噴嘴內流影響下的噴油器性能參數敏感性分析

摘要：為探究噴嘴結構設計對噴油器乃至電控高壓共軌燃油噴射系統流通特性、噴霧特性等影響，基于高壓共軌噴嘴內部流動及噴霧可視化試驗平臺，探究真實尺寸噴嘴內部空化流動瞬態特性，利用修正的空化模型結合湍流模型與多相流模型開展噴嘴幾何結構對內部空化流態及其對噴嘴綜合性能影響的數值模擬研究，并結合規則兩水平分數因子設計開展幾何參數敏感性分析。結果表明：在燃油噴射過程中，噴嘴內可能同時存在幾何空化與線空化兩種空化流態，且針閥運動直接影響噴嘴內線空化現象；噴孔出口直徑、噴孔錐度系數、針閥升程及噴孔長度等因素對噴嘴的綜合性能影響最為顯著；不同結構噴嘴內部空化流態的差異是噴油器流通與噴霧性能差異的主要原因；噴嘴內部的線空化對噴霧宏觀特性影響顯著，且空蝕風險較小。研究可為噴嘴結構設計提供參考，為實現高壓共軌燃油噴射系統噴油規律、噴油量及噴霧的精準控制提供理論支撐。

關鍵詞：噴嘴；敏感性分析；空化；噴霧；空蝕風險

中圖分類號：TK422 文獻標志碼：A

DOI：10.7652/xjtuxb202505018 文章編號：0253-987X（2025）05-0189-09

Parameters Sensitivity Analysis of Injector Performance

with the Effect of Nozzle Internal Flows

XU Shuohan¹， ZHAO Kai²， BAI Tianyang¹， GAO Zhang²， GUO Genmiao¹， HE Zhixia¹， Raul PAYRI³， SHAO Zhuang^1，4

（1. Institute of Energy Research， Jiangsu University， Zhenjiang， Jiangsu 212013， China; 2. China Automotive Technology and

Research Center （Changzhou） Co.， Ltd.， Changzhou， Jiangsu 213100， China; 3. CMT-Clean Mobility amp; Thermofluids， Universitat

Politècnica de València， Valencia 46022， Spain; 4. Shandong Zhongke Advanced Technology Co.， Ltd.， Jinan 250101， China）

Abstract：To investigate the impact of nozzle structure design on the flow characteristics and spray characteristics of injectors and the electronically controlled high-pressure common rail fuel injection system， a high-pressure common rail nozzle internal flow and spray visualization test platform is utilized to explore the transient characteristics of cavitation flow within a full-scale nozzle. A modified cavitation model， combined with a turbulence model and multiphase flow model， is used to conduct numerical simulations on the effects of nozzle geometry on internal cavitation flow patterns and overall nozzle performance. Additionally， a two-level fractional factorial design is employed for geometric parameter sensitivity analysis. The results indicate that both geometric cavitation and string cavitation can coexist within the nozzle during fuel injection， and needle valve movement directly affects the occurrence of string cavitation in the nozzle. Factors such as nozzle outlet diameter， nozzle conicity coefficient， needle valve lift， and nozzle hole length have the most significant impact on the nozzle’s overall performance. Differences in internal cavitation flow patterns across different nozzle structures are the primary reason for differences in flow and spray performance. String cavitation within the nozzle has a notable effect on the spray’s macroscopic characteristics， with minimal risk of erosion. This study provides a reference for nozzle structure design and theoretical support for precise control of regular injection， fuel quantity， and spray in high-pressure common rail fuel injection systems.

Keywords：nozzle; sensitivity analysis; cavitation; spray; erosion risk

開發高效、清潔以及可持續的柴油機技術是實現“雙碳”目標的迫切需求。在噴油嘴內部存在著復雜的微尺度多相流體流動現象——空化，空化的關鍵效應之一是它與湍流的關聯。在內燃機噴射液體燃料的情況下，噴油器噴嘴內外的空化流動主導著液體燃料的破碎和霧化，對燃燒效率和排放有顯著影響^［1-5］。現代柴油機噴射系統通常采用高噴射壓力及小噴孔直徑提高噴霧質量，以促進燃料混合燃燒^［6-10］。與噴嘴內湍流對噴霧霧化的影響相比，空化現象更為重要。根據流動形態，噴嘴內部空化分為幾何誘導空化和渦旋誘導空化兩種。前者由噴嘴幾何結構引起的流動收縮所致，能夠促進射流破碎^［11-13］，但也會引致空蝕，從而影響噴嘴壽命^［14］。后者呈線狀（故又稱線空化），主要與噴嘴內渦旋流動有關，其可誘導中空噴霧，進而改善霧化質量^［15］，但噴嘴內的渦流場具有強瞬態特性，誘導條件較為苛刻^［16］。已有研究表明，柴油機噴嘴內部幾何結構的微小改變就可以產生完全不同的空化形態^［17-21］。

