共轨喷油器喷油嘴内空化流动特性数值模拟研究

摘要

随着人们对柴油机动力和排放性能要求的不断提高，柴油机电控燃油喷射系统压力水平不断上升，柴油高压喷油嘴中的空化现象受到了广泛关注，且已有实验证明柴油机高压喷油嘴内在喷油持续期中存在显著的压力波动，喷油嘴内空化现象和压力波动的存在会显著影响燃油的喷雾和蒸发，以致对柴油机的燃烧和排放产生重大影响。因此应对柴油机高压喷油嘴中伴有空化现象的内部流动特性以及压力波动引起的不稳定空化问题做深入研究。
　　本文首先结合单气泡动力学方程(Rayleigh-Plesset)建立了柴油机高压喷油嘴内流动的混合多相流空化模型，对数值计算模型中的重要参数初始气泡数密度和临界空化压力做了详细分析并给出了其确定依据，使用国外学者己发表的空化流动实验数据对所建立的数值模型做了验证，结果表明本文所建立的数值计算模型可以较准确的预测柴油高压喷油嘴中的空化流动特性。
　　在此基础上，考虑喷孔内部的空化现象，利用上述模型系统研究了喷油嘴喷射压差、喷孔入口圆角半径与孔径之比(r/D)、喷孔K系数、喷孔长径比(L/D)、喷孔内壁粗糙度与孔径之比(Ks/D)对喷油嘴内流动特性的影响，总结了各参数的影响规律并给出了最优值的选取范围。
　　其次本文使用准稳态的方法对喷油嘴内存在空化现象的瞬态流动特性做了数值模拟研究，得到了喷油嘴内瞬态流动过程中压力场和速度场的瞬态演变过程和喷油嘴内空化现象的产生和发展规律，以及相应的喷孔出流特性。
　　最后针对高压喷油嘴内燃油喷射持续期存在的压力波动和不稳定空化现象，分析了其产生的原因，讨论了压力波动的频率和幅度范围。在简单压力波动条件下研究了波动频率和幅度对喷孔出流特性和喷油嘴内不稳定空化过程的影响，总结了其影响规律及原因，并使用喷油嘴针阀腔内实测压力波动研究分析了在真实压力波动条件下的喷油嘴内流特性和不稳定空化过程。研究表明喷油嘴内燃油喷射持续期内存在的压力波动形成了喷孔内的不稳定空化过程，导致了喷孔出口截面上燃油流速、湍流动能及质量流量的不稳定，不稳定的喷孔出口截面流动参数必然会形成不稳定的燃油喷雾和蒸发，这会对柴油机的燃烧和排放产生显著影响。