高压燃油喷雾雾化与蒸发过程的大涡模拟

第28卷（2010）第3期

内燃机学报TransactionsofCSICE

Vol.28（2010）No.3

文章编号：1000-0909（2010）03-0241-06

28-037

高压燃油喷雾雾化与蒸发过程的大涡模拟

周

11

磊，解茂昭，贾

12明，史俊瑞

*

（1.大连理工大学能源与动力学院，辽宁大连116024；2.沈阳工程学院动力系，辽宁沈阳110136）摘要：应用高压喷射技术可以有效地改善燃油雾化的质量。通过大涡模拟方法，对3种喷射压力下定容弹内燃油的高压喷射、雾化和蒸发进行了数值研究，并与相关试验进行了对比；分析了喷射压力对液相贯穿度、油滴平均直径、气相速度场和湍能分布、燃油蒸发率等参数的影响。计算结果表明：采用大涡模拟方法可以捕捉提高喷射压力，显著增加喷雾贯穿度，减小液滴的平均索特直到喷雾场中湍流涡团的随机性的三维复杂结构，径。压力的提高也增大了气相湍动能，促进燃油的蒸发。关键词：高压喷雾；大涡模拟；燃油雾化与蒸发中图分类号：TK402

文献标志码：A

LargeEddySimulationonAtomizationandEvaporationofaHigh-PressureFuelSpray

ZHOULei1，XIEMao-zhao1，JIAMing1，SHIJun-rui2

（1.SchoolofEnergyandPowerEngineering，DalianUniversityofTechnology，Dalian116024，China；2.DepartmentofPowerEngineering，ShenyangInstituteofEngineering，Shenyang110136，China）

Abstract：Highpressureinjectioncaneffectivelyimprovethequalityoffuelsprayatomizationandevapo-ration.Inthispaper，fuelsprayatomizationprocesseswerenumericallystudiedatthreeinjectionpressuresusinglargeeddysimulation（LES），andwerecomparedwithexperimentaldatafromliterature.Influencesofinjectionpressureonspraypenetration，dropletSMD，putationalresultsshowthatwithLESonecanobtainthethreedi-mensional，complexandstochasticturbulenteddystructuresinthespray.Highinjectionpressurecanprominentlyenhancespraypenetration，reducedropletsizeandacceleratefuelevaporation.Keywords：High-pressurespray；Largeeddysimulation；Fuelatomizationandevaporation

引言

随着排放法规的日益严格，降低有害排放量成为

内燃机研究的重点和难点。研究表明，采用高喷油压力能有效地改善燃烧过程和降低污染物的排放，已成

［1-3］

。提高喷油压力可以提高油束的为一种发展趋势

贯穿能力，减小颗粒直径，改善雾化质量；由于卷入油

束的空气量增加和空气的扰动，加速了混合气的形成，实现了快速而又良好的燃烧，改善了燃烧和排放品质，特别是减少了微粒的排放。此外，提高喷射压力可以降低对气缸内空气运动的要求，兼顾发动机在高速和低速工况下的性能，对提高充气效率等方面也带来许

多优点

［4］

。

精确地模拟柴油机的动态喷雾过程，对于研究其

燃烧和排放有着至关重要的作用。由于喷雾过程本身的复杂性，使得在实际的数值模拟计算中，除了需要对计算网格、初始条件和边界条件等作出适当的选择最重要的是应用合适的计算模型以保证计算的精外，［5］

度。最近几年，大涡模型（LES）以其高精确性逐渐

［6］

在燃油喷雾模拟中得到越来越多的应用。鉴于此，笔者采用大涡模型取代迄今常用的RANS模型来模拟

3V中加入大涡模拟燃油喷雾雾化过程，通过在KIVA-模块，对一定容弹内的高压燃油喷雾的雾化特性进行模拟研究。

*

收稿日期：2009-09-23；修回日期：2009-12-11。

基金项目：国家重点基础研究发展计划资助项目（2007CB210002）。

mail：zhouleiquan@。作者简介：周磊，博士研究生，E-

1喷雾过程的LES基本方程

大涡模拟的基本思想是通过对流场在空间上的过滤，将其分为大尺度结构和小尺度结构，进而分解为可解尺度量和亚网格尺度量，前者可以直接进行数值模拟，而后者因小于网格，无法直接求解，须通过亚网格模型进行模拟。在大涡模拟中，由于求解的是三维的空间过滤而非时均的方程，所以得出的结果为详细的瞬态流场。

