[论文解读] A Numerical Study on Spray Characteristics at Start of Injection for Gasoline Direct Injection

Zongyu Yue, Michele Battistoni+1 more|arXiv (Cornell University)|Oct 8, 2018

Fluid Dynamics and Heat Transfer参考文献 5被引用 4

一句话总结

本研究采用大涡模拟结合体积分数法，研究汽油直喷系统在喷射起始阶段的喷雾发展过程，利用先进光子源（APS）获取的真实喷油器几何结构的高分辨率X射线断层扫描数据。研究发现，制造公差导致Sauter平均直径（SMD）相比理想几何结构降低11%，这是由于喷油器倒角区域附近的不稳定表面结构所致，显著加速了液滴破碎过程。

ABSTRACT

This paper presents a CFD study of Engine Combustion Network (ECN) Spray G, focusing on the transient characteristics of spray at start of injection. The Large Eddy Simulation (LES) coupled with Volume of Fluid (VOF) method is used to model the turbulent two-phase flow. A moving needle boundary condition is applied to capture the internal flow condition accurately. The injector geometry was measured with micron-level resolution using full spectrum x-ray tomographic imaging at Advanced Photon Source (APS) at Argonne National Labora-tory, providing detailed machining error from manufacturer and realistic rough surface. For comparison, a nominal geometry is also used for the simulation. Spray characteristics such as Sauter Mean Diameter (SMD), droplet volume and surface area are extracted by post-processing the CFD outputs. It is seen that compared to the nominal geometry, the use of the high resolution real geometry predicts about 11% lower SMD. The rough surface along with manufacturing defects generate more unstable structures along the jet surface and accelerates the liquid de-formation and breakup processes, starting inside of the counter-bore. This result shows that the machining details of injector, which is usually ignored in the two-phase flow simulations, has considerable impact on the spray development process.

研究动机与目标

• 研究汽油直喷系统在喷射起始阶段的瞬态喷雾特性。
• 评估喷油器制造细节（如表面粗糙度和机加工误差）对喷雾发展的影响。
• 对比采用高分辨率真实喷油器几何结构与理想化名义几何结构的喷雾预测结果。
• 量化几何保真度对液滴尺寸、表面积及破碎动力学差异的影响。
• 评估内部流场结构（尤其是倒角区域附近）在引发早期破碎过程中的作用。

提出的方法

• 采用大涡模拟（LES）对喷雾区域内的湍流两相流进行建模。
• 采用体积分数（VOF）方法追踪液气界面并捕捉相分离过程。
• 采用移动针阀边界条件模拟喷射起始阶段喷油器的动态开启过程。
• 利用先进光子源（APS）的高分辨率X射线断层扫描成像技术，获取具有实际机加工误差和表面粗糙度的微米级喷油器几何结构数据。
• 采用两种喷油器几何结构：一种为包含缺陷的真实测量版本，另一种为理想化的名义版本。
• 对CFD结果进行后处理，提取关键喷雾指标：Sauter平均直径（SMD）、液滴体积和表面积。

实验结果

研究问题

• RQ1 喷油器中的制造缺陷和表面粗糙度如何影响喷射起始阶段的早期喷雾发展？
• RQ2 采用高分辨率真实喷油器几何结构与名义几何结构相比，对预测的Sauter平均直径（SMD）有何影响？
• RQ3 在几何不规则性存在的情况下，破碎过程在何处以及如何启动？
• RQ4 内部流场结构（尤其是倒角区域附近）如何影响液体变形与雾化起始？
• RQ5 与理想化喷油器模型相比，表面缺陷在多大程度上加速了破碎过程？

主要发现

• 与名义几何结构相比，采用高分辨率真实喷油器几何结构使Sauter平均直径（SMD）降低约11%。
• 表面粗糙度和机加工缺陷在液流射流上形成不稳定结构，加速了变形与破碎过程。
• 由于几何不规则性，破碎过程在倒角区域内部更早且更强烈地启动。
• 真实喷油器特征的存在导致更快速且更复杂的流动不稳定性，从而增强了早期雾化效果。
• 本研究证明，喷油器制造细节（在模拟中常被忽略）对喷雾特性具有显著且可测量的影响。
• 采用真实几何结构的LES-VOF模拟能够更早且更准确地捕捉喷雾演化过程，尤其是在瞬态喷射起始阶段。