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原创
国外内燃机
2017年第2期
喷嘴形状对喷嘴内流及喷雾特性的影响研究
张军，何志霞”，王谦”
（1.东莞中集物流装备技术研究院有限公司，东莞523000；2.江苏大学能源与动力工程学院，镇江212013）
摘要：主要研究了不同喷射压力下喷孔形状对内流及喷雾特性的影响。在可视化试验中，采用了 3种喷孔出口直径一致但喷孔形状不同的比例放大透明喷嘴，分析比较了不同形状喷孔内的空化及喷雾特性。研究发现，在柱形和渐扩形喷孔中都有空化发生，而渐缩孔中却没有。在同样的喷射条件下，渐缩孔的流量系数却是最高。研究结果表明空化在孔内渍灭时，会增加流动满流度，但对喷雾锥角影响较小，当空化发展到喷孔出口并渍灭时，会使得喷雾锥角显著增加。试验中还观察了水力柱塞流现象，推测其产生的原因是边界层分离后回流区的再附着点达到了喷孔出口。结合数值模拟方法，验证了试验结果的分析。
关键词；可视化实验喷孔形状
空化水力柱塞流
0概述
燃油喷射雾化和喷油器喷孔内流体动力学紧密相关。近年来，为了满足日益严格的排放法规，柴油机喷射压力日益增高，使喷孔内流更易发生相变，从而形成空化(]。
研究者们通过实验和理论研究阐释了喷孔内的空穴流现象。Ohrn等人通过测量不同的平板喷孔，认为喷孔人口处的形状对流量系数的影响要大于喷孔长径比和喷射压力。Payri等人指出空化导致了喷雾锥角，以及出口速度的增加。Benajes等人4比较了圆锥收缩孔与圆柱孔的流动特性，发现圆锥收缩孔的流量系数比圆柱孔的要高。Arcou-manis等人(3)对比研究了比例放大喷嘴与实际尺寸喷嘴内的空穴情况，发现两者在宏观形态上非常致，因此可以有效地开展比例放大喷端实验，能够清晰准确地获得空穴发生的位置以及形态。Sibendu Son等人(6)通过数值方法将内流和喷雾耦合关联进行模拟，研究了喷孔锥度对喷雾的影响，发现喷孔锥度可以减弱喷孔内的空化及流，并且会减缓初次破碎，增大喷雾贯穿距。
当流体中局部压力低于饱和蒸汽压力时，喷孔内流中才可能会出现空泡，当空化泡流经下游高压区时，最终会向内溃灭[")。关于空化，有两个非常重要的无量纲量，一个是流量系数Ca，另一个是空化数 K。流量系数表示实际质量流量与理想质量流量间的比值关系，根据伯努利方程和质量守恒方程可以
得到它的表达式：万方数据
u
Ch=A /2p(pu-pu)
(1)
其中，m是实际质量流率，A是喷孔的横截面积，p 是燃油密度，Pi是喷射压力，Pb是喷孔出口压力，即背压。
空化数K可以表征喷油器内空化发生的状态，它的定义并不唯一，此处采用Nurickt*提出的表达式：
K=pp
Pin—Phack
(2)
其中，P、是燃油的蒸汽压力。喷孔内空气初生时的空化数表示为临界空化数Kit，当空化数小于临界
值时，空化才会发生。 1试验方法
1.1试验设备和测试方法
比例放大透明喷嘴内流及喷雾可视化实验台如
图1所示，实验设备主要由氮气瓶、稳压油箱、滤清器、流量计、压力控制阀、压力表、透明喷嘴、燃油收集箱、回油泵、LED灯、高速摄像机，以及控制计算机等组成。其中，打开氮气瓶阀门，并配合减压阀可以给稳压油箱充气，提供一个恒定压力；通过压力控制阀可以调节喷射压力。燃油全部经透明喷嘴喷人收集箱后，首先打开稳压油箱上的泄气阀，将里面的氮气排出到大气中，然后回油泵使燃油回流到稳压箱，实现燃油的循环利用；按比例放大喷嘴由有机玻璃制成，这种材料和柴油有着几乎相同的折射率，易于