生物柴油/正戊醇混合燃油噴嘴內流動特性模擬

劉彤馨， 潘江如， 孔得丞

（1.新疆農業大學交通與物流工程學院，新疆 烏魯木齊 830052； 2.新疆工程學院控制工程學院，新疆烏魯木齊 830052； 3.長安大學省部級重點實驗室，陜西 西安 710064）

0 引言

農業機械化的發展使得內燃機在農業生產作業中得到廣泛應用，與此同時，能源環境問題日益凸顯及燃油排放法規越發嚴厲，傳統柴油機燃油消耗量大、污染物排放嚴重等問題亟待解決。為了改善柴油機燃用柴油的條件限制，尋求更加清潔高效的替代燃料成為內燃機領域研究和發展的重點。

長期以來，國內外專家學者對柴油燃料做了大量研究。生物柴油作為柴油替代燃料，具有清潔、無毒、可再生的特點，加上其理化性質與柴油接近，可以在不改變柴油機結構的前提下直接燃用生物柴油，研究表明，盡管生物柴油作為一種新型清潔燃料，可以有效減少CO、HC 等污染物的排放量，但會產生較多的NOx[1-2]。研究表明，將生物柴油和乙醇混合使用，既能顯著降低CO 排放，又能有效地減少NOx的排放[3-4]。但短鏈醇如甲醇和乙醇具有較低的十六烷值和較高的汽化潛熱，同時著火延遲較長，與其他傳統燃料摻混穩定性不佳，限制了短鏈醇在柴油發動機上的應用[5]。因此，碳原子數較多的長鏈醇引起了研究人員的關注，正戊醇是具有5 個碳原子的長碳鏈高碳醇，壓燃著火性更好，燃料更易蒸發汽化，霧化質量更好，這些特性對于改善發動機的冷啟動性能一定程度上具有積極意義[6]。

目前，使用生物柴油/正戊醇混合燃料作為柴油機替代燃料的研究尚處于起步階段，并且大多集中在基于發動機臺架試驗的燃燒與排放性能的研究，而對于其噴霧特性的研究卻鮮有報道[7-9]。霧化是燃燒過程的前一階段，燃油的燃燒效率直接受到霧化質量好壞的影響，燃油在噴孔內的空化流動對霧化特性影響顯著[10-12]。因此，有必要深入研究生物柴油/正戊醇混合燃料在燃油噴孔內的空化流動特性。本研究利用FLUENT 混合多相流模型對不同摻混比下混合燃料在噴孔內的流動進行仿真模擬，分析燃油物性差異對噴孔內壓強、速度和空化的影響。

1 計算模型建立

1.1 數學模型

流體流動問題本質上都遵循物理守恒定律，基本的守恒定律包括質量守恒定律、動量守恒定律。

連續性方程為

上面給出的是瞬態三維可壓縮流體的質量守恒方程，若流體為不可壓縮穩態流動，則 ρ為常數，式（1）變為：

式中 ρ-密度

t-時間

u、v、w-速度矢量在x、y和z方向上的分量

動量守恒方程為

選用FLUENT 軟件中的Zwart-Gerber-Belamri 空化模型，該模型假設所有空泡為相同直徑，假設相間質量傳遞速率僅與氣相密度有關，由于氣相體積分數增長會導致氣核位置密度減小，因此該模型引入氣核體積分數 αnuc，用來修正這種變化在空泡潰滅時造成的影響。

其氣相輸運方程為

式中Re、RC-空泡生長和潰滅相關的質量傳遞源項

Pv-汽化壓力

R0-空泡半徑

Fvap-汽化系數

Fcond-凝結系數，αnuc=5×10-4

1.2 幾何模型及網格劃分

對BOSCH 電磁閥式單孔噴油器進行幾何建模，其噴孔直徑D為0.13 mm，噴孔長度L為0.65 mm，噴孔入口過渡圓角半徑R=0，噴嘴結構示意如圖1 所示。由于主要研究柴油機噴孔內燃油流動情況，同時考慮到計算機的計算性能和仿真效率，在不影響數值仿真準確性的條件下，可以對噴嘴幾何結構進行適當簡化，簡化后的模型如圖2 所示，僅保留噴嘴的頭部，即壓力室部分和噴孔部分。?

圖1 噴嘴結構示意Fig.1 Nozzle structure

圖2 噴嘴簡化模型示意Fig.2 Simplified noozle model

針對噴嘴幾何模型，采用ICEM-CFD 軟件建立噴油器內部三維仿真模型并對其進行結構化網格劃分。由于壓力室與噴孔入口處燃油流動情況復雜，劃分網格時對該部分進行了加密處理，如圖3 所示。將噴嘴幾何模型最上方設置為入口，最下方設置為出口，其他設置為壁面。

