误差进行分析，结果如表1所示。
由表1可知：在不同的背压下，贯穿距和锥角的相对误差均随着喷射时间的延长而增大，随着背压的增加，两者的相对误差均表现出减小的趋势。原因是当背压增大时，气动作用和剪切力促使边界层的扰动增强，雾矩截面受到的阻力增大，进一步加大了油滴粒子与空气的相互作用，从而使得喷雾边缘界面更加清晰，边界面处稀疏的小液滴区域丢失现象下降，从而提高了测量的精度。其次，两者的相对误差均定义为模拟值与实验值的差值除以实验值，实验值的偏小造成了整体平均相对误差偏大。
表1 100 MPa时同一喷射压力下喷雾贯穿距和锥角的相对误差Table 1
Numerical error for spray penetration and spray cone angle at 100 MPa of injection pressure贯穿距相对误差/% 锥角相对误差/%喷射时间/ms 1 MPa 2 MPa 4 MPa 1 MPa 2 MPa4 MPa 0.3 5.99 3.94 3.52 −8.53 −3.45 −5.75 0.6 6.47 5.54 5.23 9.18 7.12 5.94 0.9 7.12 6.85 5.61 9.38 9.63 6.44 1.2 7.81 7.02 6.12 9.92 12.65 6.98 1.5 — 10.60 6.22 10.00 13.40 7.20平均值 6.85 6.79 5.34 9.40 9.25 6.46 5 结论
(1) 利用FLUENT软件，采用WAVE破碎及标准k−ε湍流模型可以有效地对单次喷射过程进行数值模拟。
(2) 在背压一定时，随着喷射压力的增加，喷雾宏观特性表现为喷雾贯穿距逐渐增大，喷雾锥角逐渐减小，并且在相同时间内两者的增加幅度逐渐减小。
(3) 随着背压的增加，在同一喷射压力下，实验工况与数值模拟下喷雾贯穿距和锥角的相对误差均呈现逐渐减小的趋势。
(4) 当喷射压力或者背压一定时，随着喷射时间的增加，喷雾贯穿距和喷雾锥角在单位时间内增加的幅度均呈现逐渐减小的趋势。
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