潘剑锋姚嘉琪黄　俊刘启胜（-江苏大学能源与动力工程学院　江苏　镇江　03 -中国第一汽车集团公司无锡油泵油嘴研究所）

组喷孔喷油嘴几何参数对喷雾特性的影响研究*

潘剑锋1姚嘉琪1黄俊2刘启胜1
（1-江苏大学能源与动力工程学院江苏镇江212013 2-中国第一汽车集团公司无锡油泵油嘴研究所）

摘要：针对组喷孔喷油嘴，建立了用于模拟计算喷雾特性的KH-RT修正模型，并改变喷嘴长径比（L/D）和喷孔入口倒角与喷嘴直径的比值（R/D）进行计算，得到了喷雾索特直径（SMD）、贯穿距离、蒸发质量和雾滴最大速度等表征喷雾特性的数据，并分析了相应的影响规律。结果表明，随着R/D值的增加，SMD增大，燃油蒸发量减少，贯穿距离减小，液滴最大速度减小。R/D=0.14是空穴发生与否的临界点。L/D值的增大，对喷雾特性的影响较小，喷雾特性趋势保持一致。

关键词：内燃机喷雾数值模拟组喷孔几何特征

引言

喷嘴的几何特征决定着喷嘴内部空化的发生，从而很大程度上影响着柴油机的排放性能和动力性能[1，2]。组喷孔喷油器相对于传统的喷油器，喷孔直径较小，两孔相互平行或形成一定角度喷雾，在保证了喷雾贯穿距离情况下，实现碰撞喷雾，能够有效改善燃油雾化及蒸发性能[3]。这些年，关于喷嘴内部流动和喷嘴几何形状之间关系问题越来越成为喷雾研究方面的热点[4]。Gao和Nishida等[5]对组喷孔进行了包括喷雾特性和碰壁特性等系列实验研究，但是从数值模拟角度研究组喷孔喷嘴几何形状对雾化特性的研究还相对较少。笔者借助AVL-Fire软件，对喷雾碰撞模型进行修正，对组喷孔雾化特性进行研究，分析R/D和L/D对喷雾特性的影响。

1　模型的建立及验证

1.1实验参数

所采用的组喷孔喷油器的结构主要参考文献[6]，该组喷孔喷油器主要参数见表1。组喷孔相互平行，喷孔间距为0.260mm，其喷孔分布如图1所示。

表1 实验参数

图1　喷孔分布示意图

1.2模型建立

基于离散液滴模型[7]（DDM），综合考虑初次雾化和二次雾化两个阶段。认为喷孔出口处的湍流是导致射流表面波动的主要原因，这种波动在气动力的作用下会增强，增强到一定程度时导致子液滴的生成。计算时考虑初次破碎和二次破碎，采用KH-RT模型[8]，并考虑破碎雾滴之间的相互作用。采用Schmidt提出的NO-Time-Counter（NTC）碰撞模型，采用独立碰撞网格。设每个液滴的中心为计算中心，每个液滴的影响半径为d1或d2。当两液滴之间的距离小于拉格朗日碰撞网格半径时考虑其碰撞发生的可能性，其可能性概率为v。

式中：N2是液滴在区域2中的数目，Vcell是液滴1和液滴2共有区域计算的网格体积，u1和u2是两液滴的速度。

为了增加喷雾粒子之间的碰撞作用，减小两油滴发生碰撞的距离，考虑碰撞聚合、拉伸分离与破碎比例。

定容弹的初始压力设为0.1MPa，选用n-Heptane（C7H16）作为燃料，密度为664 kg/m3。喷孔长度和喷孔直径比值（L/D）控制为恒定数5.1，喷嘴入口边缘的倒圆半径与喷孔直径的比值（R/D）变量从0到0.14（表1）。边界值的计算是外推法，用最小二乘法拟合推导计算，湍流方程选用K-ε模型。燃料的喷射时间是3ms，时间步长为10-5s。

1.3网格独立性分析

利用AVL-Fire软件划分定容弹网格，定容弹几何模型直径为10 cm，长度为20 cm，网格划分见图2。为分析网格的独立性，分别划分数量为7.2万、9.2万和12.8万的网格进行计算，分析计算得到的贯穿距离。在不同数量的网格下，喷射贯穿距离都很接近，因此可以认为网格独立，如图3所示。但考虑到计算成本和计算精度，选用9.2万数目的网格进行模拟计算分析。

