液化石油气喷雾特性的实验与计算研究

液化石油气喷雾特性的实验与计算研究石宇，张煜盛，肖合林, 张辉亚（华中科技大学能源与动力工程学院，武汉430074）E-mail: yszhang@摘要：本文采用高速摄影技术对液化石油气(LPG)喷雾特性进行了实验研究，并利用准维气相射流模型模拟计算了LPG喷雾的发展过程，计算结果与实验结果吻合较好。

研究结果表明，在喷孔直径、背压等参数相同的条件下，LPG喷雾锥角和喷雾轴心浓度的衰减率随启喷压力升高而增大，而启喷压力对喷雾轴心速度的衰减率和喷雾贯穿距离则影响较小；在喷孔直径、启喷压力等参数相同的条件下，喷雾锥角、喷雾轴心速度和浓度的衰减率均随背压的升高而增大，而喷雾贯穿距离则随背压的升高而减小；背压对贯穿距离、喷雾锥角、喷雾轴心速度和浓度衰减率的影响均大于启喷压力。

关键词：液化石油气(LPG)；高速摄影；数学模型；气相射流1 前言目前，汽车代用燃料的研究和应用日益受到重视，各国都在致力于研究清洁能源汽车，如氢能汽车、电动汽车、甲醇汽车、CNG(天然气)和LPG（液化石油气）汽车。

从目前可以接受的性能价格比及技术成熟度来看，CNG和LPG汽车最为现实，也最具吸引力。

国内外在汽车上使用LPG，通常是将储存压力为2-3 MPa的LPG，采用进气道喷射或减压后以气态经进气道供给发动机使用。

这两种LPG供给方式有许多不足之处，如存在着因进、排气重叠角导致的燃料的扫气损失，发动机的容积效率和输出功率较低，须加装点火装置，燃料经济性不如压燃式发动机，以及NOx排放没有明显改善等。

究其原因，主要在于当前燃用LPG的燃烧方式，使LPG在燃料经济性和低排放方面所具有的潜力不能得到充分发挥。

为此，亟待探索一种新的组织LPG发动机燃烧过程的技术途径，如通过液态LPG与柴油混溶,实现混合燃料在气缸内的直接喷射和压燃，或者是将液态纯LPG向发动机缸内直接喷射，借助于着火改善剂而使之在压燃式发动机中实现着火燃烧。

____________________基金项目：教育部博士点基金项目(20020487022)；国家重点基础研究发展规划项目（2001CB209207），- 1 -对于直喷式发动机而言，不论喷射的燃料是柴油还是液态纯LPG，其混合气的形成主要是在喷雾容积中进行的，因此，燃料喷雾扩展的空间结构及其油、气分布规律对直喷式发动机的燃烧放热及污染物生成有着十分重要的影响。

目前，尽管已有少数学者对液态纯LPG或液态LPG与柴油混合的燃料喷雾特性开展了实验观测，但这些表象或宏观的研究结果尚难揭示液态LPG喷雾雾化和混合的详细机理，故而有必要从紊流射流的基本理论出发，对液态LPG喷雾混合过程进行数值模拟研究。

喷雾混合模型包括零维、准维和多维模型。

准维气相射流模型以其较高的工程实用价值，在液体与气体燃料喷雾混合的计算中得到了广泛的应用。

研究表明，对于出口动量通量相当的液体与气体燃料喷雾来说，二者的流动性状基本上是等同的[1,2]。

相对于柴油来说，液态LPG 更易于气化，更加具有与气相紊流射流基本相同的流动特性，因此，本文在液态LPG喷雾实验研究的基础上，采用气相射流模型对其喷雾特性进行了数值模拟研究，以便为液态纯LPG缸内直接喷射燃烧过程的模拟计算及其性能预测奠定基础。

