破解喷油难题

作者:Junmei Shi,仿真团队负责人;Pablo Lopez Aguado,在读博士生,卢森堡Bascharage德尔福汽车系统公司

为改善内燃机排放和燃油经济性能,人们需要更好地了解喷油嘴分解液体燃料、并将雾化液滴喷入气缸的过程。德尔福工程师使用ANSYS计算流体动力学(CFD)软件设计喷油嘴的几何结构,旨在通过正确的喷射模式喷出液滴,以优化发动机的性能。

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fuel injector

“德尔福汽车系统的工程师使用ANSYS Fluent CFD来描述喷嘴流动力学和破碎过程的特征。”

 Delphi fuel injector

德尔福喷油嘴

 

清洁内燃机技术的进步要求控制和优化油-气混合、点火以及燃烧过程。工程师必须把每台发动机的具体喷射要求转化为详细的喷嘴设计。喷嘴研发面临的最大难题是确定初级破碎过程的基本物理原理以及喷嘴几何结构对该过程的影响。在理解破碎过程方面,物理试验存在诸多局限,因为没有途径能够有效地测量微小喷嘴内部的湍流和涡流结构。德尔福汽车系统的工程师使用ANSYS Fluent CFD大涡流仿真(LES)功能来描述喷嘴流动力学和破碎过程的特征。仿真预测的喷嘴流和测量喷射模式与试验结构良好匹配,让工程师初步认识到流体动力学对于优化喷油嘴设计十分有用。

传统的喷油嘴设计方法

喷油嘴将液体燃料分解为喷雾液滴的性能以及发动机气缸内部燃料-空气的混合性能,对于燃油经济性和排放有重大影响。在喷雾形成过程中会同时发生初级和次级破碎现象。初级破碎指液体射流发生变形并形成大系带的现象。接着在次级破碎过程中,系带会进一步破碎成液滴。初级破碎过程涉及高度复杂的多相、多尺度流体动力学现象,包括湍流和空化以及它们在喷嘴中的相互作用,加上喷嘴外部的空气动力学相互作用。燃料喷射工程领域的相关人员在这一问题上已经努力了50余年,但由于缺乏有效的试验和数值诊断工具而难以前行。包括相位衬度X射线成像(PCX)和X射线照相术在内的光学测量方法已被研发用于描述喷嘴内部空化的特征,但目前仍缺乏测量喷嘴内部场湍流的有效途径。

uel injection nozzle flow path diagram

喷嘴流路径

 

此外,研究人员已经使用仿真来了解破碎过程。研究人员成功将水平集界面跟踪技术与CFD结合使用,以求解液滴形成过程中的液体- 气体界面。但这一方法需要直接数值仿真(DNS),即用数值求解Navier–Stokes方程,不使用湍流模型来处理空化流。由于目前尚未实现其所需的计算机功能,DNS仍然不太可行。流体体积(VOF)法可用于替代水平集技术,它能跟踪每个单元的体积分数而非界面本身。流体体积法对喷嘴内部流动分析有效,但在用于预测射流破碎和液滴形成时精度较差。

因为测量和仿真方法具有局限性,喷油器设计仍然在很大程度上依赖几何结构的参数化优化,以及构建-测试法。这个过程效率低下,而且会因为许多几何参数间的相互作用和测量系统的不准确性而受到影响。

nozzle simulation vs. measurement

在高低针阀升程条件下,圆孔喷嘴的喷雾仿真情况与测量情况良好匹配,为研究人员进行内部喷嘴流仿真树立了信心。

 

LES支持喷嘴内部流动的CFD仿真

德尔福正在与韦恩州立大学以及阿贡国家实验室合作,希望能够在破碎过程中详细描述靠近喷嘴喷雾的液体-气体界面结构的特征。同时德尔福也在使用ANSYS Fluent LES湍流建模方案、流体体积法以及耦合的流体体积—水平集技术,在初级破碎过程中同时求解喷嘴中的多尺度涡流动力学以及靠近喷嘴喷雾的液体-气体界面。在LES中,对大涡流直接求解,对小涡流采用建模方法。与DNS相比,只求解大涡流有助于在LES中使用较粗疏的网格和较大的时步。德尔福使用这种方法仿真圆形和锐利边缘孔式喷嘴以及其高性能(HP)雾化孔式喷嘴,后者使用极高的孔锥度来增大喷嘴的液力学效率和喷雾动量比。

