基于FLUENT的柴油機噴油嘴的沖刷腐蝕仿真計算

王 建，劉正林，鄭衛(wèi)剛

(1.武漢理工大學 能源與動力工程學院，湖北 武漢 430063；2.武漢理工大學 工程訓練中心，湖北 武漢 430063)

基于FLUENT的柴油機噴油嘴的沖刷腐蝕仿真計算

王 建1，劉正林1，鄭衛(wèi)剛2

(1.武漢理工大學 能源與動力工程學院，湖北 武漢 430063；2.武漢理工大學 工程訓練中心，湖北 武漢 430063)

高壓、高噴射速率條件下流體對噴油嘴的沖刷腐蝕問題更加凸顯，給柴油機工作的可靠性提出了挑戰(zhàn)。應用計算流體力學方法建立氣液兩相流綜合數(shù)學模型，借助FLUENT軟件對噴油嘴內流體進行數(shù)值模擬分析，結果表明選擇較大長徑比的可緩解沖刷腐蝕。結果可為柴油機噴油嘴結構優(yōu)化和性能改善提供重要參考。

噴油嘴；氣液兩相流；沖刷腐蝕；數(shù)值模擬

隨著排放法規(guī)的日益嚴格和對燃油經(jīng)濟性要求的提高，噴油器已經(jīng)成為現(xiàn)代柴油發(fā)動機最關鍵的組成部分。為提高柴油機對噴油嘴的噴油性能，柴油機燃油噴射系統(tǒng)也逐步向高噴射壓力、高流動速率方向發(fā)展，使得噴油嘴的沖刷腐蝕狀況加劇，柴油機的工作可靠性亦得不到相應保障。噴油嘴頭部結構的幾何尺寸是極其細微的，噴油嘴內燃油在噴孔中有很高的噴油壓力和燃油速度，在如此細小的區(qū)域中直接觀察和監(jiān)測噴孔內流體流動的難度是顯而易見的，借助計算機采用數(shù)值模擬的方法對噴孔內的燃油流動進行模擬分析較為方便。Sibendu Som[1]等利用FLUENT來執(zhí)行噴油嘴內流體流動的數(shù)值模擬，對噴油嘴尺寸變化和燃料變化引起的湍流和空穴進行了量化，表征了噴油嘴幾何形狀和燃料特性對噴射流體的發(fā)展的影響。張玉光[2]利用FLUENT對改進前后噴油嘴內的流體進行仿真計算，結果顯示針閥升程減小0.1 mm，針閥體座面沖擊應力大幅減小，雙面錐閥的應用可提高噴油器的穩(wěn)定性。陳佳[3]等運用CFD方法對三通管沖刷腐蝕進行計算，得知流體黏度越大，沖刷腐蝕越嚴重；出口段直徑越大，沖刷腐蝕越輕。

以往對噴油嘴霧化的因素的研究相對較多，但對噴油嘴沖刷腐蝕的影響因素如燃油種類，噴油嘴幾何參數(shù)等的研究比較少。現(xiàn)就這2個因素對燃油流動狀態(tài)應用FLUENT進行模擬計算，分析其對噴油嘴沖刷腐蝕的影響，進而為噴油嘴的優(yōu)化設計和維護提供一定指導。

1 噴油嘴幾何模型的建立

以某噴油嘴為例，見圖1(a)，其噴孔長度L=1 mm，直徑D=0.28 mm。計算區(qū)域選擇噴孔內部，利用FLUENT軟件前處理器GAMBIT建立噴油嘴二維管模型，網(wǎng)格單元和網(wǎng)格類型分別為Quad和Map，模型單元數(shù)為20 800，節(jié)點數(shù)為21 482。二維管具體結構邊界類型選定和網(wǎng)格模型，見圖1(b)和圖1(c)。

(a)噴油嘴結構圖

(b) 二維管模型及邊界條件

(c)網(wǎng)格模型圖1 噴油嘴模型

2 影響因素分析

沖刷腐蝕作用的實質是金屬腐蝕產(chǎn)物在腐蝕流體的剪切力作用下被移走，導致新鮮金屬表面直接

接觸腐蝕流體，加速金屬腐蝕，因此壁面剪切力是評價沖刷腐蝕的量度之一。噴油嘴內的實際流動為多相流，由于燃油流動造成壓力不均而伴隨有空穴產(chǎn)生，對噴油嘴的沖刷腐蝕作用比其他方式更為明顯，危害更大，所以選取氣液兩相流來分析其對噴油嘴的沖刷腐蝕作用。

2.1燃油的影響

除了作為柴油機傳統(tǒng)燃料的柴油、重油(在進入柴油機前應該加熱至一定的溫度使其黏度達到合適的范圍內才能供柴油機使用)之外，生物柴油也在多元化的清潔和可再生能源的組成中起著重要的作用，甚至有些柴油機不用作改造都可以使用其做燃料，可明顯改善NOx和碳煙排放水平[4]。現(xiàn)將不同性質的柴油、生物柴油和重油進行對比模擬來分析其對噴油嘴沖刷腐蝕的影響，三者主要物理性質如表1。

