基于FIRE的电控喷油器喷嘴内流特性仿真研究.pdf

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第42卷第1期2013年2月小型内燃机与摩托车SMALLINTERNALCOMBUsrnONENGINEANDMOTORCYCLEV01．42No．1Feb．2013基于FIRE的电控喷油器喷嘴内流特性仿真研究张晓怀1胡平2(1一海军工程大学船舶与动力学院湖北武汉4300332一海军91251部队高速机教研室)摘要：电控喷油器喷嘴结构及内流特性不仅决定着喷雾质量，而且影响着喷油特性。由于喷孔内部流动具有流动空间极小、高速强湍流运动和瞬态性等特点，使得直接观察和测量喷孔内的流动情况变得相当困难。本文利用AVL公司开发的FIRE软件，采用多相流模型，对4种不同结构喷嘴的内流场进行了多维数值模拟，研究了非轴对称喷嘴结构参数对喷孔内流场及喷嘴质量流量的影响。关键词：柴油机共轨系统喷嘴内流数值模拟中图分类号：TK413．8+4文献标识码：A文章编号：1671—0630(2013)01—0046—05SimulationStudyontheNozzleInternalFlowCharacteristicsofElectronicInjectorBasedonFIREZhangXiaohuail，HuPin921一ShippingandPowerAcademy，NavyUniversityofEngineer(Wuhan，Hubei，430033，China)2一TeachingandResearchSectionofHighSpeedMachine，91251ArmyofNavyAbstract：Thestructureofnozzleandinternalflowcharacteristicsofelectronicinjectornotonlydecidethequalityofspray，butalsoinfluencecharacteristicsofinjection．Nozzleinternalflowhasthecharacteristicsofminimalspaceofflows，high-speedstrongturbulencemotionandtransientproperty，whichmakesitverydiffi—culttoobserveandmeasureflowconditionsinnozzledirectly．UsingFIREsoftwaredevelopedbyAVLCompa—ny，andapplyingmultiphaseflowmodel，multi-dimensionalnumericalsimulationonflowfieldinfourdifferentstructurenozzlesisperformed，andtheeffectsofstructureparameterofnonaxisymmetricalnozzleonnozzlein-ternalflowfieldandnozdemassflowarestudied．Keywords：Dieselengine，Commonrailsystem，Nozzleinternalflow，Numericalsimulation引言电控喷油器油嘴内部的流动是一个非常复杂的流动问题。近年来，许多学者在这方面开展了大量的研究工作，其结果表明柴油机喷嘴内部的流动状态对喷雾特性有着显著的影响‘1川。鉴于喷油器喷嘴内部结构及流动的复杂性，不太容易直接观察和测量喷孔内部的流动状态，基于CFD的多维数值模拟被越来越多地运用于喷嘴内流特性的研究中。多维数值模拟方法可以详细地描绘喷嘴内部流场的变化，得到常规试验方法很难获得的结果。通过分析喷嘴结构参数对燃油作者简介：张晓怀(1963一)，男，副教授，主要研究方向为船舶动力及热力系统的科学管理。 第1期张晓怀等：基于FIRE的电控喷油器喷嘴内流特性仿真研究47在喷孔内部流动特性的影响规律，可以大大减少试验的次数和节省经费，还可以为喷油器喷嘴的设计和优化提供可靠的依据。1数学模型柴油机喷油嘴内的流动属于气液两相流体问题。对于这样的两相流动问题，主要有两种模拟方法：一是欧拉一欧拉法，它是一种模拟多相流问题的通用方法；另一种是欧拉一拉格朗日方法，对于两相流问题，将其中一种流体作为连续性的流体，采用欧拉方法求解，另一种流体则作为离散性的流体，采用拉格朗日方法求解。