基于FLUENT的发动机喷油嘴雾化特性数值模拟研究＊

曹福来，郭瑞瑞

（许昌学院 电气与机械工程学院，河南 许昌 461000）

前言

燃油通过发动机喷油器进行喷射、雾化以及与空气混合，因此研究喷油器燃油雾化的特性意义重大[1]。国内对喷油嘴雾化特性研究起步晚，华中科技大学魏明瑞分析了流动空穴对雾化特性的影响；江苏大学王谦搭建了喷雾可视化试平台；天津大学张军利用欧拉多相流计算方法模拟计算喷雾特性[2]。计算机技术的飞速发展使得计算流体动力学得到了广泛的应用，它既不像传统流动学过分依赖抽象假设也不需要浪费资源搭建实验平台，利用FLUENT软件领先的计算方法、超高的前后处理水平以及丰富而先进的湍流模型来研究发动机喷油嘴雾化特性具有明显的优势。

1 喷雾模拟计算的基本计算方法

发动机燃油在喷油嘴里流动的过程中属于连续运动的介质，而所有流体都遵循物理学的三大守恒定律，因此发动机喷雾的模拟也遵循基本的控制方程，主要有流体力学质量守恒方程、流体力学动量守恒方程、流体力学的能量守恒方程和流体力学组分质量守恒方程[3]。传统的湍流数值模拟方法主要有三种，第一种是雷诺平均N-S方程方法，通过封闭的雷诺平均N-S方程求解脉动对平均运动的影响，其包含涡黏性封闭与雷诺应力两种模式，涡黏性封闭模式忽略部分微量因素用低阶参数代替高阶参数在工程中有广泛应用。第二种是大涡模拟，大涡容易受流场的影响，能量通过大涡传递给小涡，呈现各向异性的大涡和呈现各向同性的小涡，利用N-S方程可以模拟计算大涡，对计算机的数据处理能力提出了要求。第三种是直接数值模拟（DNS），该方法不需要建立湍流模型但要求划分的网格极小，对计算机要求极高，目前尚未在工程实践中应用[2]。本文选用在工程领域内的应用较多标准k-ε双方程模型，k方程用于衡量湍动能的大小，ε方程用于衡量湍动能的耗散程度，具体的k-ε双方程可以表示成：

其中式（1）是k方程，式（2）为ε方程，它们分别表达湍动能的大小和耗散程度。

2 喷雾特性

喷雾特性的研究主要集中两个方面，第一宏观特性，主要指贯穿距离（spray penetration）和喷雾锥角（spray angle）[4]。贯穿距离是指燃油在轴线方向上所能达到的最远喷射距离，贯穿距离过大则喷射到内壁，过小则燃料局部集中。喷雾锥角是雾场两条外边界线的夹角，反映了油滴分布松散的程度，影响因素主要有油品、环境背压，一般喷雾锥角越大雾化效果越好但喷雾锥角过大会使贯穿距离减小。第二微观特性，主要包含液滴分布，平均直径和分裂长度，其中索特平均直径（SMD）的液滴分布被广泛用来评价雾化性能的好坏，其公式如下[5]：

3 初始方案的设置

选择ANSYS自带的ICEM CFD软件建立与实际尺寸相对应的几何模型，根据燃烧炉的尺寸构建雾化空间，本文的雾化空间采用四面体的非结构化网格划分，网格总数为40.93万个单元，这样可以很好地解决边界问题。

3.1 燃油雾化模型的选择

燃油的雾化需要经历碎裂、碰撞、聚合、蒸发，以及与空气的混合过程，雾化状态不同子模型特征不同。在Fluent软件中包含WAVE和TAB两种液滴碎裂模型，TAB模型模拟弹簧质量系统的强迫简谐振动原理，认为波动振幅的不断增加导致液滴的破碎，考虑到二次破碎阶段韦伯数大于100且属于低速射流，因此选择WAVE模型[6]。液滴蒸发对油雾化程度影响很大，蒸发性越好则混可气体形成的速度越快，常用的液滴蒸发子模型有Dukowicz、SPlading、Multi-com-ponent 模型等，考虑到液滴表面的均匀性以及径向温度的线性变化和液相与气相的热平衡，选择迭代步数少计算量小的Dukowicz模型。液滴动态曳力系数对雾化精度有很大影响，直接决定喷雾过程数值模拟的准确性，该模型在TAB模型和KHRT模型上有着广泛应用，因此择动态曳力模型Dynamic-drag model[7]。

