喷嘴内云空化及其对近场喷雾影响的大涡模拟和试验研究

摘要

新一代内燃机在高压喷射小喷孔直径条件下，喷嘴内部所存在的空化流动现象对随后的喷雾混合、燃烧，乃至排放性能都有重要的影响，特别是空化流动过程中所呈现的不同形态（如片空化、云空化、漩涡空化等）及其发展对燃油喷射过程的精细控制将有直接影响，进而影响到内燃机发展到今天性能的进一步提升。其中的云空化现象伴随着脱落所诱发的流场脉动与湍流之间存在复杂相互作用，并对近场喷雾有很大的影响，而对其在喷嘴内部的细致研究尚未开展。
　　本文针对内燃机喷油器喷嘴孔中可能出现的这种云空化及其脱落现象，搭建燃油喷射循环流动试验台，设计透明方孔截面喷嘴开展PIV及高速成像可视化实验，重点采用LES（Large Eddy Simulation）数值模拟方法来研究喷嘴内云空化流动瞬态发展特性及其对近场喷雾的影响特性。
　　对该喷嘴准周期性云空化脱落和回射流现象的研究结果表明，流体在喷嘴入口锐边拐角处产生流动分离，在该回流区产生空化，随后流体的再附着和空化泡的溃灭相结合产生回射流，使片空化脱落形成云空化。此外，云空化的脱落同时伴随着涡脱落，通过试验过程中喷孔内空化长度震荡的图片处理，得出云空化脱落的频率为2600Hz，且随着压力上升，云空化大规模脱落的频率会下降。
　　LES大涡模拟得出了与试验基本一致的云空化脱落频率，而对云空化瞬态脱落过程模拟结果和试验结果的一致性再次验证了数值模拟方法和模型的可靠性。LES大涡模拟很好地预测了喷嘴内空化初生、回射流和云空化脱落现象，揭示了云空化脱落机理，空化强化湍流机理及空化自身脱落所引起的喷孔内速度及压力的波动特性。随后，基于上述的LES数值计算模型，针对内燃机实际喷嘴开展了喷射初期和稳定情况下内流耦合近场的喷雾破碎雾化过程三维数值模拟。模拟结果给出了喷嘴压力室带残余气泡时的整个燃油喷射过程，对比研究发现，相比于不带残余气泡的燃油喷射过程，压力室中的残余气泡使得在喷射初期形成双“蘑菇”结构的油束尖端。结合喷嘴内空化流动的分析，在核实了近喷嘴区存在完整未扰射流液柱，且其随着喷射压力上升而长度缩短的结论基础上，进一步揭示了射流表面波的形成和液丝的形成机理。模拟结果也清楚呈现了空气倒吸进入喷嘴的现象，为实际发动机喷嘴内可能会产生水力柱塞流现象提供了依据。