兵工学报 ›› 2023, Vol. 44 ›› Issue (10): 3091-3100.doi: 10.12382/bgxb.2022.0498
收稿日期:
2022-06-07
上线日期:
2023-10-30
通讯作者:
基金资助:
LI Ziming, LIU Zhenming*(), LIU Jingbin, CHEN Ping
Received:
2022-06-07
Online:
2023-10-30
摘要:
喷油器是舰船柴油机的关键部件,喷油器喷孔、控制腔进出油孔直径一般在 0.2~0.5mm 之间,属于典型的微通道结构。高压喷射时通道内发生的空化现象,严重影响柴油机的可靠性。湍流和空化模型的选择是使用数值计算方法研究上述空化问题的关键。基于Winklhofer微通道燃油试验,使用代表性较强的3种湍流模型和2种空化模型构建微通道模型,将仿真与试验结果对比分析。研究结果表明:重整化群(RNG) k-ε+Zwart-Gerber-Belamri(ZGB)模型、RNG k-ε+Schnerr-Sauer(SS)模型这两种组合所得的压力梯度值与试验数据相近,误差在7%以下;不同模型组合计算得到的空化分布存在差异;在19~85bar压差范围内,Realizable k-ε+ZGB模型、RNG k-ε+ZGB模型所得出口质量流量与试验数据的变化趋势吻合,且误差不到4%;截面流速计算方面,RNG k-ε+SS模型的计算误差最小,误差处于10%以下。
中图分类号:
李子铭, 刘振明, 刘景斌, 陈萍. 舰船柴油机微通道内燃油空化现象的模型对比[J]. 兵工学报, 2023, 44(10): 3091-3100.
LI Ziming, LIU Zhenming, LIU Jingbin, CHEN Ping. Model Comparison of Fuel Cavitation Phenomena in Microchannels of Marine Diesel Engines[J]. Acta Armamentarii, 2023, 44(10): 3091-3100.
热物性参数 | 数值 |
---|---|
液相密度/(kg·m-3) | 830 |
液相动力黏度/(kg·m-1·s-1) | 0.0024 |
饱和蒸气压/Pa | 2000 |
气相密度/(kg·m-3) | 0.029 |
气相动力黏度/(10-6kg·m-1·s-1) | 3.1×10-6 |
表1 燃油热物性参数[17]
Table 1 Fuel thermophysical properties[17]
热物性参数 | 数值 |
---|---|
液相密度/(kg·m-3) | 830 |
液相动力黏度/(kg·m-1·s-1) | 0.0024 |
饱和蒸气压/Pa | 2000 |
气相密度/(kg·m-3) | 0.029 |
气相动力黏度/(10-6kg·m-1·s-1) | 3.1×10-6 |
试验和模型 | 区段/mm | |||
---|---|---|---|---|
-1.00~ -0.25 | -0.25~ 0.22 | 0.22~ 0.50 | 0.50~ 2.00 | |
Winklhofer等[ | 95.51 | 63.68 | 37.00 | 28.33 |
SST k-ω+ZGB模型 | 97.94 | 62.26 | 31.40 | 33.60 |
SST k-ω+SS模型 | 97.29 | 64.00 | 32.23 | 29.21 |
Realizable k-ε+ZGB模型 | 97.54 | 64.18 | 32.77 | 32.44 |
Realizable k-ε+SS模型 | 97.67 | 64.99 | 33.00 | 28.96 |
RNG k-ε+ZGB模型 | 97.78 | 66.33 | 34.90 | 29.31 |
RNG k-ε+SS模型 | 97.74 | 67.98 | 36.73 | 29.61 |
表2 压力梯度平均值结果对比
Table 2 Comparison of average pressure gradient resultsbar
试验和模型 | 区段/mm | |||
---|---|---|---|---|
-1.00~ -0.25 | -0.25~ 0.22 | 0.22~ 0.50 | 0.50~ 2.00 | |
Winklhofer等[ | 95.51 | 63.68 | 37.00 | 28.33 |
SST k-ω+ZGB模型 | 97.94 | 62.26 | 31.40 | 33.60 |
SST k-ω+SS模型 | 97.29 | 64.00 | 32.23 | 29.21 |
Realizable k-ε+ZGB模型 | 97.54 | 64.18 | 32.77 | 32.44 |
Realizable k-ε+SS模型 | 97.67 | 64.99 | 33.00 | 28.96 |
RNG k-ε+ZGB模型 | 97.78 | 66.33 | 34.90 | 29.31 |
RNG k-ε+SS模型 | 97.74 | 67.98 | 36.73 | 29.61 |
试验和模型 | 区段/bar | |
---|---|---|
19~70 | 70~85 | |
Winklhofer等[ | 6.89 | 7.78 |
