喷油器喷油嘴偶件空化穴蚀仿真分析.pdf

第3 期(总第191期)2023年8 月现代车用动力MODERNVEHICLEPOWERNo.3(serial No.191)Aug.2023doi:10.3969/j.issn.1671-5446.2023.03.007喷油器喷油嘴偶件空化穴蚀仿真分析邱龙彬,李永奎,张伟,王亚会,王新刚,黄荆荣（重油高科电控燃油喷射系统（重庆)有限公司,重庆40 112 1)摘要：通过数值模拟方法，基于流体体积函数（VOF）多相流模型对某型柴油机喷油器喷油嘴偶件（以下简称喷油嘴）的空化穴蚀进行仿真，得到了喷油嘴产生空化穴蚀的关键区域，以及影响空化穴蚀的关键结构，仿真空化区域与可靠性试验结果基本一致。通过减小喷油嘴密封角度、增大喷油嘴压力室圆角半径、减小喷孔锥角，使得密封面处空化现象得到改善，喷孔处空化强度及空化区域明显减小。关键词：喷油器；喷油嘴偶件；空化穴蚀；计算流体力学中图分类号：U464.136Simulation Analysis of Cavitation and Erosion of Fuel Injector NozzleQIU Longbin,LI Yongkui,ZHANG Wei,WANG Yahui,WANG Xingang,HUANG Jingrong(Chongyou Hi-Tech Electronic Fuel Injection System(Chongqing)Co.,Ltd.,Chongqing 401121,China)Abstract:Through numerical simulation,based on the VOF multiphase flow model,the cavitation and erosion characteristics of fuelinjector nozzle for a certain type of diesel engine were simulated.The key area where cavitation and erosion occurred in the nozzle andthe key structure that affected cavitation and erosion was investigated.The cavitation simulation result was basically consistent with theresult in the reliability test.By reducing the sealing angle of the nozzle,increasing the radius of the nozzle pressure chamber,and re-ducing the cone angle of spray holes,the cavitation phenomenon at the sealing surface is improved,and the cavitation intensity andcavitation area at the nozzle are significantly reduced.Key words:injector;nozzle;cavitation and erosion;computational fluid dynamics文献标志码：A文章编号:16 7 1-5446(2 0 2 3)0 3-0 0 3 2-0 6引言喷油器作为柴油机燃油喷射系统的重要组成部分,对柴油机喷射雾化及燃烧起着重要作用 。喷油器内部流动及空化可以强化射流雾化，但空泡溃灭又会对喷油嘴造成穴蚀破坏。因此研究喷油嘴内部空化穴蚀一直是工程和学术界热点。目前对喷油器空化穴蚀研究主要集中在空化可视化试验和内流场数值模拟。Kambara等 2 通过透明可视化喷油嘴观测了其内部空化产生及空化形式转化的过程。夏少华等 3 4 将试验数据作为边界条件，通过仿真分析了密封球阀座面和喷油嘴的空化形成现象。张俊红等 5 结合柴油机喷油嘴内部流动和喷雾数值计算模型,基于支持向量机构建性能代理模型,研究了喷油嘴结构参数对内部流动和空化现象及喷雾特性的影响。李子铭等 6 研究了不同湍流和空化模型组合对空化仿真的影响。1空化穴蚀CFD数值模拟方法与理论空化现象常常发生在高压工况运行的流体机械中，受压力影响部分流体发生相变,流体的动态行为变化是一种较为复杂的现象。目前比较主流的解释是流体内部可能含有杂质或者微小气核，流体流经变化的截面时会导致流速的改变，根据伯努利原理，变化的流速将改变局部流体静压，若压力低于该空化泡的饱和蒸汽压,空化泡将在原有气核的基础上生长并迅速扩大，即产生空化现象。*收稿日期：2 0 2 3-0 7-2 0作者简介：邱龙彬（196 2 一），男，重庆人，高级工程师，主要从事发动机燃油系统开发工作。