目前，關于噴嘴幾何結構對內部空化流動及噴霧特性影響的探究多集中于噴孔結構與針閥運動。陶希成等^［22］基于比例放大透明噴嘴試驗臺，探究了不同錐度噴孔內空化流動差異，結果表明，在漸擴孔中最易發生空化現象，直孔次之，漸縮孔最難。何志霞等^［23］通過X射線同軸相襯成像技術準確獲得噴嘴內部幾何結構尺寸，結果表明較小的噴孔長徑比有助于提高初次霧化效果，噴霧貫穿距最小；噴孔入口處倒圓角設計會大大減弱噴嘴內空化強度，使噴霧破碎效果變差。Moon等^［24］通過X射線示蹤成像方法在真實金屬噴嘴內部觀察到了渦流、渦線空化及流動分離的瞬態行為，結果表明渦流強度隨針閥升程的增加先增大后減少。Salvador等^［25］基于雷諾時均湍流模型（RANS）探究了10種固定針閥升程的多孔噴嘴，模擬結果表明噴嘴內部湍流的發展和壓力演變依賴于針閥升程，在低針閥升程下更明顯。

上述研究表明，噴嘴幾何結構對其內部空化流動及噴嘴流通特性、噴霧發展特性具有顯著影響。因此，在噴油器設計中，針對其幾何結構進行優化成為提高噴油器性能的重要途徑。本文基于高壓共軌噴嘴內部流動可視化實驗平臺，探究針閥運動對噴嘴內部空化兩相流動的影響，并在此基礎上利用數值模擬方法與常規兩水平因子設計探究顯著影響噴嘴性能的幾何結構參數。

1 可視化試驗裝置及噴嘴結構

1.1 高壓共軌噴嘴內部流動與噴霧可視化試驗臺

自行搭建的高壓共軌噴嘴內部流動與噴霧可視化試驗臺如圖1所示。試驗系統主要包括電控高壓共軌燃油噴射系統和高速數碼顯微成像系統。油箱內的燃油經由過濾器、低壓油泵和高壓油泵至高壓共軌管穩壓，然后經油管至噴油器噴出。試驗時，從電腦端控制電子控制單元發出噴油信號，同時采用同步信號觸發相機拍攝，實現噴嘴內部流動及噴霧同步高精度捕捉。

1.2 噴嘴結構及參數定義

可視化試驗噴嘴為基于某型9孔船用噴油器噴嘴研制出的具有相同尺寸的2孔光學透明噴嘴，噴嘴材質為機玻璃。如圖2所示，首先將金屬噴油器噴嘴頭部自噴油嘴偶件密封線以下切除，然后替代裝配光學透明噴嘴。

基準噴嘴具體幾何尺寸詳見表1。圖3給出了噴嘴主要結構參數定義示意圖。其中，噴孔錐度系數K強烈影響噴孔內部空化流動特性，定義如下

K=100（D_in－D_out）L_h （1）

式中：D_in為噴孔入口直徑；D_out為噴孔出口直徑；L_h為噴孔長度。經計算，圓柱形噴孔的錐度系數K為0，漸縮噴孔的錐度系數K大于0。

試驗中，燃油介質為柴油，噴射壓力分別取50、60、70、80 MPa，背壓為當地環境壓力，噴油脈寬為1 800 μs；柴油溫度與環境溫度相同，均為293 K；柴油密度為832 kg/m³，柴油黏度為0.003 kg/（m·s）。每個試驗工況均進行3次重復試驗。

2 數值模擬模型及方法

基于ANSYS Fluent計算流體力學軟件，采用基于歐拉框架的氣液界面追蹤方法（VOF）對兩相界面進行跟蹤，氣液兩相流中考慮了液相燃油、燃油蒸汽和空氣3種組分。同時，忽略流動過程中的燃油微小溫度變化，將多相流假定為等溫可壓縮湍流。該模型通過求解一組動量方程，在整個計算域中跟蹤每一相的體積分數，連續性方程和動量方程如下