圖3 噴嘴計算網格Fig.3 Nozzle computational grid

1.3 物性參數及邊界條件

以生物柴油（BD100）作為基準燃料，然后向純生物柴油中加入不同體積比的正戊醇（P100）配比成混合燃料。在考慮柴油機燃用燃料必要的氧含量和理化性質的條件下，參考相關生物柴油/正戊醇混合燃料相關研究，最終選取BD100、BDP10（正戊醇的摻混比例為10%）、BDP20 和BDP40 共4 種燃油作為數值仿真的模擬用油。燃油的物性參數如表1 所示[13-15]。

表1 燃油物性參數（20 °C）Tab.1 Physical parameters of fuel （20 °C）

混合燃油BDP10、BDP20 和BDP40 的物性參數采用Kay 方程進行估算，計算公式為[16]

式中n-燃油組分數

ω-混合燃油物性參數

xi- 第i種燃油質量分數

ωi-第i種燃油物性參數

由于BDP10、BDP20 和BDP40 的蒸汽參數難以測得，因此采用柴油的蒸汽參數代替計算[17]。

表2 為數值模擬的邊界條件設置，噴嘴進出口、壁面分別為壓力邊界條件及標準壁面邊界條件。

表2 數值模擬邊界條件Tab.2 Numerical simulation of boundary conditions

1.4 計算條件設置

燃油在噴孔內的流動是一種典型的氣液兩相流過程，為了更好地模擬噴孔內部燃油流動出現空化的多相流流動，通過Mixture 多相流模型進行數值仿真，模擬時關閉滑移速度，將液體燃油作為第1 相，將氣體燃油作為第2 相。湍流模型選擇realizable k-? 模型，空化模型選擇Zwart-Gerber-Belamri 模型。壓力-速度耦合求解器的求解選擇Coupled 耦合，各離散格式均采用一階迎風格式，欠松弛因子采用軟件默認設置。

2 模型驗證

采用WINKLHOFER E 等[18]在U 型噴嘴中的空化流動試驗對數值模擬模型進行驗證，試驗噴孔幾何尺寸與柴油機噴嘴噴孔尺寸量級相似，其試驗結果可以作為反映噴嘴內空化的基礎依據，因此該模型被廣泛應用于空化模型的驗證。

進口壓力為10 MPa，出口壓力分別為4、3 和2 MPa 下噴孔內氣相體積分布的試驗結果和仿真模擬對比如圖4 所示。

圖4 不同壓差下空化分布試驗值和仿真值對比Fig.4 Comparison of experimental and simulation values of cavitation distribution under different pressure differences

由圖4 可知，數值模擬的空化現象與試驗觀測的空化現象發展趨勢基本一致：當進出口壓差為6 MPa 時，噴孔入口處開始出現空化現象；進出口壓差為7 MPa時，空化范圍明顯增多；當進出口壓差為8 MPa 時，出現超空化現象。對比可知，試驗與模擬的空化位置和大小基本一致。

不同進出口壓差條件下數值模擬和試驗噴孔出口質量流量結果如圖5 所示。噴孔出口的質量流量隨壓差的增大呈線性增加趨勢，仿真值與試驗值較為吻合。誤差主要來源于試驗中壁面存在一定的粗糙度，對內部流體流動會產生一定影響，而在數值模擬中假設壁面是光滑的，從而使仿真值略高于試驗值。但數值模擬過程中整體最大誤差不超過4%，處于工程誤差可接受的范圍內。綜上所述，選取的模型可以較好地預測噴孔內的空化流動現象。

圖5 不同壓差下質量流量試驗值和仿真值對比Fig.5 Comparison of experimental and simulated mass flow ratesunder different pressure differences

3 結果分析

為了詳細分析噴嘴的內流動特性，選取距噴孔入口軸向不同距離（距噴孔入口每隔0.13 mm 設置一個截面）的多個截面和噴嘴中心對稱平面上的云圖及數據結果，分析不同摻混比下生物柴油/正戊醇的壓強、速度和空化分布特性。

3.1 壓強分布

4 種燃油在相同工況下，噴孔內壓強的分布云圖如圖6 所示；4 種燃油在噴孔中的壓強隨截面位置變動而產生的變化如圖7 所示。

圖6 4 種燃油噴孔內壓力分布Fig.6 Pressure distribution of four fuel injection holes

圖7 4 種燃油在不同截面處的壓強變化Fig.7 Pressure variation of four fuels at different cross sections

（1）4 種燃油的壓強數值大小和分布規律是相似的，燃油經壓力室流入噴孔入口時壓力變化較大，從入口壓力的60 MPa 迅速下降至25 MPa 左右。這是由于噴孔入口拐角處燃油流通截面積急劇縮小，造成燃油流通速度急劇加快，導致壓力迅速降低。進入噴孔后，由于受到燃油流向改變的影響，壓力繼續下降直至達到燃油的飽和蒸汽壓后基本保持穩定。隨著燃油向噴孔出口處流動，受到壁面粘滯力的作用和環境背壓的影響，壓力略有回升，直至達到出口背壓壓力。

（2）在燃油向噴孔出口處流動的過程中，不同截面處的壓強大小為BD100＞BDP10＞BDP20＞BDP40，這是因為燃油壓強隨著其在噴孔內流動速度的增加和方向的改變逐漸降至飽和蒸汽壓后再趨于平穩，而BD100 的飽和蒸汽壓最大，BDP40 的飽和蒸汽壓最小。

