雙層交錯多孔噴嘴噴霧特性仿真與試驗研究*

黃 康，歐陽光耀，安士杰，常漢寶

(1.中國空氣動力研究與發展中心高速所，綿陽 621000； 2.海軍工程大學動力工程學院，武漢 430033)

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2015090

雙層交錯多孔噴嘴噴霧特性仿真與試驗研究*

黃 康1,2，歐陽光耀2，安士杰2，常漢寶2

(1.中國空氣動力研究與發展中心高速所，綿陽 621000； 2.海軍工程大學動力工程學院，武漢 430033)

本文中采用高速攝影和圖像處理技術，研究了雙層交錯多孔噴嘴的噴霧特性，獲取了噴霧的特性參數，對比了雙層交錯多孔噴嘴與傳統單層噴嘴的噴霧貫穿距和噴霧錐角。結果表明，雙層交錯多孔噴嘴噴霧貫穿距較短、噴霧錐角較大。同時建立了與定容室內噴霧發展過程的仿真模型并進行了仿真，雙層交錯多孔噴嘴噴霧貫穿距的仿真結果與試驗數據很接近，驗證了所建模型的準確性。

雙層交錯多孔噴嘴；噴霧貫穿距；噴霧錐角

前言

柴油機傳統燃燒方式屬于噴霧的擴散燃燒，因此在柴油機工作過程中噴霧特性對燃燒排放性能的優劣起決定性的影響[1-2]。雙層交錯布置多孔噴嘴的噴孔采用上下兩層交錯布置方式，目的是使燃油在燃燒室空間內在軸向和周向上盡可能地均勻分布，減少燃燒過程中的高溫富油區[3]。

對于雙層交錯布置的多孔噴嘴，噴孔布置方式與傳統噴嘴有很大不同，必將導致噴霧形態的改變。因此對雙層交錯布置多孔噴嘴高壓噴射霧化和油束特性進行深入的研究，是進一步改善發動機燃燒特性與排放特性的迫切需要，也是準確模擬采用雙層交錯布置多孔噴嘴的柴油機燃燒過程的一個關鍵因素。

本文中采用高速攝影技術對雙層交錯布置多孔噴嘴和傳統單層噴嘴在定容室內的噴霧發展過程進行高速攝影研究。

1 試驗裝置簡介

高壓噴射高速閃光攝像測試臺架示意圖如圖1所示。燃油噴霧高速閃光攝像測試臺架由高壓油泵、共軌管路、電控噴油器和ECU等組成。拍攝系統采用FastCAM-APX120K CCD高速攝影儀，在拍攝速率為10 000fps下，拍攝的有效像素為512×256，光譜響應范圍為0.4～1.1m。控制系統是由電腦操縱的控制端，與ECU和驅動電路連接。背壓系統用于燃燒室的靜態模擬。

2 試驗方案

試驗主要研究單層噴嘴和雙層交錯布置多孔噴嘴的噴霧特性，試驗方案見表1。試驗環境溫度27℃，高壓共軌腔壓力保持在120MPa，噴油脈寬為2ms，噴射用柴油為0#輕柴油。傳統單層噴嘴和雙層交錯布置多孔噴嘴頭部放大圖如圖2所示。

表1 噴霧試驗方案

3 仿真模型與計算網格

AVL公司的Fire軟件對噴霧的模擬采用離散液滴模型(DDM)，本文中選用KH-RT二次油滴破碎模型模擬燃油的二次破碎過程，選用Nordin模型模擬燃油液滴的碰撞聚合。

計算網格如圖3所示。將前期雙層交錯布置多孔噴嘴內流場計算出nozzle文件作為邊界條件導入，使噴孔內流場與噴霧發展過程耦合起來，進行噴霧的數值模擬。計算初始條件設置與試驗條件相同，噴射壓力為120MPa，噴射脈寬為2ms，噴射背壓為3MPa。

4 仿真和試驗結果及分析

4.1 雙層交錯布置多孔噴嘴與單層噴嘴噴霧的比較

圖4為單層噴嘴和雙層交錯布置多孔噴嘴噴霧過程的側向噴霧圖像，背壓為大氣壓。由圖可見，雙層交錯布置多孔噴嘴由于噴孔采用上下層交錯布置，噴霧作用范圍明顯增大，非常適用于提高噴霧過程中燃油在燃燒室內的均勻分布。

圖5為單層噴嘴和雙層交錯布置多孔噴嘴在噴射壓力為120MPa、噴油控制脈寬為2ms和背壓為3MPa時，從噴油器底部拍到的噴霧發展過程。從圖中可以看出，雙層交錯布置多孔噴嘴相鄰霧束間存在一定的差異，這主要是因為相鄰噴孔采用上下層布置方式，上下層噴孔噴射夾角不同所致。