2023年第3 期穴蚀是由于低压区产生的空化泡运动至高压区时，空化泡在高压作用下内部气体再度液化,从而造成空泡溃灭。在空泡溃灭的极短时间内会对周围的流体产生影响,尤其是壁面附近瞬时溃灭的气泡，会产生冲击壁面的微射流和因周围流体波动产生的冲击波,将会对壁面材料造成冲击损伤，目前主流学者认为穴蚀是由空化泡溃灭时伴随的“微射流”和“冲击波”对壁面产生的压力冲击所导致。流体数值求解软件运用计算流体力学(CFD)原理对特定情况下流体力学三大方程进行仿真求解，计算出特定状态下的一系列符合精度的近似解，例如温度、压强和流强度等，如果流体为流流动，则在流体三大方程基础上增加流方程。由于空化现象的存在,采用基于VOF方法的多相流模型进行非定常两相流模拟，连续性方程和动量方程表达式为：atotNapig+ZMu+Zofu1-11￥k-1.1手k式中：为某相的体积分数,必须满足所有相的体积分数总和为1,即Z=1=1;P为密度;t为时间；U为流体速度;Tu,Mu为发生在气-液两相交界面处的质量和动量交换;Ph为流体压强；Th，T 为剪切应力和雷诺应力；g为重力常数。2喷油嘴空化仿真模型建立本研究中采用STAR-CCM+软件对喷油嘴内部燃油流动进行数值计算。由于空化现象的存在，喷油嘴处的流动属于多相流,本文中采用基于VOF多项流模型进行非定常两相流模拟,采用k-8模型进行喷油嘴内部燃油瑞流建模。鉴于空化在燃油射流破碎和雾化中的重要作用，对其进行精确建模是研究针阀内部流动的关键。本研究中的空化模型选择Schnerr-Sauer模型,该模型基于式(3)求解气-液两相界面处的质量交换量。Pap,(3/)(4m/N)/R/p.+pdAp0;T,=-Ia=31Pap。(3)(4mN)/R/C,p.+apdAp0(3)邱龙彬，等：喷油器喷油嘴偶件空化穴蚀仿真分析N(2)33式中：下标c,d分别表示液相和气相；T。表示由液相转变为气相过程中的质量交换；a则表示。的反过程，即由气相转变为液相时的质量交换;P。，P d分别为液相和气相的密度;，a分别为液相和气相的体积分数;N为气泡数密度;R为气泡半径；R为气泡半径对时间的一阶导数；C。，C,分别为空化增强因子和凝结削减因子；p为液体压力与饱和蒸汽压的差值。2.1喷油嘴几何结构前处理及网格划分根据仿真分析需要，对模型进行适当处理，删除不需要的几何结构，抽取针阀体内部流体域空间,并划分网格,如图1 图4所示。表面网格基础尺寸为1 mm,最小面网格尺寸为0.0 1mm,对局部小间隙区域进行体控制加密，流体域核心网格选择多面体网格；边界层设为5层，增长率为1.2，边界层总厚图1喷油嘴简化模型背景区域一重叠区域图2 重叠网格模型图3 初始时间步重叠网格模型图4求解时间步重叠网格模型34度为0.0 5mm,交接面设置为零间隙重叠网格进行瞬态分析。2.2边界条件设置根据实际工作情况，选择校泵油作为流体介质，流体属性如表1所示。进口压力设置为2 2 0 MPa，出口压力设置为2 0 MPa,油温为40；选择分离流求解器和k-8流模型。壁面设置为绝热边界条件,将一维系统模型Amesim求解得到的针阀位移数据导入STAR-CCM+作为运动边界条件，进行瞬态求解，时间步设置为50 s，内部送代步设置为200,最大物理时间为40 0 s;根据残差曲线判断求解是否收敛。表1流体属性密度/(kgm-3)动力黏度/(Pas)814.80.002 4传热系数/（Wm-2.K-）饱和蒸汽压（40）)/kPa0.1493喷油嘴空化仿真结果通过仿真得到初始模型空化泡体积分数空间分布云图,如图5所示,升程较小时,由于喷油嘴密封锥角较大,流体通过狭窄间隙时发生剥离。动能是由流体不规则运动产生的能量，表征着流体稳定性，湍动能增大,对应流体速度和压力梯度发生变化越强烈，导致密封锥角和压力室转角处产生空化现象。当升程逐渐增大，密封面处的燃油流动得到充分发展,压力梯度减小，空化消失，与此同时喷油嘴喷孔圆角处流速增加，产生流体剥离，湍动能增大，产生空化现象，并沿着喷孔上壁面向下游延伸，如图6所示。如图7 所示,将初始模型仿真结果与可靠性试验进行对比发现，仿真空化区域与可靠性试验后发生空化穴蚀的位置基本一致，小升程空化集中发生在密封锥面圆角处和喷孔之间,大升程时主要发生在喷孔上表面,验证了仿真模型的正确性。