本文使用CFD来进行喷油嘴内流的计算，软件中多相流模型是基于欧拉一欧拉方法旧』。1．1守恒方程1)质量守恒方程警+V·a舢。=∑n(1)V’1=1．1≠k式中：I|}=1，⋯，N，a。是第k相的体积分数，且满足，v芝：Ot。=1，P。是第k相的密度，％是第k相的速度，n。k=1代表k相和Z相界面上的质量交换率。2)动量守恒方程—00_t驴-k—Vk+一V．OtJ}JOkVk：一otk—VP+一V．otk(下k+曩)——_=■一+。=一+。L下k+l^JolN』v+a护，+∑Mu+‰∑几(2)l=1。l≠kl：1．1≠k式中：矗=l，⋯，J7、r／表示体力，它包括重力g和旋转形式的内力(一∞X∞Xr一200X‰)；帆代表k相和Z相界面上的动量作用；p是压力，各相的压力认为相等。2喷嘴内流场三维CFD建模2．1建模对象及网格划分在针阀最大升程时，对喷嘴喷孔处的流动进行定常流分析即可获得该处燃油足够精确的流动特性【4J，同时考虑到燃油在喷嘴阀座人口上游的流速非常小，且方向一致，故取针阀最大升程时喷嘴端部的流动区域为计算区域。由于TBD234柴油机喷油器采用非对称喷嘴，故必须对喷嘴进行整体建模，在应用FIRE软件进行仿真之前，首先应用三维绘图软件Pro／Engi．neer对喷油器喷嘴进行三维几何造型，生成以．stl为扩展名的文件，再导人FIRE软件进行数值模拟。首先建立7孔喷嘴的Pro—E模型，然后划分网格后如图l所示，喷孔入口附近区域以及壁面的网格进行了加密处理，最大体网格尺寸小于1X10～m，网格单元总数为133435个。图1喷油嘴区域的计算网格2．2计算边界条件进出口均设为压力边界条件，针阀升程为0．27mm，进口压力为130MPa，出口压力为2MPa。计算时假设柴油为不可压缩的流体，不考虑流动过程中的能量损失和转换，以及燃油粘度随温度、压力变化的影响；饱和蒸汽压设为892Pa；喷孔壁面粗糙度设为101山m。在计算喷嘴内部流动时，湍流模型选用对标准k一￡方程进行修正后的k一∈一f模型求解动量守恒和连续性方程，压力速度耦合采用Simple算法，喷油嘴内的气液两相流计算采用欧拉一欧拉算法，壁面边界条件采用标准函数法∞J。3仿真计算与结果分析3．1计算模型的验证为了验证计算模型的有效性，将计算结果与试验测得的柴油机示功图进行比较。图2为标定工况下示功图的计算值与试验值比较。可以看出，计算结果与试验结果基本吻合，从而验证了计算模型的准确性。∞山=R出长曩图2示功图模拟值和试验值的对比 48小型内燃机与摩托车第42卷3．2孔数与孔径的影响在保证喷孔总流通面积基本相等的情况下，对不同孔数和孔径下喷嘴内流场进行分析。喷射夹角保持128。不变，设计了4种喷嘴方案，方案如表1所示。图3为4种方案在喷油中期某同一时刻与喷油器中心轴线夹角最大(左边喷孔)与最小(右边喷孔)的两个喷孑L中心截面上的压力分布、速度分布和气相体积分布云图。表14种不同喷嘴的设计方案方案孑L数／个孑L径／ram流通面积／mm2l50．250．245260．230．24937O．2l0．242480．200．251方案压力分布速度分布气相体积分布X／～、l-LjI方案1=§一1一—■—一_，．meFra(}j1-■_穗●雕jh、]j1：]4：F：E▲j··＼／-谢==；≯。一方案2§_‘e-L113EL_．U0Ub0#’-＼／爹澎，、J‘．J—I—■I怒案3■I：0j]．：e‘’ret{uIelj’'__r、‘ll|linleFfliOr1[1I‘溯_■嚣￡-lIVl÷-OOba?0i060▲。。◆-L▲，J‘案4—-‘岫，u川qF『-．nt?：’“1--===；一一厂1—一心、-]·J，T·eFrj(11J'_lC-It埔I●■Iil7_I鳟习■■既；l●_’1I]]i1j]41i1：1 第1期张晓怀等：基于FIRE的电控喷油器喷嘴内流特性仿真研究49从图中可以看出，在喷射中期，大孑L径喷嘴压力室和喷孔内部压力变化比较明显，压力分布梯度变化较大，这样容易形成涡流，造成动量损失增大，影响到燃油在喷孑L内的流速。而孔径较小喷嘴的压力室和喷孑L内部压力梯度小且分布均匀，因此流速得到提高。在针阀完全打开后，针阀位置的最小流通面积远大于喷孑L的流通面积，燃油在压力室上游的流动非常缓慢，压力基本上没有下降，不会引起空穴现象。