S方大涡模拟的控制方程是经过滤波处理后的N-3V中的形式［7］为程，其在KIVA-连续方程

·j

+=ρstxj

dupgx（ρp－ρ）

=FD（u－up）+dtρp

FD是气相场作用在液滴上的阻力，即FD=

18μCDRe

2·24dρpp

式中：u和up为气体与液滴的速度；μ为流体区域的分子黏性；ρ和ρp分别为气体与液滴的密度；CD为阻力系

数；Re为液滴的雷诺数。

液滴蒸发速率方程为

dmp－h=hAp（Tg－Tp）dtfg

式中：Tg和Tp分别为气体与液滴的温度；mp为液滴质量；Ap为液滴表面积；hfg为液滴蒸发潜热；h为对流换热系数。

动量方程is

+（iuj－ij－τsgsij）=Fi

txj能量方程

sgs槇槇jeujhjjuie++++－ij－txjxjxjxjxj

2计算模型和数值方法

通过对定容弹中燃油喷雾的LES计算，以精确地

模拟燃油雾化过程。计算模型参考Knig和Blessing，定容弹直径为2cm，高为8cm。喷射采用单直径为0.2mm，采用十四烷为燃料，试验的孔喷嘴，试验

质量流率如图1。环境温度为900K，环境密度为20

kg/cm3，环境气体为N2。

3V，计算基于通用CFD软件KIVA-并添加大涡模

拟程序。喷雾计算采用离散液滴模型（DDM），射流分

［6］裂破碎采用改进的TAB模型，液滴破碎模型采用O′Rourke模型。喷雾过程的其它子模型均为KIVA-［10］

Θ

sgs

－Πsgs=Qc+Qs

··

组分方程

mYmsgssgs

=+u－D++ρθmjmj，mj，m

xjtxj

()

·sm

ρ

sgssgssgssgssgs

S方程中，hsgs在以上N-τij、Θ、Π、j，θj，j、m、m这6项它们分别表示：亚网格应力张量、亚网格热需要封闭，

3V中的原有模型。为了减小喷雾模拟的网格依赖性，对气液的速度差分采用Nordin模型

平均的插值方法。

［11］

流量、亚网格黏性功、亚网格压力应变耦合项、亚网格

sgssgs

组分扩散流率和扩散量，其中Π和θj，m在封闭方程8］、9］。中忽略不计，其余4项的封闭参看文献［文献［Fsi为喷雾产生的单元体积动量的增加；ρs为喷雾产生的源项；Q和Q分别为燃烧及喷雾产生的能量源项；Ym为组分m的质量分数；Dm为组分扩散系数。在研究中化学源项未考虑，燃油喷射产生的源项采用KIVA中的原始模型。

ij是过滤得到的大尺度涡团产生的应力张量，即

1

ij=－ij+2Sij－Sδ

3kkij

·c

·s

·

，采用距离加权

80为考察不同压力的影响，分别采用50MPa、

MPa和120MPa进行了计算和比较。网格的大小为0.5mm，共有272000单元。最小时间步长为0.01μs，最大时间步长为1.0μs。喷射颗粒总数为10000个，模拟喷射时间为1.0ms，初始粒径为0.1mm，

喷雾

()

式中：υ为分子黏性；Sij为大尺度应变率张量。

j为过滤后的热流，即

N

YmT

j=－K－hmDm

xjxjm=1

液滴的运动方程为

锥角为12°。

3结果分析

较有规律地分布在空间中，而大涡模拟得出的燃油喷雾呈现出一种不稳定的喷射行为。无论是液相还是蒸气都表现出非对称性的结构。从气相温度分布来看，中心轴线上的温度最低，越靠近边界温度越高。液滴的温度也表现了相同的趋势，喷雾外围处液滴的温度最高

。

图2为分别采用LES和RANS方法，压力为80MPa下燃油喷雾蒸发的模拟结果，在RANS模型中，高压喷雾所得到的喷雾结构呈现出轴对称形状，液滴比

a）LES

模型

b）RANS模型

图2

Fig.2

燃油雾化的气相和液相分布

Distributionsofliguidandvapourinthefuelevaporatingspray

3.1

不同压力和模型对喷雾贯穿度的影响

在燃油蒸发模拟中，液相和气相贯穿度都随着喷加。同时与3种压力下喷雾雾化的试验进行了对比，

采用大涡模拟，无论是液相还是气相贯穿度计算结果都基本与试验相符合。

图3b显示的是喷射压力为80MPa下，用RANS湍流模型计算的燃油雾化的喷射距离随时间的变化

，

射压力的升高而增加，见图3a。这是由于喷射压力的增大，在定容器中的压力和密度不变，喷射速度随之增加。在相同的喷射时间内使之喷射的液相的长度增

·244·内燃机学报第28卷第3期

RANS计算的气相贯穿距要明显小于实相比较LES，

际的喷雾贯穿距，而液相贯穿距则与试验比较吻合。3.2

蒸发对喷雾演化过程的影响

8］考虑了蒸发对喷雾过程的影响是本文与文献［的主要区别之一，图4是喷射结束时刻蒸发模型对液相喷雾的影响。有无蒸发模型所计算的液滴分布有着明显的不同，带有蒸发模型的喷雾由于燃料在喷雾过程中大部分已经蒸发，故液相分布的轮廓范围远远小