3.2 初始条件和边界条件

流场的确定需要先限定边界条件和初始条件，入口条件、出口条件和壁面条件是Fluent的主要边界条件，它们是一些数学和物理变量。由于本次模拟燃料进口的压力是设定的已知量，三次进口压力分别为60Mpa、80Mpa、100Mpa，因此选择和设置了压力进口边界条件。出口边界条件包括压力出口边界、速度出口边界和自由出口边界，在本文应选择压力出口边界，并将出口压力设为环境操作压力。考虑到燃料通过上述射流的引入，将边界处的喷嘴内表面设置为壁面[8]。考虑到本研究主要是对无约束空间的研究，环境压力应是真空的，其他参数应根据实际工况进行调整，搭建的模拟方案如表1所示。

表1 喷油嘴燃油喷射的方案设计

4 数值模拟结果及影响因素分析

4.1 喷孔数目对燃油雾化特性的影响

从图1和图2可以看出随着嘴喷孔数目的增多，贯穿距离和SMD都呈减小趋势，而喷雾锥角明显增大。达稳定后可以看出喷孔数2与4相比稳定阶段贯穿距离相差大约15%，而喷孔数4与8相比稳定阶段贯穿距离减小30%。这是由于喷孔数的增加从喷孔射流出来的燃料速度减小，惯性力也减小，表现为贯穿距离的减小。同时喷孔横截面积的增加使液滴沿着喷孔壁面到达的范围更广，液滴与空气的作用更加强烈，表现为喷雾锥角的增大和SMD的变小[9]。适当增加喷孔数目可以提高雾化效果，但具体的喷孔数目还要综合考虑其他因素的影响。

图1 不同喷孔数时喷雾仿真图

图2 不同喷孔数时SMD曲线

4.2 喷孔直径对燃油雾化特性的影响

从图3和图4可以看出喷孔直径影响着喷雾特性，喷孔直径的增大使喷雾锥角、穿距离和SMD都增大。到达稳定后可以看出孔直径为0.2mm与0.3mm，相比稳定阶段贯穿距离相差大约13%，而孔直径为0.3mm与0.4mm，相比稳定阶段贯穿距离10%。这是由于其他因素相同时，喷射出来的燃料会随着喷孔直径的增大而增加，在惯性力的作用下燃油以液体状态传播的距离增加，表现为贯穿距离的增加。同时燃料质量增加加剧了喷口内部湍流现象，粒子间的碰撞聚合频率增大[10]，最终导致喷雾液滴直径的增加，因此适当地减小喷空直径可以提高雾化效果。

图3 不同喷孔直径时喷雾仿真图

图4 不同喷孔直径时SMD曲线

4.3 喷射压力对燃油雾化特性的影响

从图5和图6可以看出，喷油压力对喷雾近场的影响比较大，燃油喷射压力的增大使得燃油喷雾锥角和贯穿距离都增大而油滴的SMD减小。当喷雾到达稳定后可以看出喷射压力为60Mpa，与到100Mpa相比，稳定阶段燃油喷雾锥角增大了大约25%，喷雾贯穿距离增加了大约27%，油滴的SMD不断减小，喷雾雾化效果变好。这是因为喷射压力的增大，单位时间喷射出来的燃油质量增加速率增大，使油滴动能增大，沿着雾场径向运动的距离增加表现为贯穿距的增加。同时喷孔内部的湍流现象以及空穴现象都在加剧，液滴与空气更快地破碎雾化，表现为SMD的降低[9]。油压力对喷雾近场的影响比较大，喷油压力增加可以改善雾化效果。

图5 不同喷射压力时喷雾仿真图

图6 不同喷射压力时SMD曲线

5 结论

利用FLUENT软件建立燃油雾场的几何模型来数值模拟研究发动机喷油器雾化特性具有明显的优势，通过对燃油雾场的影响因素进行分析得到，在不考虑其他因素的影响时，减小喷孔直径和适当增加喷孔数目会使贯穿距离和SMD减小，可改善雾化效果；燃油喷射压力对喷雾近场的影响比较大，喷油压力增加可以也可提高雾化质量。