?ρ?t+Δ·（ρU）=0 （2）

?ρU?t+Δ·（ρUU）=－ΔP+Δ·σ （3）

式中：ρ為密度；t為時間；U為速度；P為壓力；σ為混合流體的剪應力張量。

雷諾應力湍流（RSM）模型忽略了Boussinesq假設，直接求解雷諾應力輸運方程與耗散方程，克服了常用兩方程湍流模型渦粘假設的局限性，可較好地預測旋流和二次流等湍流動態特性。同時，RSM模型考慮了流線曲率、渦旋以及快速應變率的影響，對噴嘴內線空化流動的預測具有更大潛力。

基于簡化Rayleigh-Plesset方程發展出的空化模型（如Zwart-Gerber-Belamri、Schnerr-Sauer等）對局部壓力非常敏感，結合RANS模型解析噴嘴內部旋流將會高估渦核附近的湍流黏度，從而低估了渦核的速度梯度和壓降，導致數值模擬預測的線空化強度總是明顯比試驗結果弱^［26-27］。本文考慮了旋渦流場中渦量張量的影響，修正了Zwart-Gerber-Belamri空化模型，提高了有限傳質速率類空化模型對線空化現象的預測精度。

修正后的空化模型源項如下：

當P_v≥P_∞時，氣泡開始生長（即蒸發階段），有

_e=F_vap3α_nuc（1－α_v）ρ_vR_B2（P_v－P_∞）3ρ_l （4）

當P_vlt;P_∞時，氣泡開始潰滅（即冷凝階段），有

_c=CF_cond3α_vρ_vR_B2（P_∞－P_v）3ρ_l （5）

C=（1+t_∞Ω）^－1 （6）

式中：_e和_c分別為氣泡生長和潰滅過程的質量輸運源項；α_v為蒸汽相體積分數；ρ_v為蒸汽相密度；ρ_l為液相密度；P_v為柴油的飽和蒸汽壓；P_∞為局部遠場壓力；α_nuc為成核部位體積分數；R_B為氣核半徑；F_vap和F_cond為模型系數，分別取50和0.01；C為冷凝系數修正系數；Ω為渦度張量；t_∞為時間尺度，用于歸一化渦量張量。

求解中，采用隱式有限體積法、基于壓力的求解器，以及SIMPLEC壓力-速度耦合算法。采用二階迎風格式對密度進行插值，采用壓縮格式對蒸汽體積分數輸運方程進行離散化，并且時間積分采用二階格式。作者前期工作中對求解設置作了詳細描述^［28］。

3 噴嘴內瞬態空化流動特性

為了捕獲燃油在噴嘴內部流動時發生的瞬態空化現象，采用背光成像法進行試驗，采用與柴油折射率相近的有機玻璃加工透明噴嘴。光線在穿過有機玻璃和燃油液相的交界處時發生的偏折較小，而當噴嘴內部發生空化現象時，會同時存在液相柴油與柴油蒸汽，兩者折射率差異較大，光線在經過燃油液-汽界面時會發生折射，導致從空化區域進入顯微鏡頭的光線減少，因此從試驗圖像上看，噴嘴內部空化區域呈現黑色，液相柴油呈透明色。當燃油經噴孔噴射后，在近場噴霧區域，由于表面張力及液體內部流動的不穩定性，燃油由最開始的完整液柱開始破碎，逐漸形成液膜與液絲，此時油束仍比較稠密，光線穿過油束時會發生多次反射與折射，導致進入顯微鏡頭中的光線極少，因此在噴孔外部的液相噴霧區呈現為黑色，柴油蒸汽及空氣呈透明色。

圖4給出了不同噴射壓力下，一次噴油循環中噴嘴內部燃油的流動特性。可以看出，不同噴射壓力下該噴嘴內均產生了強烈的幾何空化和線空化。在噴射初期，隨著針閥開啟，噴嘴內的殘余氣泡與上游燃油經噴嘴壓力腔（SAC）進入噴孔，流道方向與截面的突變導致噴孔入口附近形成局部低壓區，誘導產生幾何空化。幾何空化迅速延伸至噴孔出口，發展為超空化流態。同時，噴嘴內產生了線空化，噴孔內強烈的超空化導致孔內線空化難以區分，但在針閥抬起和落座階段可清楚觀察到SAC內部的線空化現象。這主要是因為針閥運動改變了上游流道橫截面，影響了噴嘴內部流體的壓力演變和速度場，而在針閥升程處于比較低的位置時，由于流道截面減小流體速度大幅提升，并沿著針閥錐面及底部進入SAC，形成較強的渦旋結構，從而誘發渦線空化的產生。

