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柴油高压喷雾动量流量的实验测量与数值模拟

摘要

在本文中，详细的对柴油高压喷雾过程进行了数值模拟和实验的研究。分析主要集中在越来越多的被用于依据气穴现象强度来描述喷嘴流的特性和在同一的喷嘴不同射流表现出的射流的均匀性的动量流量的测量。在本文中，喷雾动量流量测量方法的潜在关键方面是基于在平面靶上的冲击力的研究与在一个宽泛的操作条件即喷射压力，喷油脉宽及背压下三维CFD模拟结果和试验数据的比较。现有的实验数据，有关的商业喷油器，包括在动量通量测量和自由喷雾演化过程中喷雾动量通量的时程和稳定值，喷射率和喷射影像。总体来说，动量通量的实验结果及数值模拟结果有较好的吻合；此外，计算流体动力学还可以计算在测量点远离喷嘴的距离增加时快速成为主要影响因素的气相测量。所获得的结果也表明测量系统的一些细节可以显著影响喷雾动量检测精度。因此，喷射冲击力的详细数值分析被发展用于计算目标侵入性，指出无关紧要的动量通量对比目标存在的模拟计算域对自由射流进化。实用策略定义靶直径和喷嘴与靶平面之间距离的最佳组合，每组的操作条件，作为折中之间的极端配置对相关参数进行了探讨。

概述

在柴油机中，为了实现一个高效的燃烧过程中，和适度的排放量，优化的喷射过程中的燃料喷射率和喷雾特性是至关重要的。事实上，喷雾的雾化，喷雾渗透，喷雾锥角和燃油与空气相互作用对燃油与空气的混合雾化有着根本性的影响，因此也影响着燃烧和污染物的形成过程。据文献报道，喷雾的演变很大程度上取决于其动量通量，主要是燃料与空气夹带和混合潜力。因此，喷雾动量的时程和空间分布理论知识可能会导致一个显着的贡献在全部的混合过程中。喷雾的整体动量通量测量也可以在分析其他关键点的喷射过程中被支持，如空穴内的喷嘴孔通道，这显着影响的流量和雾化过程。详细地说，在燃料注入过程中的燃料质量喷射率和燃料动量通量允许在某些假设下，对喷油器喷孔的出口处的流速和流动部分进行等效处理。喷雾动量通量测量是通过冲击力的喷雾到一个垂直于喷雾主轴线平面的表面（命名为目标）：在稳定流动条件下，假设喷雾是一个间接的方法偏离目标的方向，在轴向方向上的零剩余速度分量，所测量的轴向力的目标是相当于在流动动量的变化，即等于沿其主轴的喷雾动量通量。如果目标是足够大的与整个喷雾进行相互作用，全部的动量通量被测量，否则，通过使用一个较小的目标定位在不同的位置，它是可能的，以建立喷雾动量分布图。在文献中有的报道，通过分析喷雾动量通量的时间的历史，也可以演绎出喷雾局部雾化程度的有趣的信息。鉴于喷雾动量通量的相关性，重要的是要分析的测量程序的细节（主要目标的大小和位置，以及适当的时间窗口中考虑的分析），这些因素对结果可能产生一些影响。在这方面，定义有用的标准，以确定目标的大小和喷嘴与目标距离，是这项工作的主要目标。很显然，这项活动产生的指导方针是基于不可避免的妥协，从所涉及的现象的复杂性，并从非常不同的可能的操作条件的测量和模拟（如喷射压力，空气密度，流体的类型，喷嘴的几何形状等）。这项工作是一个研究活动的一部分，在过去几年中进行了处理喷射系统和喷雾分析。在本文中，对喷雾整体动量通量进行了测量。通过研究喷雾冲击力、时间历程和喷射压力、喷射压力、喷嘴距离靶平面的距离大小作为主要分析参数，对高压条件下的喷雾对靶平面的冲击过程进行了实验研究和数值模拟研究。为了更好地了解喷雾动量演化过程，数值分析了液体和气体相对测量力的相对贡献。将在下面的章节进行详细的分析，下面的喷雾演化，一个逐步占主导地位的贡献的气体相的整体喷雾动量。目前的工作分为以下几部分：在背景部分，一个报道的实验装置的简要说明，而在下一节中的三维计算流体力学模拟数值设置的描述；最后，主要实验结果报告和数据分析的基础上结合实验和数值模拟结果。