SST k-ω+ZGB模型 | 7.10 | 8.19 |
SST k-ω+SS模型 | 7.15 | 8.43 |
Realizable k-ε+ZGB模型 | 6.93 | 8.03 |
Realizable k-ε+SS模型 | 6.96 | 8.19 |
RNG k-ε+ZGB模型 | 6.86 | 8.03 |
RNG k-ε+SS模型 | 6.93 | 8.15 |
表4 压力梯度平均值结果对比
Table 4 Comparison of average pressure gradient resultsg/s
试验和模型 | 区段/bar | |
---|---|---|
19~70 | 70~85 | |
Winklhofer等[ | 6.89 | 7.78 |
SST k-ω+ZGB模型 | 7.10 | 8.19 |
SST k-ω+SS模型 | 7.15 | 8.43 |
Realizable k-ε+ZGB模型 | 6.93 | 8.03 |
Realizable k-ε+SS模型 | 6.96 | 8.19 |
RNG k-ε+ZGB模型 | 6.86 | 8.03 |
RNG k-ε+SS模型 | 6.93 | 8.15 |
试验和模型 | 区段/μm | |||
---|---|---|---|---|
0~ 48 | 48~ 150 | 150~ 266 | 266~ 300 | |
Winklhofer等[ | 54.32 | 96.36 | 95.35 | 91.74 |
SST k-ω+ZGB模型 | 75.11 | 107.94 | 109.91 | 63.66 |
SST k-ω+SS模型 | 85.70 | 104.08 | 106.47 | 77.13 |
Realizable k-ε+ZGB模型 | 77.76 | 104.09 | 106.75 | 62.07 |
Realizable k-ε+SS模型 | 81.18 | 101.10 | 103.21 | 69.04 |
RNG k-ε+ZGB模型 | 76.65 | 98.22 | 100.95 | 62.72 |
RNG k-ε+SS模型 | 76.11 | 97.64 | 99.41 | 68.37 |
表5 55bar压差下截面x1流速平均值结果对比
Table 5 Comparison of average flow rate results of section x1 at 55 bar differential pressure m/s
试验和模型 | 区段/μm | |||
---|---|---|---|---|
0~ 48 | 48~ 150 | 150~ 266 | 266~ 300 | |
Winklhofer等[ | 54.32 | 96.36 | 95.35 | 91.74 |
SST k-ω+ZGB模型 | 75.11 | 107.94 | 109.91 | 63.66 |
SST k-ω+SS模型 | 85.70 | 104.08 | 106.47 | 77.13 |
Realizable k-ε+ZGB模型 | 77.76 | 104.09 | 106.75 | 62.07 |
Realizable k-ε+SS模型 | 81.18 | 101.10 | 103.21 | 69.04 |
RNG k-ε+ZGB模型 | 76.65 | 98.22 | 100.95 | 62.72 |
RNG k-ε+SS模型 | 76.11 | 97.64 | 99.41 | 68.37 |
试验和模型 | 区段/μm | |||
---|---|---|---|---|
0~ 46 | 46~ 150 | 150~ 260 | 260~ 300 | |
Winklhofer等[ | 103.94 | 106.70 | 111.76 | 103.13 |
SST k-ω+ZGB模型 | 84.31 | 121.63 | 122.19 | 77.54 |
SST k-ω+SS模型 | 95.36 | 116.55 | 116.96 | 91.11 |
Realizable k-ε+ZGB模型 | 82.56 | 116.47 | 117.35 | 74.66 |
Realizable k-ε+SS模型 | 85.59 | 113.57 | 114.51 | 81.60 |
RNG k-ε+ZGB模型 | 85.65 | 114.28 | 114.97 | 78.64 |
RNG k-ε+SS模型 | 91.06 | 111.22 | 111.18 | 90.31 |
表6 67bar压差下截面x1流速平均值结果对比
Table 6 Comparison of average flow rate results of section x1 at 67 bar differential pressure m/s
试验和模型 | 区段/μm | |||
---|---|---|---|---|
0~ 46 | 46~ 150 | 150~ 260 | 260~ 300 | |
Winklhofer等[ | 103.94 | 106.70 | 111.76 | 103.13 |
SST k-ω+ZGB模型 | 84.31 | 121.63 | 122.19 | 77.54 |