在发动机中喷雾过程模拟研于无蒸发的情况。可见，

究中，建立可靠而实用的蒸发模型是十分必要的。

3.3轴向速度和燃料组分等值面分布

LES和RANS计图5显示喷射压力为80MPa下，

算的燃油喷雾的轴向速度分布，两种湍流模型呈现极其明显的区别。使用LES湍流模型可以得到喷雾的

LES所模拟的喷雾呈现很强的三维非对称微细结构，

形态，而RANS所得到是一种对称的近似于二维的轴

对称结构

。

图6是燃油蒸气浓度的三维等值面分布。LES所模拟的喷雾呈现很强的三维非对称形态，在空间形成很多涡结构，由于这些涡的作用使蒸气等值面在空间的分布呈现凹凸分明的三维结构；RANS模型下则得到表面比较光滑的近似轴对称结构

。

图6在燃料质量分数为0.1时燃油蒸气的等值面分布Fig.6

Isosurfaceoffuelevaporationatfuel

massfractionof0.1

3.4

喷射压力对喷雾气相速度场的影响

图7是轴向剖面内燃油喷雾场气相速度向量分

布，由于模拟的条件是燃料液体从顶部垂直喷射的，在其它条件不变时，压力的不同直接影响轴向的速度。喷射压力越大，喷射速度的最大值也越大（压力为120MPa、80MPa和50MPa下最大速度分别为352.9m/s、284.9m/s和205.1m/s），速度向量值也普遍越大。随着压力的增加，对整个速度向量场的影响也越大。

图4Fig.4

蒸发模型对液相喷雾的影响andwithout

evaporation

Evolutionofliquiddistributionwith

在喷雾外围气液界面处，出现大量随机分布的尺度不等的涡团，在此高湍流度区域中液滴的分布更加分散。3种压力下都有明显的不同尺度的涡结构，同时，呈现一种非常不规则的非对称性形态。3.5

湍流动能的变化

图8显示燃油喷雾在不同压力下的湍动能的变

化，湍动能代表着气相燃油中湍流的大小。从图中可以看出，湍能的大小直接受喷射压力影响。随喷射压力的增大，气相的速度也在增加，从而增加了轴向湍动能。120MPa喷射压力下的湍动能要明显大于其它两个压力下湍动能的值。

3.6喷射压力对液滴平均直径的影响

图5

Fig.5

两种模型计算的轴向速度的分布withtwoturbulencemodels

图9是3种压力下已喷射液滴索特直径（SMD）随着时间的变化。从图中可以看出，液体燃料一经喷出，液滴平均直径立即迅速减小，在0.1ms前，液滴的直径处在急剧减小中，表明喷射瞬间发生了急速的雾化；

Velocitydistributioninaxialsectioncomputed

图73种喷射压力下轴向平面气相速度向量分布Fig.7Gasphasevelocityvectorsintheaxial

section

图8Fig.8

喷射压力对气相湍动能场的影响Influenceofinjectionpressureongasphaseturbulentkineticenergy

随着喷射压力的增加，液滴索特直径逐渐减小，同时也加剧燃料的蒸发雾化。3.7

燃油浓度分布

图10显示的是不同压力下，喷射燃油的总质量、

容器内液体的质量和已蒸发质量随时间变化的规律。随着喷射时间的增长，燃烧弹中的燃油质量在不断地增加。在喷射初始时刻，由于燃料尚未蒸发，

喷射的总

·246·内燃机学报

（6）：525-231.

第28卷第3期

质量即为液体的质量。随着时间的增加，由于环境气体和液体的热传递，使液体燃料达到它的蒸发温度。大约在0.2ms，燃料开始蒸发；随着时间的增加，更多的燃料被蒸发。

从图10中还可以看出，在3种压力下，蒸气质量在不断地增加，而液体的质量先增加后逐渐趋于平缓，这说明在一定时刻之后蒸发速率和喷射速率达到动态平衡，达到这一动态平衡的时刻随着喷射压力的增加随着喷射时间的增加，燃油蒸气的平均而缩短。此外，浓度也增加。

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4结

（1）

论

相比较RANS湍流模型，采用大涡模拟，可

以预测喷雾场中不同尺度的湍流涡团的细微结构，即无论液相还是气相燃油分使在轴对称的喷射条件下，

布都呈现为带有随机性的非对称三维复杂形态。大涡模拟计算得到的喷雾贯穿度与试验比

较相符。提高喷射压力，可以提高液相贯穿度，同时也增大了气相湍动能。

（3）提高喷射压力的主要目的就是改善雾化，提高雾化质量。随着压力增加，液滴的平均索特直径同时压力的提高明显地增强了燃油的蒸发速率。减小，

大涡模拟方法可以捕捉到喷雾场中湍流涡团的随机性的三维复杂结构。柴油机燃油高压喷射过程在缸内复杂湍流流场的基础上，又耦合了液滴的高速运动和随机脉动，这种气液两相之间的随机相互作用对燃油的雾化、蒸发及混合过程都有强烈影响。而RANS模型和传统的雾化蒸发模型都不能准确反映和模拟这些效应。参考文献：

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（2）

（4）

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本文来源：https://www.bwwdw.com/article/6ub4.html