表1 柴油、生物柴油、重油三者重要物理性質比較

初始條件恒定，即噴油嘴燃油噴射壓力為12 MPa，背壓為3 MPa。

在上述條件下，普通柴油作為燃料時噴嘴空穴流動的流場計算結果如圖2所示。

從整個流動區(qū)域看，氣相體積分數(shù)變化較大(見圖2(a))，因為在此區(qū)域流動速度突然升高(見圖2(b))，在噴孔入口的拐角處壓力急劇下降(見圖2(c))，而噴孔入口處流體的剪切力快速上升。在空穴產(chǎn)生的區(qū)域，剪切力隨著氣體的體積分數(shù)增大而減少，從圖2(d)中可以看出，在噴孔入口處(約0.3 mm位置)剪切力增至約50 kPa,距入口約0.2 mm(圖中0.5 mm)處剪切力降至極小，隨后繼續(xù)增大，在0.9 mm以后穩(wěn)定在45 kPa左右。

圖2 噴嘴空穴流動的流場計算結果(柴油)

生物柴油和重油分別作為燃料時，噴嘴內流體流場模擬結果如圖3所示。

在相同條件下，生物柴油和重油的空穴產(chǎn)生不如柴油明顯，三者空穴分布位置大致相同，壓力都在噴孔入口處發(fā)生驟變，但空穴體積分數(shù)有所區(qū)別。3種燃油自身特性不同，流場分布區(qū)別較大，對壁面剪切力的分布產(chǎn)生了很大影響。

柴油、生物柴油和重油密度依次升高。在相同的邊界條件下，柴油的最高流動速度更高，這與它的黏度最低有關，模擬結果表明柴油對壁面的剪切力最小。從圖4(b)可見重油的流動壓力波動較大，產(chǎn)生的壁面剪切力遠大于其他燃油。由此可見，柴油作為燃料時可減小噴嘴的沖刷腐蝕。3種燃油模擬結果對比見圖5。

2.2噴油嘴幾何尺寸的影響

噴油嘴噴孔長徑比L/D對空穴產(chǎn)生有很大影響，比較圖2和圖6所示的3種不同幾何尺寸的噴孔的氣相體積分數(shù)可知，增大長徑比能促進空穴產(chǎn)生。空穴的產(chǎn)生及其對噴孔壁面的腐蝕有著緊密聯(lián)系，下面就長徑比為0.8/0.3和1.2/0.25的噴油嘴模型(見圖6)分別進行仿真計算再與1.0/0.28的初始噴嘴進行對比。初始條件不變，燃油為柴油。

由圖7和圖8可見，長徑比的增大對空穴產(chǎn)生有一定促進作用，對壓力和速度的影響較小，總的來說，壁面最大剪切力呈現(xiàn)出先增大再減小的規(guī)律。長徑比較小時，噴孔壁面產(chǎn)生的最大剪切力相對較小，但不能保證霧化。當長徑比較大時，壁面剪切力跟前者處于相似水平，但霧化條件更好。

圖3 噴嘴空穴流動的流場計算結果(生物柴油)

圖4 噴嘴空穴流動的流場計算結果(重油)

圖5 3種燃油模擬結果對比

圖6 不同長徑比的噴油嘴模型

3 結束語

1)在噴孔入口區(qū)域，壓力驟降，剪切力急劇上升；從整體來看，噴孔入口拐角處和空穴區(qū)域為沖刷腐蝕危害嚴重位置；壁面最大剪切力位置位于噴孔出口附近。

2)空穴生成區(qū)域大小按照柴油、生物柴油、重油的次序降低，柴油的霧化效果最好且對沖刷腐蝕的影響也最小；長徑比的增大使噴嘴壁面剪切力減小。當邊界條件不變時，選擇較大的長徑比，更有利于緩解沖刷腐蝕。

[1]Sibendu Som, Douglas E. Longman. Influence of Nozzle Orifice Geometry and Fuel Properoties on Flow and Cavitation Characteristics of a Diesel Injector [J]. Fuel Injection in Automotive Enbineering,2012(4)：112-126.

[2]張玉光,劉彪,李明海. 基于FLUENT的柴油機噴油嘴結構改進與數(shù)值分析[J].內燃機，2011(5):9-11.

[3]陳佳，劉勇峰.三通管沖刷腐蝕數(shù)值計算[J].當代化工,2013(1):76-78.

[4] 安俏俏,朱建軍,王晉，等.柴油機燃用混合替代燃料的燃燒與排放特性[J].燃燒科學與技術,2014,20(3):270-275.

圖7 噴嘴空穴流動的流場計算結果圖

圖8 不同長徑比下模擬的結果對比圖

The nozzle inside-wall erosion-corrosion is becoming increasingly evident，which poses a challenge,as a result,in the reliability of the diesel engine.In this paper,computatonal Fluid Dynamics method is used to establish a comprehensive mathematical model of gas-liquid two-phase flow and simulation analysis of the fluid flow in the nozzle is performed via FLUENT.The results show that the corrosion may be relieved in a large length diameter ratio of nozzle hole,which will become reference for the diesel engine.

injector;gas-liquid two-phase flow;erosion-corrosion;numerical simulation

王建(1992-)，男，河南洛陽人，在讀碩士研究生，研究方向為船舶動力裝置系統(tǒng)性能分析、載運工具應用工程。

U672

10.13352/j.issn.1001-8328.2015.03.009

2015-02-02