3.2 速度分布

4 種燃油噴孔內的速度分布情況如圖8 所示，4 種燃油在同一噴孔不同截面處的速度變化如圖9 所示。

圖8 4 種燃油噴孔內速度分布Fig.8 Air velocity distribution of four types of fuel injection

圖9 4 種燃油在不同截面處的速度變化Fig.9 Velocity variation of four fuels at different sections

（1）4 種燃油的速度分布呈現相似趨勢，均表現為階梯型分布，即噴孔中心處速度較高，越靠近壁面處速度越低，這是由于噴孔內燃油流動受邊界層影響，黏性流體越靠近邊界層湍流耗散越大，速度越低；同時由圖10 可以觀察到在壁面處產生空化現象，該現象使燃油有效流通面積減小，從而導致燃油流速減小。因此速度呈現中心速度大，邊界速度小的趨勢。

（2）燃油經壓力室流入噴孔，速度呈現先迅速上升后逐漸下降的趨勢。這是由于噴孔入口拐角處燃油流通截面積急劇縮小，導致燃油流速迅速上升；而后燃油流過空化區域后，有效流通面積重新增大，但此時燃油受到噴孔壁面黏滯力的影響，流動損失增加，流動速度減小。

（3）同一截面處，不同燃油的速度大小為BDP40＞BDP20＞BDP10＞BD100，這是由于4 種燃油的物化特性不同，BDP40 的黏度和表面張力最小，從而在流動過程中受到的流動損失最小，流動速度最大。由此可見，向生物柴油中摻混一定比例的正戊醇，可以有效改善燃油的流動性。

3.3 空化分布

4 種燃油噴孔內空化分布如圖10 所示，4 種燃油在各個截面處氣相體積分數變化如圖11 所示，其中氣相體積分數表征為燃油氣相體積與噴孔總體積之比。

圖10 4 種燃油噴孔內氣相體積分數分布Fig.10 Distribution of gas energy fraction in four fuel injection holes

圖11 4 種燃油在不同截面處的氣相體積分數變化Fig.11 Variation of gas phase physical force fraction of four fuels at different cross sections

（1）4 種燃油的空化分布具有類似的特征，即空化現象均首先出現在噴孔入口拐角處，而后伴隨燃油噴霧的發展氣泡逐漸延伸到噴孔出口，形成了超空化現象，空化區域始終沿著噴孔壁面向噴孔出口位置延伸。這是由于燃油經壓力室流入噴孔入口拐角處時，受到慣性力作用的流體流動方向和大小發生改變，燃油流通截面積急劇縮小，燃油流速迅速上升，壓力迅速下降至飽和蒸汽壓以下，因此在噴孔入口處首先出現空化現象，可見噴孔內低壓區是空化現象形成的重要條件。由于燃油在流向噴孔出口的過程中受到空化不穩定和氣泡潰滅的擾動作用，空化層厚度由噴孔入口向噴孔出口呈現先增加后逐漸減小的趨勢。空化區域始終沿著壁面是因為噴孔內流體邊界層與壁面間更容易形成低壓區，從而更易產生空化現象。

（2）同一截面處不同燃油的氣相體積分數大小為BDP40＞BDP20＞BDP10＞BD100，說 明BDP40 的 空 化 程度最高，BD100 的空化程度最低。這是由于4 種燃油的物化特性不同導致的，BDP40 的黏度和表面張力最小，在流動過程中更容易產生空化現象。由此可見，向生物柴油中摻混一定比例的正戊醇，可以提升混合燃油的空化效果。

4 結束語

采用數值模擬的方法，對4 種燃油在柴油機噴嘴內的流動情況進行了模擬，結論如下。

（1）4 種燃油經壓力室流入噴孔入口時壓力迅速下降，從噴嘴入口的60 MPa 迅速下降至25 MPa 左右；進入噴孔后壓力下降到燃油的飽和蒸汽壓時趨于穩定；隨著燃油向噴孔出口處流動，壓力輕微回升直至達到出口背壓壓力。不同截面處的壓強大小基本相同，BD100 的壓強最大，BDP40 的壓強最小。

（2）4 種燃油的徑向速度分布均表現為中心速度較高，近壁面速度低；軸向速度呈現先迅速上升，后逐漸下降的趨勢；噴孔內同一截面處，不同燃油的速度大小為BDP40＞BDP20＞BDP10＞BD100，說明在生物柴油中加入一定比例的正戊醇，可以有效改善燃油的流動性。

（3）4 種燃油的空化現象均首先出現在噴孔入口拐角處，而后伴隨燃油噴霧的發展，氣泡逐漸延伸到噴孔出口；同一截面處不同燃油的氣相體積分數大小為BDP40＞BDP20＞BDP10＞BD100，說明在生物柴油中加入一定比例的正戊醇，可以提升混合燃油的空化效果。