基于Fluent喷嘴的流场数值模拟分析与结构改进

摘要

喷嘴作为内燃机喷射系统的最终执行部件，对燃油的雾化质量有着关键性的作用，并最终直接影响到内燃机的经济性、动力性和排放特征，因此，深入研究分析喷雾的影响因素是大势所趋。本文运用传统流体分析软件Fluent对喷嘴的流场进行了全面的数值模拟分析，并取得了一定的成果。前人的研究表明了空气湍流、湍流内部扰动和喷孔内空穴现象是燃油油液破碎雾化的三大主因，其中，喷孔空穴的影响占据着最重要的地位。
　　 本文就是在这种思想的指导下，加入了两相流模型和空穴模型，运用欧拉-欧拉法，对喷孔内的空穴现象进行了不同喷射参数和结构参数的多方位模拟。喷射参数主要包括了喷射压力、背压、不同压差和不同空穴数CN。对几何参数的模拟主要研究了不同喷孔K系数对流场内部的影响。模拟结果表明，空穴数CN对空穴程度的强弱有决定性作用，即空穴数越大，空穴现象越明显，当然空穴数也有一定的上限，越过上限就对空穴影响很小。进而，能增大空穴数的因素都有利于喷雾的质量，这里包括增大喷射压力、减小背压和增大喷嘴进出口压差等等。
　　 喷雾方面的模拟运用了欧拉-拉格朗日法对喷嘴射流进行研究。结果表明，喷雾的质量与射流的入口速度有很大的关系，入口速度大，喷雾的锥角和贯穿距也越大，当然，入口速度也是有一定的上限。
　　 最后，对等径喷孔喷嘴进行了结构的优化改进，目的主要是消除压力室内漩涡对流场的平顺性和流量造成的影响。通过对比流场四个关键位置的压力、速度和湍动能以及壁面上的剪切力，得到改进后的的喷嘴比原有喷嘴具有更大的出口流量、更小的能量耗散、更好的喷雾质量和更长的使用寿命。
　　 本文所做的喷嘴模拟结果在不同喷射参数和结构参数下流场变化的结论方面积累了一些经验，对喷嘴的设计和其他一些产生空穴现象的领域提供了一定的指导价值。