高压燃油喷雾雾化与蒸发过程的大涡模拟

来源：网络收集时间：2026-09-09

导读：第28卷（2010）第3期内燃机学报TransactionsofCSICE Vol.28（2010）No.3 文章编号：1000-0909（2010）03-0241-06 28-037 高压燃油喷雾雾化与蒸发过程的大涡模拟周 11 磊，解茂昭，贾 12明，史俊瑞 * （1.大连理工大学能源与动力学院，辽宁大连116024；2.沈

第28卷（2010）第3期

内燃机学报TransactionsofCSICE

Vol.28（2010）No.3

文章编号：1000-0909（2010）03-0241-06

28-037

高压燃油喷雾雾化与蒸发过程的大涡模拟

周

磊，解茂昭，贾

12明，史俊瑞

（1.大连理工大学能源与动力学院，辽宁大连116024；2.沈阳工程学院动力系，辽宁沈阳110136）摘要：应用高压喷射技术可以有效地改善燃油雾化的质量。通过大涡模拟方法，对3种喷射压力下定容弹内燃油的高压喷射、雾化和蒸发进行了数值研究，并与相关试验进行了对比；分析了喷射压力对液相贯穿度、油滴平均直径、气相速度场和湍能分布、燃油蒸发率等参数的影响。计算结果表明：采用大涡模拟方法可以捕捉提高喷射压力，显著增加喷雾贯穿度，减小液滴的平均索特直到喷雾场中湍流涡团的随机性的三维复杂结构，径。压力的提高也增大了气相湍动能，促进燃油的蒸发。关键词：高压喷雾；大涡模拟；燃油雾化与蒸发中图分类号：TK402

文献标志码：A

LargeEddySimulationonAtomizationandEvaporationofaHigh-PressureFuelSpray

ZHOULei1，XIEMao-zhao1，JIAMing1，SHIJun-rui2

（1.SchoolofEnergyandPowerEngineering，DalianUniversityofTechnology，Dalian116024，China；2.DepartmentofPowerEngineering，ShenyangInstituteofEngineering，Shenyang110136，China）

Abstract：Highpressureinjectioncaneffectivelyimprovethequalityoffuelsprayatomizationandevapo-ration.Inthispaper，fuelsprayatomizationprocesseswerenumericallystudiedatthreeinjectionpressuresusinglargeeddysimulation（LES），andwerecomparedwithexperimentaldatafromliterature.Influencesofinjectionpressureonspraypenetration，dropletSMD，http://doc.guandang.netputationalresultsshowthatwithLESonecanobtainthethreedi-mensional，complexandstochasticturbulenteddystructuresinthespray.Highinjectionpressurecanprominentlyenhancespraypenetration，reducedropletsizeandacceleratefuelevaporation.Keywords：High-pressurespray；Largeeddysimulation；Fuelatomizationandevaporation

引言

随着排放法规的日益严格，降低有害排放量成为

内燃机研究的重点和难点。研究表明，采用高喷油压力能有效地改善燃烧过程和降低污染物的排放，已成

［1-3］

。提高喷油压力可以提高油束的为一种发展趋势

贯穿能力，减小颗粒直径，改善雾化质量；由于卷入油

束的空气量增加和空气的扰动，加速了混合气的形成，实现了快速而又良好的燃烧，改善了燃烧和排放品质，特别是减少了微粒的排放。此外，提高喷射压力可以降低对气缸内空气运动的要求，兼顾发动机在高速和低速工况下的性能，对提高充气效率等方面也带来许

多优点

［4］

。

精确地模拟柴油机的动态喷雾过程，对于研究其

燃烧和排放有着至关重要的作用。由于喷雾过程本身的复杂性，使得在实际的数值模拟计算中，除了需要对计算网格、初始条件和边界条件等作出适当的选择最重要的是应用合适的计算模型以保证计算的精外，［5］

