江苏大学何志霞教授团队：高压燃油喷射与喷雾研究

作者：何志霞*，管伟，李琛，张亮，郭根苗

单位：江苏大学能源研究院

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 研究方法

开发了高压共轨燃油喷射系统原尺寸量级透明喷嘴内部流动及喷雾可视化光学平台，瞬态试验的燃油喷射压力可提升到110MPa，透明喷嘴喷孔尺寸可小至0.15mm孔径，基于高速显微成像技术，在接近实际柴油燃油喷射系统工况条件和喷嘴几何尺寸条件下可清晰捕获原尺寸量级喷孔内超高速、强瞬态工况条件下涡线空化现象。固定针阀位置的稳态试验则可以清晰呈现线状空化发生、发展过程及不同空化流态结构对应的喷雾结构特性。

在试验基础上，结合数值模拟探究旋涡诱导线状空化的发生机制以及对喷雾的影响机理。相比较于壁面空化，涡线空化的模拟对湍流模型的要求更高，在SST k-ω湍流模型框架下发展超大涡模拟VLES湍流模型，在计算效率及计算准确性的平衡上优于RANS模型及LES大涡模拟，同时采用自适应的LES大涡模拟网格处理方法可进一步减小计算量，实现喷嘴内涡线空化及近场喷雾的高精度模拟。

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 结果与讨论

（1）低压稳态工况下喷嘴内涡线空化特性及中空喷雾结构

在比例放大透明喷嘴内流及喷雾的稳态试验平台上开展针阀升程固定时锥度孔喷嘴内的涡线空化流动及喷雾特性研究，轻微针阀升程的差异对应了孔内完全不同的两种空化形态：壁面空化和涡线空化，基于平板狭缝的物理分割技术确认了涡线空化对应的中空喷雾结构，如图1所示。图2给出了不同喷射压力下喷孔内三种不同流态（单相流、孔与孔间涡线空化流态、针阀锥面至喷孔出口的涡线空化流态）对应的喷雾以及PIV速度场分布。其中，针阀锥面至喷孔出口的涡线空化对应最为显著的中空喷雾结构，该涡线空化气相区究竟是相变引致，还是喷孔出口空气倒吸，国际上并无定论，图3的试验结果得出：涡线空化区的气相既有相变蒸汽也有倒吸空气，明晰了低喷射压力时以空气倒吸为主，高喷射压力时以相变蒸汽为主。图4进一步给出了喷孔出口涡线空化及旋涡流动速度时均分布及涡量时均分布定量数据。

（a）壁面层状空化与传统稠密喷雾

（b）涡线空化与中空喷雾

图1 固定针阀升程的低压稳态试验获得的喷嘴内部空化流动形态与喷雾结构

（a）喷嘴内流动形态	（b）喷嘴出口喷雾速度场分布
（c）距离喷嘴出口10cm处的速度

图2 稳态试验中获得的喷嘴内不同空化形态对应的喷雾空间分布及速度分布

图3 稳态试验中柴油喷入空气与喷入柴油中的涡线空化分布及速度场

图4 喷孔出口涡线空化及旋涡流动速度时均分布及涡量时均分布

（2）高压瞬态工况下喷嘴内涡线空化瞬态发展及对喷雾稳定性的影响

在高压共轨燃油喷射系统原尺寸量级喷嘴内流及喷雾瞬态试验中获得了一次燃油喷射过程中涡线空化强度及喷雾锥角的变化规律（图5），在小针阀升程时为针阀锥面至喷孔出口的涡线空化，而针阀抬至最高时为孔与孔间涡线空化。喷雾锥角变化强烈依赖于孔内涡线空化的出现。图6给出了针阀锥面至喷孔出口涡线空化（α线空化）与孔与孔间涡线空化（β线空化）在不同喷射压力、不同喷嘴压力室时的出现频率，得出高喷射压力及较小压力室体积更有利于孔与孔间涡线空化的形成及发展。