a 50 s现代车用动力比热容/(Jkg-1.K-1)2.090瑞流普朗特数69.20.9体积分数0.6760.3380.0002023年第3 期体积分数0.8940.4470.000b 100 s体积分数0.8030.4010.000c150s体积分数0.8670.4330.000d 200 s体积分数0.7790.3900.000e250 s体积分数0.7420.3710.000f 300 s体积分数0.6970.3490.000g.350 s2023年第3 期邱龙彬，等：喷油器喷油嘴偶件空化穴蚀仿真分析35体积分数0.6500.3250.000h400 s图5初始模型不同时间步空化云图体积分数0.6760.3380.000a体积分数速度/ms)8024010b速度幅值瑞动能/g:kg)1.52e+047.50e+035.55e-07c端动能图6 空化体积分数、速度幅值和瑞动能体积分数0.7480.3740.000a 50 s体积分数0.6950.3470.000b 400 s图7 仿真空化区域与试验图对比4喷油嘴优化结构空化仿真分析对喷油嘴原始结构的空化进行分析可知,空化产生的区域对应流体动能较大的位置，湍动能的大小又与流体运动稳定性密切相关，而较大的喷油嘴密封锥角会导致流体通过狭缝时产生剥离，导致速度梯度增大，产生涡流运动，流体运动变得不稳定。同时，喷油嘴压力室圆角半径和喷孔锥角等也会影响流体通过时的剥离,因此,在对原始结构进行优化时，选择喷油嘴密封锥角、压力室圆角半径、喷孔锥角作为优化参数，如表2 和图8 所示。对比分析优化前后仿真结果，如图9所示。表2 优化参数选取优化参数密封锥角（）压力室圆角半径/mm优化前30优化后28密封锥角，压力室圆角半径图：喷油嘴优化参数通过优化，针阀在小升程阶段空化分布区域小于原始结构,且喷孔处出现空化的时间相较原始结构推迟；在大升程阶段，优化后的空化强度相较于优喷孔锥角/（）265555喷孔锥角体积分数0.6760.3380.000体积分数0.6800.3400.000a 50 m36现代车用动力2023年第3 期体积分数0.8940.4470.000体积分数0.8850.4420.000b 100 m体积分数0.8030.4010.000体积分数0.8970.4480.000c150 m体积分数0.8670.4330.000体积分数0.8040.4020.000d 200 m体积分数0.7790.3900.000体积分数0.7200.3600.000e250m体积分数0.7420.3710.000体积分数0.6700.3350.000f 300 m体积分数0.6970.3490.000体积分数0.4590.2290.000g 350 m2023年第3 期邱龙彬，等：喷油器喷油嘴偶件空化穴蚀仿真分析37体积分数0.6500.3250.000h 400 m图9优化前后不同时间步空化云图对比化前明显减小,且在针阀稳定工作的最大升程阶段，参考文献：空化区域和空化强度均明显减小，达到了空化优化目的。5结束语本文利用数值模拟和可靠性试验相结合的方法对某型柴油机喷油器喷油嘴空化现象进行了仿真对比，得到如下结论：a.针阀向上抬起过程中，空化现象最先出现在针阀小间隙密封锥面以及喷油嘴压力室转角处；随着针阀继续抬起到最大升程，密封间隙处空化逐渐消失，同时空化区域出现在喷油嘴喷孔上表面向下游延伸区域。b.喷油嘴密封锥角、压力室圆角半径、喷孔锥角对喷油嘴空化产生影响较大，减小喷油嘴密封锥角和喷孔锥角以及增大喷油嘴压力室圆角半径在小升程阶段可以减小空化产生的区域,在大升程阶段可以同时减小空化区域和强度，提高喷油嘴可靠性。体积分数0.4.730.2370.0001 LIU W,KANG Y,CHANG W,et al.Cavitating flow withinan injector-like geometry and the subsequent spray C.SAE Technical Paper,2019-01-0284.2 KAMBARA M,AOCHI T,ARIKAWA F,et al.Prediction ofcavitation erosion intensity using large-scale diesel nozzlesJ.SAE Int.J.Advances&Curr.Prac.in Mobility,2020,2(1):434-445.3夏少华,郑金保,缪雪龙，等.电磁喷油器球阀流动分析J.内燃机学报,2 0 12,3 0（4）：3 54-3 58.4郑金保,缪雪龙,洪建海，等.共轨和直列泵管嘴系统喷油嘴压力室流动分析 J.内燃机学报，2 0 11,2 9（1）：6 1-66.5张俊红,李晨阳,裴国斌，等.喷油嘴内流特性与喷雾特性研究及结构优化 J.内燃机工程，2 0 2 2,43（2）：41-48.6李子铭,刘振明,刘景斌，等.微通道内燃油空化现象的模型对比研究J/OL.兵工学报,2 0 2 2：1-10 2 0 2 2 08-04 .https:/ 页）国防工业出版社，198 5.4蒋德明.内燃机的涡轮增压M.北京：机械工业出版社,198 6.5周龙保.内燃机学M.北京：机械工业出版社,2 0 0 0.6 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