喷孔内空化流动下的饱和蒸汽压修正及热分布特性研究
摘要
柴油机的动力性、经济性和排放性在很大程度上取决于燃油的喷射特性和雾化过程
的质量。在高压下，喷嘴内流动表现出强烈的湍流并伴随着空化出现，空化一方面可以
加强燃料的破碎和雾化，降低油耗、废气和颗粒物的排放，另一方面会减小流量特性。
此外，燃油通过喷孔后生热明显，燃油温度发生瞬变导致燃油物性的瞬变，从而改变了
等温假设下燃油的喷射特性。
在本文中，通过对比Winklhofer喷孔的计算结果与实验数据，完成了包括湍流模型
在内的空化流动数值模型校核。然后，基于Winklhofer喷孔开展了燃油压缩性对空化流
动特性的影响研究，确定了在较高压差下模拟空化流动需要考虑燃油的可压缩性；随后
分析了燃油初始温度和湍流粘度对空化发展的影响，发现初始燃油温度升高使临界空化
数增加，空化发展速度加快；湍流粘度的过高预测会抑制空化初生与发展，湍流粘度过
低的预测会增加空化不稳定性，影响空化流态。
开展了喷油器喷嘴内空化流动特性研究，发现饱和蒸汽压的大小直接影响喷孔内瞬
时空化发展程度，特别是针阀打开前期和关闭后期。建立了考虑瞬变温度和湍流的饱和
蒸汽压修正下的空化模型，揭示了考虑瞬变温度、湍流作用下喷嘴内空化流动特性。基
于上述修正模型开展了喷嘴内过冷和生热分布特性研究，在定常条件下揭示了流动过程
中燃油温度的两种变化行为，发现粘性摩擦导致燃油生热，过冷与减压膨胀相关，180
MPa喷射压力下燃料总体平均温度升高4.6%，局部温升34.8%。针阀的运动影响瞬时热
效应，特别是在低升程时可能影响初始空化的生长和转变，空化和近壁面处的燃油温升
是相互关联的，空化发展程度越大，燃油的温升越高；在针阀打开阶段燃油过冷区从针
阀-阀座处向喷孔核心流动区域转移，关闭则相反。
关键词：热分布特性；空化流动；非定常；共轨喷油器；柴油机
喷孔内空化流动下的饱和蒸汽压修正及热分布特性研究
Abstract
Thepower,economy,andemissionsofadieselengineareheavilyinfluencedbythefuel
injectioncharacteristicsandtheatomisationprocess.Athighpressure,theflowinthenozzle
exhibitsstrongturbulenceandcavitation,whichimprovesfuelbreak-upandatomisationwhile
reducingfuelconsumption,exhaustgasandparticulateemissions,butalsoreducesflow
characteristics.Furthermore,thesignificantheatgenerationofthefuelthroughthenozzlehole,
aswellastransientchangesinfueltemperature,causetransientchangesinfuelproperties,
changingtheinjectioncharacteristicsofthefuelunderisothermalassumptions.
Inthispaper,thenumericalmodelofcavitationflow,includingtheturbulencemodel,was
calibratedbycomparingthecalculatedresultsoftheWinklhoferorificewithexperimentaldata.
Theeffectoffuelcompressibilityoncavitationflowcharacteristicswasinvestigatedbasedon
theWinklhoferorific