2.基于动量流量守恒理论

图1所示的实验装置示意图喷射动量通量可以以一种间接方式，即通过评估的影响力量来评估。在定容室中布置一个平面，并且这个平面与喷雾轴线正交。在实验过程中，喷雾的力的体现是通过一个力传感器，通常是压电式力传感器，在一个适当的动态范围内能体现里的变化过程。图1测量动量通量装置的简图。

冲击力

控制容积

V_c

图1. 喷雾动量通量测量装置简图

考虑到液体被控制在定容室内，被定容室的表面所约束（如图一中黄色的虚线），喷雾和靶平面之间的相互作用取决于以下的方程：

(1)

其中是喷雾速度矢量，是流体作用在定容室边界表面上的力（如法向力和剪应力）和流体的体积力（如质量力）。

如图1所示，定容室被定义为一个高度等于喷嘴到靶平面的距离、直径等于靶平面直径并且基准在靶平面上。显然，两相流体包含液相燃料和气相（由空气和燃料气相）。方程1在沿喷雾轴线（Z轴）方向投影得到以下方程：

(2)

在稳态条件下，如在传统的喷雾动量测量装置，并与进一步的假设的正交偏差和可以忽略不计或正交的空气夹带（即流体离开或进入控制量与空轴向速度分量），测得的冲击力，可以假定为等于注入动量通量在孔，即

事实上，在稳定条件下利用的喷嘴的水力特性来测量动量通量是一种常见的应用。液体与蒸气混合物，其特征是由一个质量流量和动量通量的喷嘴孔。假设

液体部分离开喷孔的时候有一个统一的速度

液体占据有效喷嘴出口面积的部分是几何喷孔出口截面部分

蒸汽质量流量和动量流量是可以会略的

质量流率和动量通量的表达式可以简化为：

(3)

因此,有效的流动输送速度和有效流动部分截面积可以被评估为：

(4)

从方程式1和2，减少速度和流量部分减少的定义部分降低Cs系数如下：

(5)

同时,喷嘴流量系数由表示，因此，喷嘴的稳定特性需要质量流率和喷射动量通量测量。

然而,稳定流条件通常是通过很长的喷射储蓄时间，如激励持续时间约为5毫秒。如果情况并非如此,在几乎所有的实际发动机喷射条件下,假设没有第一项(不稳定项)和第三项(对流项)在方程2是任意的,因此,实际流速和有效流动部分在稳定流条件下是不同的。

本文的一个主要目标是分析方程2中的所有术语的意义。不同的动力平台配置为了评估瞬态注射动量通量测量的可行性。

此外，为了评估平板侵扰的一种方式，检测动量通量、基本自由射流和冲击射流例例比较出现强制性。

2.1 自由射流的动量平衡

方程（2）状态下动量守恒定律在瞬变工况流包含在一个控制体积Vc边界表面Sc包围。应用动量守恒定律，即在底部的平面只是一个虚拟的平面，得到下面的方程；

(6)

在这个方程只有假定体积力,像重力,可以忽略不计,剪切应力沿横向表面可以忽略不计,净压力喷嘴出口截面迅速消失,因为它快速符合环境压力。

从这个方案中，所得到的压力作用于控制面上的压力的力量必须等同于在不同的部分的控制表面的体积和动量通量的流体的动量时间导数的总和。

所有的贡献包含在前面的n - s方程的积分形式如下所示：

是作用在上下表面的的压力

分别表示动量变化的不稳定关系,连续的阶段(主要是空气)和分散相(液体);

是通过侧面的气相的动量势能

是通过上表面的动量通量(不含孔出口部分);

是动量通量通过降低表面的空气和液体的贡献

是喷射动量通量注入控制卷通过孔插座部分

2.2 冲击动量守恒

在这种结构中，底部表面是一个实际的板，因此不允许有动量通量穿越它。此外，通过横向表面的分散相通量可能出现的外部力的一个新的贡献，由于液滴物理影响。动量平衡的积分形式如下：