2 LPG喷雾的高速摄影研究2.1 实验装置与方法实验采用日立16H（HIMAC）型高速摄影机对定容燃烧室中的LPG喷雾发展过程进行记录，实验装置如图1所示，主要包括定容室、燃油喷射系统、高速摄影机、光路和电测系统等几个主要部分。

1 CB466高压氮气瓶 8压力表燃料罐 75 压电式压力传感器 6针阀升程传感器毛玻璃 12电磁三通阀 119 照明光源 10高速摄影机 15高压空气瓶13 喷油器 14图1 实验装置示意图为了尽可能真实地模拟缸内环境，鉴于本实验观测在常温下进行，且LPG的自燃温度高达465℃，故采用高压空气作为定容室环境介质。

实验中采用同步触发器保证高速摄影机工作过程与喷油过程同步，通过数据分析仪对喷油参数等进行分析。

高速摄影机的拍摄速度可以通过调整其驱动电机电压而改变，本实验的- 2 -- 3 -拍摄速度为5,000幅/秒。

考虑到LPG 的饱和蒸气压高，为防止燃油喷射系统出现气阻，试验中采用高压氮气直接对LPG 燃料罐进行加压，以使燃油管路中的输油压力始终保持在2.5～3MPa 的水平。

为了判明喷射压力和背压对LPG 喷雾特性的影响，实验测量了相同喷孔直径，不同背压和喷嘴开启压力条件下的三组数据。

具体实验条件及相应的实验序号如表1所示。

表1 喷雾实验条件与喷油参数实验序号 背压（MPa ） 喷嘴开启压力（MPa ） 喷孔直径（mm ）1 3.0 200.252 3.0150.253 2.0150.252.2实验结果与讨论图2示出不同喷射条件下的LPG 喷雾高速摄影照片， (a)，(b)，(c)分别对应于实验序号为1、2、3的喷雾实验观测结果，其相邻两祯照片的拍摄间隔时间均为0.205ms。

因为喷雾起始时刻可能界于两张相片拍摄的间隔之间，因此对于不同的实验组，第一张记录喷雾形态的的照片所对应的时刻有可能不同，在此实验中，第二组实验第一张相片拍摄时间有别于第一、三组。

根据在高压定容室内对喷雾高速摄影的实验结果，可以整理得到图3所示的LPG 喷雾贯穿随喷射开始后时间而变化的情况。

由图可见，在背压同为3.0 MPa0.164ms 0.369ms 0.574ms 0.779ms 0.984ms 1.189ms(a) 0.472ms 0.677ms 0.882ms 1.087ms 1.292ms 1.497ms(b)0.164ms 0.369ms 0.574ms 0.779ms 0.984ms 1.189ms(c)图2 喷雾高速摄影照片时，喷嘴开启压力分别为20.0MPa 和15.0MPa 的喷雾贯穿长度相比，呈现出前者的初期喷雾贯穿长度较大，而在时间大于喷雾分裂期后其喷雾贯穿长度有所减小的现象。

关于喷嘴开启压力对喷雾贯穿长度的影响，日本的广安博之教授[3]在定容室中的喷雾实验表明，柴油的初期喷雾贯穿长度随喷嘴开启压力增大而稍有增加，而在时间大于喷雾分裂期后其喷雾贯穿长度基本上不受喷嘴开启压力的影响。

对于LPG喷雾在时间大于喷雾分裂期后其喷雾贯穿长度随喷嘴开启压力增大而有所减小的现象，可以这样来理解：对于LPG这种沸点低、饱和蒸气压力较高的燃料来说，在背压相同的情况下，较高的喷嘴开启压力使喷雾具有较高的喷射初速，从而导致喷雾的雾化速度加快，形成的喷雾粒子也较小，受到的空气阻力作用也较大，致使其贯穿距离反而比喷嘴开启压力较低的为小。

这与文献[4]的实验与计算结果相符。

图3还示出背压或空气密度对LPG喷雾贯穿距离的影响。

比较实验序号2和3的高速摄影结果可以发现，当喷嘴开启压力相同而背压不同时，由于背压增加导致空气密度增高，使喷雾的贯穿速度降低，贯穿距离缩短。

这与柴油喷雾的情形是完全相同的。

图4示出上述三种实验条件下，LPG喷雾锥角随喷射开始后时间而变化的情况。

显然，LPG喷雾锥角随背压和喷嘴开启压力的增加而增加。

柴油喷雾锥角随背压和喷嘴开启压力的变化规律与此相类似。

在本文实验条件下，LPG高蒸发速率导致在喷雾外缘形成非常细小且稀薄的液滴场，该液滴场对普通光产生较强的散射作用，不能被高速摄影照片所记录，因此，其喷雾锥角较一般文献记录[4,5]的柴油喷雾锥角要小。