SST k-ω+SS模型 | 95.36 | 116.55 | 116.96 | 91.11 |
Realizable k-ε+ZGB模型 | 82.56 | 116.47 | 117.35 | 74.66 |
Realizable k-ε+SS模型 | 85.59 | 113.57 | 114.51 | 81.60 |
RNG k-ε+ZGB模型 | 85.65 | 114.28 | 114.97 | 78.64 |
RNG k-ε+SS模型 | 91.06 | 111.22 | 111.18 | 90.31 |
试验和模型 | 区段/μm | |||
---|---|---|---|---|
0~ 55 | 55~ 150 | 150~ 254 | 254~ 300 | |
Winklhofer等[ | 44.82 | 93.72 | 96.08 | 60.44 |
SST k-ω+ZGB模型 | 75.97 | 115.82 | 116.12 | 71.86 |
SST k-ω+SS模型 | 75.13 | 112.63 | 113.34 | 76.59 |
Realizable k-ε+ZGB模型 | 69.39 | 111.47 | 110.38 | 67.78 |
Realizable k-ε+SS模型 | 72.40 | 109.28 | 108.91 | 70.18 |
RNG k-ε+ZGB模型 | 60.13 | 103.21 | 102.25 | 62.92 |
RNG k-ε+SS模型 | 59.97 | 103.04 | 103.85 | 67.09 |
表7 55bar压差下截面x2流速平均值结果对比
Table 7 Comparison of average flow rate results of section x2 at 55 bar differential pressure m/s
试验和模型 | 区段/μm | |||
---|---|---|---|---|
0~ 55 | 55~ 150 | 150~ 254 | 254~ 300 | |
Winklhofer等[ | 44.82 | 93.72 | 96.08 | 60.44 |
SST k-ω+ZGB模型 | 75.97 | 115.82 | 116.12 | 71.86 |
SST k-ω+SS模型 | 75.13 | 112.63 | 113.34 | 76.59 |
Realizable k-ε+ZGB模型 | 69.39 | 111.47 | 110.38 | 67.78 |
Realizable k-ε+SS模型 | 72.40 | 109.28 | 108.91 | 70.18 |
RNG k-ε+ZGB模型 | 60.13 | 103.21 | 102.25 | 62.92 |
RNG k-ε+SS模型 | 59.97 | 103.04 | 103.85 | 67.09 |
试验和模型 | 区段/μm | |||
---|---|---|---|---|
0~ 63 | 63~ 150 | 150~ 256 | 256~ 300 | |
Winklhofer等[ | 96.82 | 112.02 | 113.51 | 106.63 |
SST k-ω+ZGB模型 | 80.26 | 133.37 | 130.02 | 73.38 |
SST k-ω+SS模型 | 84.00 | 125.60 | 127.41 | 87.46 |
Realizable k-ε+ZGB模型 | 74.83 | 124.34 | 121.38 | 69.17 |
Realizable k-ε+SS模型 | 77.82 | 121.14 | 121.44 | 80.89 |
RNG k-ε+ZGB模型 | 74.84 | 120.75 | 119.09 | 71.67 |
RNG k-ε+SS模型 | 75.41 | 118.52 | 115.92 | 73.72 |
表8 67bar压差下截面x2流速平均值结果对比
Table 8 Comparison of average flow rate results of section x2 at 67 bar differential pressure m/s
试验和模型 | 区段/μm | |||
---|---|---|---|---|
0~ 63 | 63~ 150 | 150~ 256 | 256~ 300 | |
Winklhofer等[ | 96.82 | 112.02 | 113.51 | 106.63 |
SST k-ω+ZGB模型 | 80.26 | 133.37 | 130.02 | 73.38 |
SST k-ω+SS模型 | 84.00 | 125.60 | 127.41 | 87.46 |
Realizable k-ε+ZGB模型 | 74.83 | 124.34 | 121.38 | 69.17 |
Realizable k-ε+SS模型 | 77.82 | 121.14 | 121.44 | 80.89 |
RNG k-ε+ZGB模型 | 74.84 | 120.75 | 119.09 | 71.67 |
RNG k-ε+SS模型 | 75.41 | 118.52 | 115.92 | 73.72 |
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