(7)

所有的项与之前有相同含义，除了两个新的项

力是由于液体滴到下面目标的影响

是通过z面的液相的动量通量

表1. 测试流体的特性

3.实验装置布置

通过实验数据来验证流体动力学模拟结果，专用测量靶平面受力分析的试验台建立在佩鲁贾大学的喷射系统实验室。一个成像系统也被用于调查自由喷雾进化(喷嘴渗透、锥角和全局形状)和喷雾对靶平面影响的现象,主要是为了验证实际的液相影响时间和目标的适当性的大小。

一个对称minisac型喷嘴博世cri1-mi 5孔喷油器，有0.13毫米的孔的直径和锥度系数1.3用于此测试活动。喷油器是由一个可编程驱动器和EFS ipod8232 Gruppo loccioni静态压力倍增驱动提供了产生多达2000条轨道。该喷油器被放置在与该腔室的垂直轴的中心相一致的喷雾轴的加压试验容器，该试验容器配备有三个圆形，100毫米直径的光学窗口，并设计为加压至8.5兆帕和450温度。用于本试验的试验燃料符合国际标准化组织4113；在表1中的测试流体的主要特点是报告：

成像系统是一个基于PCO sensicam 12位CCD摄像头，和一个solopiv Nd-YAG激光（脉宽10 ns）；激光束被引导通过一个环形光纤同轴以CCD获取的喷雾演化领域的均匀照明。喷雾图像是根据一个ensembleaverage方法获得：每个事件一个图像被捕获，被光脉冲和相机快门与注射事件同步。从注入的开始和图像采集的时间延迟，拍摄的图像在相同的喷雾演化阶段可以建立，这些集的数字图像分析，允许重建的平均喷雾发展的统计基础上。通常情况下，40个图像被认为是足够的表征在一个定义的时间延迟的喷雾全局形状。

动量工作台系统,9215压电式力传感器基李斯特公司(5011电荷放大器加上李斯特公司)是用于检测喷雾的影响强度，压电式力传感器的奇石9215is使用通过一个圆形目标检测喷雾冲击强度直接拧在传感器头上。笛卡儿硬件系统,由三个光学引导传感的步进电机(1/960毫米分辨率)，插入到加压测试船力传感器的定位。硬件系统能够运行容器压力水平的6 兆帕,旅游范围的plusmn;13毫米X和Y轴和Z轴上的50 mm(8毫米的最低Z喷嘴的距离(15、16))。四个不同直径的目标使用,7.5，10、15、20毫米。影响力时程是获得目标在四个不同的每一个喷射器喷嘴Z轴距离:10-15-20毫米

为了同步管理器驱动程序、图像采集设备和冲击力的系统，一个国家仪器基于硬件的系统设置（NI PCI 6221和USB 6009板）。一个专门的软件开发实验室的观点trade;镍环境控制整个系统，管理测试台硬件和之后的力信号的滤波和平均操作。

4.计算的结构及仿真

为了深入了解物理现象有关的非稳态喷雾–目标影响三维计算流体动力学方法。现象到模型是在静态的压力容器中一个喷雾演化的过程，和之后，在同一环境中的垂直壁（目标）的影响。

4.1 CFD模型的启动

模拟进行了通过CFD-3D软件AVL-FIRE。所有的模拟进行了主要采用以下模型:计算的方法湍流可压缩流使用标准的高雷诺数湍流动能模型k，计算方法SIMPLE(Semi-Implicit方法有关的压力方程),与一个完全隐式时间积分方案和时间步长值0.00000秒的准确性和执行速度之间的折中。液相的喷雾离散液滴法(DDM)[21]采用,根据物理滴喷雾分为包裹的相同,彼此毫无关系。每个计算空间的特点是平等的物理特性,统计描述实际喷雾行为;拉格朗日方法被用于跟踪包裹的轨迹。喷雾液滴的形状被认为球形和标准的阻力系数采用雷诺数的函数。这些假设允许连续之间的动量交换

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