图3 喷雾贯穿距离对比 图4 喷雾锥角对比3 LPG喷雾混合的数值模拟研究3.1 气相射流模型的数学描述根据LPG燃料的热物理性质以及喷雾实验的具体条件，可对LPG喷雾混合的模拟计算提出如下简化假定：- 4 -- 5 -（1）假定喷雾在其分裂延迟期后瞬时气化，即将喷雾的充分发展段视为单相非等密度的气相射流。

（2）喷雾是准稳态的，其充分发展段的速度和浓度分布具有自模性即流动本身的相似性，该自模性可用阿勃拉莫维奇分布剖面予以描述。

（3）实际喷雾截面形状假定为轴对称的圆形截面。

燃烧室中的实际流场复杂多变，为了便于说明问题，在此采用刚性涡来描述燃烧室中的大尺度空气运动。

在如图5所示的坐标系中，以积分形式表示的基本方程组可表为[6]：燃料质量流率守恒方程 0=⋅⋅⋅∫∫A dA u c ds d ρ； (1) 喷雾总质量流率守恒方程ds m d dA u ds d A &=⋅⋅∫∫ρ； (2)喷雾轴线切向的动量平衡方程ds m d V dA u ds d t A &=⋅⋅∫∫2ρ； (3) 轴线法向动量平衡方程ds m d V V V C b dA ds d u n n n a D A &+⋅⋅⋅=⋅−∫∫ρθρ2，(4) 式中，u、ρ、c 分别为喷雾某断面上任一点处的速度、局部密度和燃料浓度；t V 、n V 分别为喷雾某断面上沿喷雾轴线切线(T)及法线(N)方向的涡流分速度；D C 为阻力系数；A 为喷雾某断面的面积；下脚注a 表空气。

利用紊流射流的自模性，即流动本身的相似性，使我们只需计算喷雾的轴心参数，便可得到喷雾内各处的流动参数及其发展边界。

距离喷雾轴线r 处的局 部速度u 、局部温度T 和局部燃料浓度c 可分别表为：()()t t m v G v u u +⋅−=η； (5)()ξF c c m ⋅= ； (6))()()(0ξF T T T T a f a =−−， （7）式中，m u 、m c 分别为喷雾某断面上的轴心速度和燃料浓度。

且有： u b r 5.0=η；c b r 5.0=ξ，式中，u b 5.0、c b 5.0分别为喷雾的半速宽和半浓度宽。

对于某一给定的浓度分布剖面F ，喷雾的局部密度ρ可用下式表示：图5 喷雾扩展示意图- 6 -()()[]βξρρ′−⋅⋅−=11F c m a ， (8) 式中：f a ρρβ=′；a ρ、f ρ分别为空气和燃料密度。

将式（5）、(6)、(8)代入式(1)～(4)，经变量代换及微分运算后，可以得到包含喷雾轴心速度、浓度、喷雾宽度和喷雾轴心线偏转角等未知数导数且相互耦合的一阶非线性常微分方程组。

通过编程和调用CVF6.5IMSL 库中求解常微分方程组的数值解法进行计算，即可求得任一瞬时或任一贯穿距离处喷雾特性参数的值。

3.2 计算与实验结果的对比图6(a)，(b)，(c)分别为实验序号1、2、3的喷雾贯穿距离与计算结果的比较。

由图可见，实验结果与计算结果吻合较好。

对于实验1，计算值比实验值稍大，究其原因，主要是在较高喷嘴开启压力和背压下，燃料的雾化效果最好，随着喷射时间的推移，LPG 喷雾蒸发气化所致的气液比增加，喷雾前锋稀薄的细小液滴场很难被普通高速摄影照片记录下来。