度。最近几年，大涡模型（LES）以其高精确性逐渐

［6］

在燃油喷雾模拟中得到越来越多的应用。鉴于此，笔者采用大涡模型取代迄今常用的RANS模型来模拟

3V中加入大涡模拟燃油喷雾雾化过程，通过在KIVA-模块，对一定容弹内的高压燃油喷雾的雾化特性进行模拟研究。

收稿日期：2009-09-23；修回日期：2009-12-11。

基金项目：国家重点基础研究发展计划资助项目（2007CB210002）。

mail：zhouleiquan@http://doc.guandang.net。作者简介：周磊，博士研究生，E-

1喷雾过程的LES基本方程

大涡模拟的基本思想是通过对流场在空间上的过滤，将其分为大尺度结构和小尺度结构，进而分解为可解尺度量和亚网格尺度量，前者可以直接进行数值模拟，而后者因小于网格，无法直接求解，须通过亚网格模型进行模拟。在大涡模拟中，由于求解的是三维的空间过滤而非时均的方程，所以得出的结果为详细的瞬态流场。

S方大涡模拟的控制方程是经过滤波处理后的N-3V中的形式［7］为程，其在KIVA-连续方程

·j

+=ρstxj

dupgx（ρp－ρ）

=FD（u－up）+dtρp

FD是气相场作用在液滴上的阻力，即FD=

18μCDRe

2·24dρpp

式中：u和up为气体与液滴的速度；μ为流体区域的分子黏性；ρ和ρp分别为气体与液滴的密度；CD为阻力系

数；Re为液滴的雷诺数。

液滴蒸发速率方程为

dmp－h=hAp（Tg－Tp）dtfg

式中：Tg和Tp分别为气体与液滴的温度；mp为液滴质量；Ap为液滴表面积；hfg为液滴蒸发潜热；h为对流换热系数。

动量方程is

+（iuj－ij－τsgsij）=Fi

txj能量方程

sgs槇槇jeujhjjuie++++－ij－txjxjxjxjxj

2计算模型和数值方法

通过对定容弹中燃油喷雾的LES计算，以精确地

模拟燃油雾化过程。计算模型参考Knig和Blessing，定容弹直径为2cm，高为8cm。喷射采用单直径为0.2mm，采用十四烷为燃料，试验的孔喷嘴，试验

质量流率如图1。环境温度为900K，环境密度为20

kg/cm3，环境气体为N2。

3V，计算基于通用CFD软件KIVA-并添加大涡模

拟程序。喷雾计算采用离散液滴模型（DDM），射流分

［6］裂破碎采用改进的TAB模型，液滴破碎模型采用O′Rourke模型。喷雾过程的其它子模型均为KIVA-［10］

sgs

－Πsgs=Qc+Qs

··

组分方程

mYmsgssgs

=+u－D++ρθmjmj，mj，m

xjtxj

()

·sm

sgssgssgssgssgs

S方程中，hsgs在以上N-τij、Θ、Π、j，θj，j、m、m这6项它们分别表示：亚网格应力张量、亚网格热需要封闭，

3V中的原有模型。为了减小喷雾模拟的网格依赖性，对气液的速度差分采用Nordin模型

平均的插值方法。

［11］

流量、亚网格黏性功、亚网格压力应变耦合项、亚网格

sgssgs

组分扩散流率和扩散量，其中Π和θj，m在封闭方程8］、9］。中忽略不计，其余4项的封闭参看文献［文献［Fsi为喷雾产生的单元体积动量的增加；ρs为喷雾产生的源项；Q和Q分别为燃烧及喷雾产生的能量源项；Ym为组分m的质量分数；Dm为组分扩散系数。在研究中化学源项未考虑，燃油喷射产生的源项采用KIVA中的原始模型。

ij是过滤得到的大尺度涡团产生的应力张量，即

ij=－ij+2Sij－Sδ

3kkij

·c

·s

，采用距离加权

80为考察不同压力的影响，分别采用50MPa、

MPa和120MPa进行了计算和比较。网格的大小为0.5mm，共有272000单元。最小时间步长为0.01μs，最大时间步长为1.0μs。喷射颗粒总数为10000个，模拟喷射时间为1.0ms，初始粒径为0.1mm，

喷雾

()

式中：υ为分子黏性；Sij为大尺度应变率张量。

j为过滤后的热流，即

YmT

j=－K－hmDm

xjxjm=1

液滴的运动方程为

锥角为12°。

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