在相同的噴射壓力、噴射背壓下，雙層交錯布置多孔噴嘴和單層噴嘴的噴霧貫穿距如圖6所示。由圖可見，在同一時刻下，雙層交錯布置多孔噴嘴的噴霧貫穿距要明顯小于單層噴嘴的噴霧貫穿距。因此，雙層交錯布置多孔噴嘴能避免或減輕噴霧與燃燒室壁面或氣缸壁面的撞壁現象。

圖7為由噴霧照片處理而得的雙層交錯布置多孔噴嘴和單層噴嘴噴霧對應圖像的噴霧錐角。從圖中比較得出，雙層交錯布置噴孔油嘴的噴霧錐角比單層噴嘴的噴霧錐角要大。主要是因為雙層交錯布置多孔噴嘴噴孔直徑較小，燃油從噴孔噴出后發生二次破碎的距離提前，燃油索特平均直徑減小，燃油顆粒易受空氣阻力的影響而發生運動偏移。

4.2 雙層交錯布置多孔噴嘴噴霧發展過程仿真結果

圖8為雙層交錯布置多孔噴嘴在定容室內噴霧過程側面及底部圖像。圖9為試驗測試所得噴霧貫穿距與仿真值的比較。由圖可見，雙層交錯布置多孔噴嘴噴霧貫穿距試驗值與仿真值吻合較好，說明噴霧模型參數設置較為合理，能較好地模擬燃油噴霧過程。

5 結論

建立了定容室內的雙層交錯布置多孔噴嘴噴射模型，并采用高速攝像技術，研究了雙層交錯布置多孔噴嘴與單層噴嘴的噴霧特性的差異，對噴霧特性參數進行了分析，并驗證了所建噴霧模型的正確性，得出了以下結論。

(1) 通過比較分析單層噴嘴與雙層交錯布置多孔噴嘴的噴霧特性，得出雙層交錯布置多孔噴嘴的噴霧貫穿距比單層噴孔噴霧貫穿距要小，噴霧錐角較大。

(2) 通過噴霧特性試驗研究中獲得的試驗數據，驗證了噴霧仿真模型，仿真所得噴霧貫穿距與試驗所得噴霧貫穿距吻合較好，說明所選噴霧模型和網格尺寸可以較好地模擬噴霧過程。

[1] 蔣德明.內燃機燃燒與排放學[M].西安:西安交通大學出版社,2001.

[2] 蘇萬華,趙華,王建昕,等.均質壓燃低溫燃燒發動機理論與技術[M].北京:科學出版社,2010.

[3] 黃康,歐陽光耀,安士杰,等.雙層交錯布置多孔噴嘴設計與仿真研究[J].上海交通大學學報,2013(3):434-437.

[4] Benajes J, Pastor J V, Payri R, et al. Analysis of the Influence of Diesel Nozzle Geometry in the Injection Rate Characteristic[J]. Journal of Fluids Engineering,2004,126(1):63-71.

[5] Ahmet Kilic. Influence of Nozzle Parameters on Single Jet Flow Quantities of Multi-Hole Diesel Injection Nozzles[C]. SAE Paper 2006-01-1983.

[6] Inderpal S, Lurun Z, Minq-Chia D, et al. Effect of Nozzle Hole Geometry on a Hsdi Diesel Engine-Out Emissions[C]. SAE Paper 2003-01-0704.

[7] AVL-Fire Reference Manual, Version8.5[EB/OL]. http://www.avl.com,2006-12.

Simulation and Experimental Study on the Spray Characteristics ofDouble-row Staggered Multi-hole Nozzle

Huang Kang1,2, Ouyang Guangyao2, An Shijie2& Chang Hanbao2

1.TheHighSpeedAerodynamicInstitute,ChinaAerodynamicResearchandDevelopmentCenter,Mianyang621000;2.PowerEngineeringAcademy,NavyUniversityofEngineering,Wuhan430033

In this paper, by using the technologies of high-speed photography and image processing, the spray characteristics of double-row staggered multi-hole nozzle is studied with the spray characteristic parameters obtained and the spray penetration distance and cone angle of double-row staggered multi-hole nozzle and traditional single-row nozzle compared. The results show that the spray penetration distance of double-row staggered multi-hole nozzle is shorter and its spray cone angle is larger, compared with traditional single-row nozzle. Meanwhile a simulation model for spray development process in constant volume chamber is established and a simulation is conducted with the simulation result of the spray penetration distance of double-row staggered multi-hole nozzle very close to test data, verifying the correctness of the model built.

double-row staggered multi-hole nozzle; spray penetration distance; spray cone angle

*國防“十二五”預研項目(2010701010101)資助。

原稿收到日期為2013年10月9日，修改稿收到日期為2013年11月13日。