考慮到透明噴嘴的材質強度以及試驗重復性，噴油壓力設置為50、60、70、80 MPa，噴油持續期為1 800 μs，進行3次重復試驗，得到不同噴射壓力下針閥升程運動及線空化強度曲線，如圖5所示。噴射壓力直接顯著影響針閥升程運動，隨著噴射壓力增加，針閥抬升速率與最大針閥升程單調增加，且噴油脈寬也單調增大，其中，50 MPa噴射壓力下噴嘴的針閥最大升程為0.3 mm。然而，自信號觸發不同噴射壓力下針閥抬起至最大升程的時刻相近，均約為1 800 μs。同時，隨著噴射壓力增大，針閥落座速率減小，50 MPa噴射壓力下針閥落座最迅速。從噴射壓力對線空化強度的影響可以看出，渦線空化的產生與針閥升程密切相關，且線空化強度呈現出一定的規律性：不同噴射壓力噴射末期噴嘴內都會出現強烈的線空化現象。此處，線空化二維強度被定義為圖像中的線空化區面積與噴孔面積的比，詳見文獻［16］。

4 數值模擬模型驗證

基于50 MPa噴射壓力、0.13 mm針閥升程工況下的可視化試驗結果進行數值模擬模型驗證，此時在針閥抬起和落座階段噴嘴內均產生了穩定且強烈線空化與超空化，見圖6。考慮到噴嘴結構的高對稱性，為減少計算成本，計算域選取噴嘴一半結構。由于本研究重點關注噴嘴內部空化流動特性，因此對SAC與噴孔區域進行了局部加密。

為了驗證數值計算結果網格無關性，針對表2所示6種尺寸網格開展數值模擬計算。考慮到透明噴嘴內部空化流動的特點，定義SAC腔線空化三維強度I_sac和噴孔空化三維強度I_hole的計算公式為

I_sac=V_cav，sacV_sac （7）

I_hole=V_cav，holeV_hole （8）

式中：V_cav，sac和V_cav，hole分別表示噴嘴壓力腔和噴孔內的線空化區體積；V_sac和V_hole分別表示噴嘴壓力腔和噴孔體積。

圖7給出了不同網格尺寸下噴嘴內部空化流態。由圖可知，方案Ⅰ粗糙網格下噴嘴內部幾何空化與線空化形態均不能被很好刻畫。隨著網格細化，噴嘴內部線空化初生并發展為貫穿SAC且并連接噴孔中的幾何空化的連續結構，噴孔中迅速發展為超空化流態，并且在線空化作用下超空化呈現出明顯的向噴孔軸線處匯聚趨勢。結合圖6給出的可視化試驗結果，僅從幾何空化和線空化宏觀形態看，方案Ⅲ網格已達到求解精度。圖8給出了不同網格尺寸下，噴嘴內部線空化、幾何空化強度及噴孔出口流量特性。由圖8可知，隨著網格細化，噴嘴內部線空化和幾何空化強度逐漸增大，導致噴嘴質量流量逐漸減小。當網格細化至方案Ⅳ時，噴嘴內部空化現象強度及噴孔質量流量趨于穩定，呈現出了穩定的網格無關性。同時，方案Ⅳ網格數值模擬結果與圖6展示的噴嘴內空化形態可視化試驗結果具有更好的一致性，驗證了數值模型的可靠性。因此，本文在方案Ⅳ網格尺寸下開展噴嘴結構參數敏感性分析。

5 噴嘴結構參數敏感性分析

為了探究各結構參數及兩因素交互作用對噴嘴性能的影響，在Design Expert軟件中，選取常規兩水平因子設計中的部分因子設計方法開展噴嘴結構參數的敏感性分析。敏感性分析共包含11個結構參數，均取高（+）、低（－）兩組水平，各因素兩水平取值如表3所示。

鑒于噴嘴各結構參數之間存在一定的匹配關系，為保證試驗設計所得到的結構在幾何空間可行，在進行試驗設計時需要針對具有關聯的結構參數給出其相對范圍。定義針閥頭部寬度L_Z低水平（－）為SAC半徑的0.2倍，高水平（+）為SAC寬度的1.4倍；噴孔入口圓角半徑r低水平（－）為0，即無倒圓角設計，高水平（+）為1/3D_in；值得說明的是，噴孔高度H_h是在噴嘴其他結構參數確定后，根據噴孔幾何上能達到的最大噴孔高度H_max和最小噴孔高度H_min，定義低水平（－）為H_min，高水平（+）為H_max，如下所示