在气相体积分布图上，蓝色代表气相体积最大值，红色代表液相体积最大值，由气相体积分布图可以看出孑L径较小喷嘴在喷射过程中，喷孔中气相所占体积相对较小，气穴区与壁面较早的发生分离，在喷孔出口处空穴区的气泡已基本破裂，与液相完全混合形成了不完全空穴流，而孔径较大喷嘴喷孔内的气穴较早形成，气相所占的比重较大，并且气穴强度大的较厚，因此孔数增加之后，喷嘴流量系数将下降。3．3喷射夹角的影响喷射夹角是柴油机喷嘴的一个重要参数。对于喷孔直径和喷孔数一定的喷油器，由于喷孔夹角不同，相对于燃烧室空间的喷射位置不同，使得喷射的燃油和燃烧室内的空气匹配混合的效果就不一样，直接影响柴油机混合气的形成和燃烧过程。本文针对7×0．21mm的喷嘴，选取110。、128。和140。3种方案进行了模拟计算。图4为夹角分别为1100、128。和140。的喷嘴在喷油初期某同一时刻与喷油器中心轴线夹角最大(左边喷孔)与最小(右边喷孔)的两个喷孑L中心截面上的压力分布、速度分布和气相体积分布云图。从压力分布云图可以看出，在喷射初期，由于针阀处于未完全打开阶段，孔内压力较低，压力梯度变化较大；在速度分布云图上，随着喷射夹角的增大，由于喷孔中心的位置的改变使得孔内压力梯度变化增大，导致孔内平均流速降低；气相体积分布云图上，喷射夹角增大后，喷孔入口处的气穴区域厚且长，整体气穴强度较大，对喷雾和燃烧将会产生不利影响。由此可以看出，喷射夹角不应过大，否则将影响到柴油机的燃烧和排放过程，进而影响到柴油机的性能。夹角压力分佰速度分布’t相体积分布＼／Ⅻ||kj▲1100!。⋯。PS夕一、vOIIJFrleFrj。nonI§一·11_1_0n602040O0H＼／jⅫ||j＼▲128。竺叫。≥二C—Jlutr·^添¨1__k——：ql檑■■’＼／∑一一晰●●■■__’。’—一1400mt,,-曩■_’m7。二Svol『neIFr；：n-)nI1●L’蹶瞰一Il’ 小型内燃机与摩托车第42卷图5和图6分别为夹角为110。和140。喷嘴与喷油器中心轴线夹角最大的喷孑L出口面湍流动能分布和Velo(tPtlmt$I■■[j蛋■■[]啊‘’：⋯’F‘11’c7Ft-；：r：tfFlurbulenceFmebc-‘ner口《n4a5‘2j■—【盈■■●[]l0811E％jj7q1‘‘72．17：9[-‘c?图5夹角为110。时喷孑L出口面湍流动能分布和速度分布velocr州mf引■■[|■■■[]■■0247T24054314，14900e67386Tu巾uJence×JneD：E1er口vfm’215‘2l■■E翌■■■[10871{37421561377●8439355|图6夹角为140。时喷孔出口面湍流动能分布和速度分布速度分布图，图中曲线的疏密代表了梯度变化的剧烈程度，而颜色的深浅则代表了流速和湍流动能的高低。对比组图可以看到喷射夹角较大的喷嘴，流速和湍流动能的梯度变化明显，且湍动能较大，湍流强度增大，但整体区域的平均速度略有下降。4结论1)通过CFD进行共轨柴油机喷嘴内流场的仿真计算，计算结果与试验结果吻合较好，说明所建的数学模型和计算模型比较准确，可以为喷嘴结构的设计改进提供一定的指导。2)在喷孔流通总面积相等情况下，孔径较大，孔数较少的喷嘴在喷射初期压力场建立较慢，燃油在喷孔内部平均流速较低，喷孔直径减小后，出口速度趋于均匀，喷孔内空穴数量减少。随着喷射夹角的减小，喷孔内压力梯度变化减小，压力损失随之减小，使有效流通面积得到了提高，但孔内的平均流速有所增加。3)喷嘴结构参数不同，会使各喷孔内气穴产生的时刻、分布区域以及强度不一致，最终影响各喷孔的流量特性，并且传递到喷孔出口面，对喷雾特性产生影响。4)通过仿真计算，得到了喷孔出口处的压力、速度及气相体积分布的相关信息，为喷油器喷雾的模拟提供边界条件。参考文献1夏兴兰，郭立新，杨海涛，等．共轨喷油器主要结构参数对燃油流动和喷雾特性的影响[C]．2010年AVL用户大会论文集，无锡，20102HanJS，WangTC，XieXB，eta1．DynamicsofMultiple——injectionFuelSpraysinaSmall·-BoreHDSIDieselEn··sine．SAE2000-01——12563邵利民，常汉宝，周加东，等．喷嘴结构对多孔喷油器喷射特性影响的研究[J]．内燃机工程，2010(6)：43—484张建新，施光林，胡林峰．高压共轨喷油器结构参数对喷油量特性影响的研究[J]．现代车用动力，2003(1)：1—5，385沃傲波．柴油机喷雾准直接数值模拟及其雾化机理的研究[D]．武汉：华中科技大学，2007(收稿日期：2012—05—03)