图5 高压共轨喷油器喷嘴内部涡线空化强度与喷雾锥角的瞬态变化规律（喷射压力80MPa）

图6 不同压力室尺寸的喷嘴在不同喷射压力下两种形态涡线空化出现频率

（3）喷嘴内涡线空化流动的湍流模型研究

针对喷嘴内的涡线空化湍流流动，分析基于SST k-ω框架的VLES、LES、SST k-ω、RNG k-ε、RSM湍流模型对涡线空化数值预测精度的影响（图7和图8））。k-ω和k-ε湍流模型难以预测出喷孔内的涡线空化，RSM模型预测能力略优于前两者，LES模型与新发展的VLES模型能更为准确地预测出喷嘴内整个的涡线空化形态，与试验结果高度吻合。相比较于LES模型，VLES模型能在较粗网格下依然准确预测线空化形态，对网格分辨率的敏感小。喷孔内湍流流动的雷诺切应力与其剪切应变相位不一致的特性是各向同性涡粘糢型难以预测涡线空化的原因所在。

图7 基于SST k-ω框架的VLES、LES及RNG k-ε湍流模型计算结果与试验结果的比对

图8 不同湍流模型下喷嘴流量系数及孔内蒸汽相体积分布的对比

（4）涡线空化对喷雾雾化的影响

试验中采用了2孔喷嘴，对于实际8孔喷嘴利用前述验证后的高精度喷嘴内流耦合近场喷雾的大涡模拟模型针对圆柱孔和锥度孔喷嘴开展对比分析，如图8和图9所示，中截面上的内流和喷雾计算结果发现锥度孔喷嘴抑制壁面空化，圆柱孔喷嘴空化延伸出喷孔，但反倒是锥度孔喷嘴近场喷雾锥角及雾化破碎更好，这正是因为锥度孔加速了孔内流体旋涡运动，在近喷孔出口出现涡线空化所致，得出：涡线空化比壁面空化在强化喷雾方面会有更大贡献的重要结论。

图9 圆柱孔与锥度孔喷嘴孔内空化分布与喷雾（8孔油嘴）

图10 圆柱孔与锥度孔喷嘴近场喷雾破损率（8孔油嘴）

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结论与展望

瞬态及稳态光学可视化试验与高性能VLES超大涡模拟技术相结合揭示了喷嘴内旋涡诱导线状空化发生机制及中空喷雾的形成机理，基于此可进一步实现对涡线空化及中空喷雾结构的稳定控制，提升喷雾空间分布及空气利用率。一方面，可解决发动机长期以来在小喷油量、小负荷时雾化差的技术难题；另一方面，可有效应对稀薄燃烧、均质压燃等高热效率新型燃烧对喷雾雾化质量的高要求。

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参考文献

[1] Zhixia He* , Wei Guan, Chuqiao Wang, Genmiao Guo, Liang Zhang, Manolis Gavaises. Assessment of turbulence and cavitation models in prediction of vortex induced cavitating ffow in fuel injector nozzles, International Journal of Multiphase Flow 157 (2022) 104251

[2] Wei Guan, Zhixia He*, Liang Zhang, Genmiao Guo, Tianyi Cao, Xianyin Leng. Investigations on interactions between vortex flow and the induced string cavitation characteristics in real-size diesel tapered-hole nozzles, Fuel 287 (2021) 119535

[3] Zhou Chen, Zhixia He*, Weiwei Shang, Lian Duan, Han Zhou, Genmiao Guo, Wei Guan. Experimental study on the effect of nozzle geometry on string cavitation in real-size optical diesel nozzles and spray characteristics, Fuel 232(2018): 562–571

[4] Zhixia He*, Zhengyang Zhang, Genmiao Guo, QianWang, Xianying Leng, Shenxin Sun.Visual experiment of transient cavitating flow characteristics in the real-size diesel injector nozzle, International Communications in Heat and Mass Transfer 78(2016) : 13-20

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作者介绍

江苏大学能源研究院党总支书记、教授、博导。主要研究方向为：动力机械喷雾燃烧理论与技术、空化两相流动的数值模拟和试验、能源利用中的热流体理论与技术。先后入选江苏省“333工程”第二层次、江苏省“青蓝工程”中青年学术带头人和江苏省“六大人才高峰”计划。主持国家重点研发子课题、国家基金在内的国家、省部级项目近20项，获江苏省科技进步二等奖3项（排名第1及第2），教育部科技进步二等奖及其他行业科技进步奖5项。发表SCI检索论文100余篇，总被引近3000次，出版编著3部，授权国家发明专利近40项。任中国工程热物理学会燃烧专委会委员、中国内燃机学会燃烧专委会副主任委员、江苏省可再生能源学会副理事长、江苏省工程热物理学会理事等职务。

本期编辑：刘洋   审校：胡皓玮

文章来源：燃烧科学进展