喷油器内空泡形成过程及气液两相流数值模拟

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1、成都，2007年8月中国内燃机学会燃烧净化节能分会2007年学术年会论文集喷油器内空泡形成过程及气液两相流数值模拟邹振宇，解茂昭，（大连理工大学能源与动力学院，辽宁省，大连市，邮编：116024）摘要：本文应用专业CFD软件——Fluent对喷油器中的空化特性进行数值模拟。首先对二维微管液流中的空化现象做了定性的讨论，模拟其空泡形成过程，并分析了喷射压力、喷孔的几何形状等影响因素对空穴现象的影响。然后对一台真实柴油机喷油嘴喷孔中空泡的形成和演变过程进行了数值模拟，计算结果与实验观测基本吻合。关键词：空化；

2、数值模拟；喷雾喷孔内的空化现象对内燃机的喷雾形成与混合R过程有重要的影响，空化已经被认为是影响雾化质]1[量的一个关键影响参数之一。近年来，很多学者VD和研究人员用实验和计算方法对柴油机的空化现在做了大量研究2[][3][]4。但由于喷嘴结构复杂，尺寸L很小，并且其中的流体的流速很高，湍流动能很大，是复杂的两相流动，很难用肉眼观察，故多数实验图1空化模型1数学模型]5[研究都是在放大的装置中进行的。对此，数值模1.1控制方程拟研究不失为一种高效便捷的研究手段。在内燃机喷嘴中的流体通常是两相流，包括液体、少

3、量非凝结性气体与蒸汽。求解的控制方程除图1为喷油器的空化简化模型，根据不可压缩连续方程和动量方程之外，三种成分的质量分数还流体的伯努力方程，流体的速度越高，压力越低。应满足：在高速流动的喷孔入口处，由于拐角的存在，产生f+f+f=1（1）lgv局部流动分离，形成横截面的减小，根据质量守恒方程，此截面上的流速会大大增加，从而压力降低，其中f,f和f分别是液体、蒸汽和非凝结性气体lvg当局部压力低于饱和蒸汽压的时候，会出现空化现象，即液体发生汽化，在流管中形成空泡区域。这的质量分数。蒸汽质量分数f是通过其输运

4、方程求v种空化现象是一种高速现象，其产生、发展和溃灭过程十分复杂，需要建立简化、有效的喷油器空化解的，其方程为：流动数学模型，进行数值模拟计算。∂(ρf)rv+∇⋅()()ρνf=∇⋅Γ∇f+R−R（2）vvec∂tr其中ρ为混合密度，ν为液体的速度向量，Γ为有效的扩散系数，R和R分别为蒸汽的产生与凝结ec作者简介：邹振宇（1978－），男，硕士研究生，研究方向：喷油器内空泡形成过程及气液两相流数值模拟。E-mail:511230zzy@163.com成都，2007年8月邹振宇等：喷油器内空泡形成过程及气

5、液两相流数值模拟率，可以应用Rayleigh-Plesset方程计算。当液体的密度。而α，α，α分别代表液体，蒸汽lvgpp即喷油器中的压力大于饱和蒸汽压时v维微管道进行模拟计算，微管长度为1mm，宽为候，蒸汽开始凝结，此时蒸汽的凝结率为：0.

6、28mm，入口圆角半径为20um。计算所用网格如图k2()p−pvR=Cρρf(4)ccllvσ3ρl其中C和C是两个经验系数，分别为0.02和0.01。ec2所示：σ为液体表面张力系数。图2几何模型湍流模型采用单相湍流的标准k−ε模型。湍流2.2边界条件对相变的影响在Fluent中用一种简单的方法考虑，，边界条件设置为：采用压力入口和压力出口边界，1选择入口静压为100bar，出口压力分别选用40bar、即把相变临界压力p用p=（p+p）替satvsatturb230bar和20bar。从而产生不同的空

7、化流。入口与出口的边界的k与ε值按下列公式确定：代，其中p=.039ρk，k是湍动能。turb1ρvD−在本计算中应用的流体的属性见表1：根据R=，I=.016(R)8eeμ表1应用液体属性液态柴油气态柴油33k2密度(kg/m3)855.60.010872K=3/2（μI），ε=C4avgμ黏度(kg/ms)0.0029361.81e-6l饱和蒸汽压(Pa)1202.3计算结果与分析表面张力系数(N/m)0.032.3.1不同进出口压差下的空化流非凝结气体质量分1.5e-05数1.2非凝结性气体的影响我

8、们知道在工作流体中经常包含一定量的非凝结性气体，即使这部分气体含有量很少，但是由于其在低压下膨胀作用，对空化流有很重要的影响，目前，工作流体通常被看作是液相和气相的混合。进口压力100bar出口压力20bar气相包含液相蒸汽和非凝结性气体，从而混合密度:ρ=αvρv+αgρg+(1−αv−αg)ρl(5)其中ρ，ρ，ρ分别表示蒸汽，非凝结性气体和vgl成都，2007年8月邹振宇等：喷油器内空泡形成过程及气液两相流数值模拟其次，