图2　定容弹网格划分

1.4模型的验证

根据参考文献中的实验结果，验证本文所建立模型的正确性。图4是贯穿距离的实验与模拟结果对比图。图5是喷雾发展形态的对比图，其中a）是实验结果，b）是模拟结果。

图3　网格无关性检验

由图4和图5可以看出，对比分析模拟与实验得到的贯穿距离基本吻合，对应时刻的喷雾形态也基本相似，说明该计算模型与实验情况基本相符，能够准确地反映喷雾基本特性。

图4　贯穿距离的实验与模拟结果对比

图5　喷雾形态的实验与模拟结果对比

2　结果分析和讨论

2.1索特平均直径（SMD）

图6a）给出了平行组喷孔L/D=5.1时，R/D值从0增加到0.16对喷雾SMD的影响规律。从图中可以看出喷雾液滴在离开喷嘴出口后二次分裂雾化，液滴尺寸逐渐减小，数目不断增加。随着R/D值的增加，空化现象越弱，空化气泡减少，SMD增大，雾化质量变差。在R/D=0.14后SMD不再改变，并且图a）中R/D=0.14和R/D=0.16的SMD曲线完全重合，表明此时空化已经结束。

图6b）给出了平行组喷孔和等截面单喷孔在不同L/D值下SMD随R/D的影响规律。可以看出随着L/D的增加，单喷孔和组喷孔的SMD值均未发生明显变化。Park[9]实验中采用博世长管法测量了组喷孔和等截面单喷孔的喷油规律，其结果表明在相同的喷射条件下，两者规律相似，因此文中仿真结果获得了与实验一致的规律。图中也可以看出组喷孔在不同R/D时的平均油滴直径均小于相对应单喷孔的平均油滴直径，从而有利于喷雾蒸发燃烧。

2.2贯穿距离

根据Hiroyasu和Arai[7]所述，整个喷射可以分为2个阶段。第一个阶段是从喷射开始（t=0）到破碎时刻。在这个阶段，贯穿距离随着时间线性增长。到tbreak=0.76ms后，由于新的气泡产生，贯穿距离增加，能量和气泡速度降低。

式中：ΔP是喷射压力与定容弹内压力之差，ρs是定容弹内气体密度，ρl是喷射燃料密度，D是喷孔直径。

图6a） 不同R/D值下SMD随时间的变化规律（L/R=5.1）

图6b） R/D值对SMD的影响

图7a）给出了R/D对组喷孔喷雾贯穿距离的影响规律。在R/D=0时，喷雾贯穿距离最大，此时的空化现象最为明显。通过增加R/D比值，空化的影响减弱，射流交互作用减小，随之贯穿距离也减少。当R/ D=0.14时，空化现象消失，贯穿距离达到最小，且不再发生变化。

图7b）给出了组喷孔和等截面单喷孔在不同L/ D值下喷雾贯穿距离随R/D的影响规律。从图中可以看出组喷孔能够较好地保持轴向贯穿距，贯穿距离略大于单喷孔。L/D的变化对单喷孔和组喷孔的影响较为一致，长径比的改变使得空穴发生的位置发生改变，影响喷射速度，从而影响贯穿距离的大小，但影响不大，趋势基本维持一致。

2.3液滴最大速度

图8a）显示了喷孔出口瞬态最大燃油速度的变化规律：第一阶段，随着针阀上升，直到针阀达到最大升程处，喷孔中发生了空化，喷嘴里包含有气相，因此喷孔出口处燃油有效流通面积减少，导致对应的喷孔出口速度增加。第二阶段时，针阀保持最大升程不变，因此喷孔出口速度先减小后趋于稳定。而且可以看出空化存在时的喷口速度大于空化不存在时的喷口出口速度。

图7a） 不同R/D值下贯穿距离随时间的变化规律（L/R=5.1）

图7b） R/D值对贯穿距离的影响

图8b）给出了组喷孔和等截面单喷孔在不同L/ D值下喷雾液滴最大速度随R/D的影响规律。从图中可以看出组喷孔的液滴最大速度大于单喷孔液滴的最大速度，随着L/R的增大，组喷孔和单喷孔的雾滴最大速度增长趋势接近。

2.4喷雾蒸发质量

图9a）给出了R/D对组喷孔喷雾蒸发质量的影响规律。从图中可以看出在喷射开始时，由于SMD较大，蒸发量很小，约等于零。随着空化气泡持续破碎，SMD减小，蒸发量增加，使得燃油和空气能够更好地混合。燃料蒸汽气泡的存在导致更多的空气进入喷雾。空化效应间接地改变了燃油蒸发量。但是随着R/D的增大，SMD增大，雾滴与周围环境接触的表面积增加，温度降低，燃油蒸发量减少。当R/D= 0.14和R/D=0.16时候，由于空化已经结束，因此喷雾蒸发质量曲线完全重合。