对喷嘴内部流开展LES仿真,能帮助工程师理解不同喷嘴几何结构如何产生大相径庭的结果,正如图中所示。

将喷嘴设计迁移到仿真

在每一种情况下,工程师发现预测的喷射模式和测量得到的喷射模式良好匹配,这为喷嘴内部流型的准确性提供了高水平的置信度。研究发现,在流体进入喷嘴孔的过程中会触发涡旋脱落,从而进一步在初级喷雾破碎过程中造成流体表面变形和系带形成。这一重要发现也解释了每种喷嘴设计参数(座套、孔入口圆度、锥度、针阀形状和针阀升程)对喷雾形成的影响情况,并为工程师提供了对于高压燃料喷射初级破碎原理的新理解。

燃料喷射研究团队50多年来一直在潜心钻研,以期了解喷嘴内部湍流及其对喷雾仿真的影响。使用LES开展的CFD仿真有助于工程师更好地理解初级破碎过程的基本物理原理以及喷嘴几何结构对喷雾结构的影响。德尔福工程师正在把仿真融入到最新发动机型号的喷油嘴设计过程中。仿真让工程师能够更好地理解喷嘴内部几何参数复杂的相互作用,实现从参数化优化过程到基于知识的优化过程的过渡。需要进行测试的样本数减少,同时研发喷嘴所需的时间也有望缩短,最终得到一款具有更出色燃油经济性和更低排放的高性能发动机。

simulation vs. measurement for high-performance nozzle

HP喷嘴喷雾的仿真与测量结果十分吻合。

 

rounded injection nozzle geometry

  • 近喷嘴喷雾显示,大规模规则表面结构与较小规模无规则结构间存在过渡波动。
  • 较弱的涡旋脱落与空化。
  • 始终存在张弦结构,一直到喷射孔出口。

simulation rounded nozzle

sharp-edge injection nozzle geometry

  • 射流在靠近喷孔出口的地方开始破碎,同时在使用精细结构的情况下喷射模式更加稳定。
  • 在喷口入口上端存在伴随涡旋脱落的小规模涡流,涡旋对组成的张弦结构以相反方向旋转,伴随张弦空化。
  • 脱落涡旋以及空化的密度大到足以分解喷孔内的张弦结构。

simulation sharp-edge nozzle

high-performance atomization nozzle geometry

  • 拥有小规模无规则表面结构的温和稳定喷射模式。
  • 脱落涡旋与张弦漩涡相互作用,但未观察到空化。
  • 脱落涡旋产生脉动动量,在离开喷口出口后促使射流变形并导致液体-气体界面结构波动。
  • 脱落涡旋还产生脉动表面漩涡,这种漩涡受液体和周边气体间的液体-气体界面相互作用强化,促使液滴形成。

simulation high-performance nozzle

喷嘴内部流与LES仿真结果比较,能帮助工程师理解不同喷嘴几何结构如何产生大相径庭的结果。

“德尔福汽车系统的工程师使用ANSYS CFD来描述喷嘴流动力学和破碎过程的特征。”

参考资料

Shi, J.; Aguado Lopez, P.; Dober, G.; Guerrassi, N.; Bauer, B.; Lai, M.-C. Using LES and X-ray Imaging to Understand the Influence of Injection Hole Geometry on Diesel Spray Formation, Valencia: THIESEL 2016 Conference on Thermo- and Fluid Dynamic Processes in Direct Injection Engines, 2016.

Shi, J.; Aguado Lopez, P.; Guerrassi, N.; Dober, G. Understanding High-pressure Injection Primary Breakup by Using Large Eddy Simulation and X-ray Spray Imaging, MTZ Worldwide, 2017, Issue 5, pp. 50–57, doi 10.1007/s38313-017-0039-4.

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