H_max=0.8R+D_in2sin θ_h=0.8R+K+100D_out200sinθ_h （9）

H_min=D_in2sin θ_h=K+100D_out200sin θ_h （10）

以流量系數C_d、空蝕風險指數E_ero、液相近場擴散角θ和類噴霧貫穿距P_e作為噴嘴的性能指標。其中，C_d與E_ero反映了噴嘴的流動特性，θ與P_e則可以反映近場噴霧的特征。具體地：流量系數C_d是反映噴嘴流通特性的無量綱參數，可以衡量噴嘴在給定壓差下對流體的流通能力；E_ero為噴孔區域內傳質率大于0（代表空化泡潰滅）網格單元的面積分；P_e為噴孔出口截面上軸向動能與非軸向動能之比，其大小與噴霧貫穿距成正相關^［29］。θ的定義如圖9所示：基于射流噴霧圖像，首先選取射流近噴孔1/2區域輪廓（即近噴孔出口下游0.75 mm），隨后以噴孔軸線為基準，尋找所截取區域內距離該軸線最大距離的坐標點e，獲得經坐標點e的橫截線與射流噴霧區輪廓線的交點f。分別連接噴孔出口邊界點（點g和h）與坐標點e和f形成兩條直線，它們的夾角即為噴孔射流的液相擴散角。

結合噴嘴結構的數值模擬結果，采用數值分析方法量化不同結構參數對噴嘴各性能指標的影響顯著性，結果如圖10所示。可以看出，噴孔出口直徑、噴孔錐度系數、針閥升程及噴孔長度4個單因素對噴嘴綜合性能影響最為顯著。噴孔出口直徑強烈影響噴嘴噴霧宏觀特性（液相近場擴散角θ和類噴霧貫穿距P_e），同時也強烈影響噴嘴內部流動，進而影響著空蝕風險指數E_ero，但對噴嘴流量系數C_d影響不明顯。噴孔錐度系數K對流量系數C_d及空蝕風險指數E_ero的影響最為顯著，針閥升程L_n次之。這是由于錐度系數K強烈影響了噴嘴內部幾何空化流動，而幾何空化的形態及強度與噴孔流量及空蝕密切相關；隨著針閥運動，噴嘴內燃油流道結構不斷改變，導致噴嘴內出現完全不同的流動狀態。在針閥升程較低時，燃油流道截面小，燃油流動湍動性增強，誘發空化現象，導致流量系數減小，空蝕風險增加，噴嘴錐角增大。對于兩因素交互作用影響的敏感性參數主要包含針閥升程與噴孔高度（L_n、H）、針閥升程與SAC高度（L_n、L₂）。針閥升程、噴孔高度與SAC高度共同決定了燃油進入噴孔前的流動特性，進而顯著影響了噴嘴的各項性能。一方面，針閥升程與噴孔高度的相對位置對線空化特性具有強烈影響。另一方面，當針閥升程與SAC高度較低時，燃油經上游流道流入SAC后沒有徑直流向噴嘴孔，而在噴嘴SAC內形成了平行于孔軸線的強渦結構，隨著該渦結構發展到孔內，形成起源于針閥錐面的線空化現象；當針閥升程與SAC高度較高時，燃油進入SAC的入口遠離噴孔，燃油在SAC腔中向噴孔的轉向更加平穩，不易誘導空化現象。

6 結 論

本文結合噴嘴內部流動及噴霧的可視化試驗與數值模擬，探究高壓噴嘴內部空化流動的瞬態特性，并采用常規兩水平分數因子開展噴嘴幾何結構參數的敏感性分析，主要結論如下。

（1）圓柱形噴孔內易誘發強烈的幾何空化，且幾何空化與線空化可同時存在于噴嘴內部。針閥抬起與落座階段，燃油流入噴孔前在噴嘴壓力腔內形成強烈的旋渦，誘發線空化。

（2）噴孔出口直徑、噴孔錐度系數、針閥升程及噴孔長度等因素對噴嘴的綜合性能影響最為顯著。噴孔錐度系數對噴嘴流量系數和空蝕風險指數影響最顯著，噴孔出口直徑對液相近場擴散角和類噴霧貫穿距的影響最顯著。針閥升程與噴孔高度的交互作用以及針閥升程與噴嘴壓力腔高度的交互作用對噴嘴性能的影響亦不容忽視。

（3）噴嘴綜合性能差異受噴嘴內部流動特性強烈影響，尤其是幾何空化與線空化現象。幾何空化與線空化現象均具有優化燃油霧化特性的潛力，但也會降低噴嘴流通特性并加劇空蝕風險。與幾何空化相比，線空化對噴霧宏觀特性的影響更為顯著，且對流通特性及空蝕風險的影響較小，具有更好的應用前景。

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（編輯 亢列梅）