图8a） 不同R/D值下液滴最大速度随时间的变化规律（L/R=5.1）

图8b） R/D值对喷雾液滴最大速度的影响

图9b）给出了组喷孔和等截面单喷孔在tbreak时刻的喷雾蒸发质量随R/D的影响规律。从图中可以看出，此时组喷孔的喷雾蒸发质量略大于单喷孔的喷雾蒸发质量，尤其是当未发生空化时，组喷孔的喷雾蒸发效果更加突出。因为组喷孔的径向贯穿度要略大于单喷孔喷雾，使得喷雾能够更多地接触空气，促进喷雾液滴的蒸发过程。但是，蒸发质量未受到L/ D值变化的影响，基本保持不变。

图9 a） 不同R/D 值下蒸发质量随时间的变化规律　　（L/R=5.1）

图9b） R/D值对喷雾蒸发质量的影响

3　结论

1）综合考虑初次雾化和二次雾化两个阶段，建立了用于模拟计算喷雾特性的KH-RT修正模型，并根据试验结果验证模型正确性。

2）随着R/D值的增加，SMD增大，燃油蒸发量减少，贯穿距离减小，液滴最大速度减小。R/D=0.14是空穴发生与否的临界点。

3）L/D对组喷孔的喷雾特性影响较小，喷雾特性趋势保持不变。

4）组喷孔的喷雾特性与单喷孔的喷雾特性规律相似，但当喷嘴未发生空化时，组喷孔喷嘴的喷雾特性明显优于单喷孔的喷雾特性。

参考文献

1J.M.Desantes，R.Payri，F.J.Salvador，et al Measurements of spraymomentum for the study of cavitation in diesel injection nozzles[C].SAEPaper 2003-01-0703

2Payri R.，Salvador F.J.，Gimeno J.，etal.Diesel nozzle geometry influence on spray liquid-phase fuel penetration in evaporation conditions.，Fuel，,2008，87：1165~1176

3成传松，李云清，王艳华，等.组喷孔喷雾雾化特性研究[J].农业机械学报，2011，42（7）：21-25

4Hyun Kyu Suh，Chang Sik Lee.Effectsof cavitation in nozzle orifice on the diesel fuel atomization characteristics[J]. International JournalofHeatand Fluid Flow，2008，29（4）：1001~1009

5Jian Gao，Seoksu Moon，Yuyin Zhang.Flame structure of wall-impinging diesel fuel sprays injected by group-hole nozzles[J].Combustion and Flame，2009，156（6）：1263~ 1277

6Sanghoon Lee，Sungwook Park.Spray atomization characteristics of a GDI injector equipped with a group-hole nozzle[J].Fuel，2004，137（1）：50~59

7解茂昭.内燃机计算燃烧学第二版[M].大连：大连理工大学出版社，2005

8Sung Wook Park，Rolf D.Reitz.Optim ization of fuel/air mixture formation for stoichiometric diesel combustion using a 2-spray-angle group-hole nozzle[J].Fuel，2009，88（5）：843~852

9Park SW，Reitz R D.A gas jetsuperpositionmodel for CFD modeling of group-hole nozzle sprays[J].International Journalof Heatand Fluid Flow，2009，30（6）：1193~1201

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研创新计划项目（CXZZ13-0671）。

中图分类号：TK421+.42

文献标识码：A

文章编号：2095-8234（2015）02-0007-04

收稿日期：（2015-02-05）

基金项目：江苏省六大人才高峰第八批资助项目（装备制造201127）、江苏省高校优势学科建设工程资助项目、江苏省普通高校研究生科

作者简介：潘剑峰（1978-），男，教授、博士生导师，主要研究方向为动力机械燃烧过程和燃烧系统研究。

Influencesof Group-Hole Nozzle Geometry on Spray Characteristics

Pan Jian feng1,Yao Jiaqi1,Huang Jun2,Liu Qisheng1
1-SchoolofEnergy and Power Engineering,Jiangsu University(Zhenjiang,Jiangsu,212013,China)
2-Wuxi Fuel Injection EquipmentResearch Instituteof FAW

Abstract：The CFD calculationsused the AVL-Fire codewith an updated KH-RTbreakupmodel.Using the validated calculationmodels，effects of R/D（Curvature Radius of the Inlet Orifice/Orifice Diameter）and L/D（Orifice Length/Orifice Diameter）on spray characteristics like SMD（Sautermean diameter），penetration length,evaporationmass and spray velocity，were studied numerically.To study its effects on the spray characteristics，differentvaluesof R/D and L/D were selected,spray characteristics areobtained. The increased R/D can increase SMD，reduce the spray penetration,cutevaporationmassand slow droplets velocity.When the value of R/D is 0.14，the spray characteristics reach a constant state due to cavitation elimination.The changeof L/D has little effecton the spray characteristics.

Keywords：ICengine，Spray，Numericalsimulation，Group-holenozzle，Nozzlegeometry