学术研究报告：高压喷射条件下液氨在喷嘴内的空化流动特性模拟研究

一、研究团队与发表信息
本研究由哈尔滨工程大学（Harbin Engineering University）动力与能源工程学院的Zhiqing Yu、Lixuan Wu、Vladimir Markov、上海交通大学（Shanghai Jiao Tong University）动力机械与工程教育部重点实验室的Dong Han，以及哈尔滨工程大学的Jianhui Zhao（通讯作者）共同完成。研究成果发表于《International Journal of Engine Research》期刊，于2024年9月17日被接受，论文标题为《Simulation study on the cavitation flow characteristics of liquid ammonia in the nozzle under high-pressure injection conditions》。

二、学术背景与研究目标
1. 科学领域与背景
随着温室效应加剧和排放法规日益严格，零碳燃料（如氨）成为内燃机技术转型的重要方向。氨燃烧仅生成水和氮气，具有显著的减碳潜力。然而，液氨在发动机中的应用面临技术挑战，尤其是喷射器设计和喷雾特性问题。高压喷射过程中，液氨的空化（cavitation）和闪蒸沸腾（flashing boiling）行为可能显著影响其燃烧过程。

1. 研究动机与目标
   液氨的饱和蒸气压（saturation vapor pressure）远高于传统碳氢燃料（如柴油），导致其在喷嘴内更易发生空化。现有研究对液氨与柴油的空化流动差异缺乏深入理解。本研究旨在建立液氨空化流动的数值模型，分析其与柴油在喷嘴内的空化分布差异，为液氨喷射器设计提供理论支持。
   

三、研究流程与方法
1. 数值模型建立与验证
- 湍流模型选择：采用可实现k-ε（realizable k-ε）湍流模型，该模型基于雷诺平均Navier-Stokes（RANS）方法，适用于模拟喷嘴内的高应变率流动。
- 空化模型选择：采用Schnerr-Sauer（S-S）模型，该模型基于Rayleigh-Plesset方程描述气泡生长与溃灭过程，并通过气泡数量密度关联气相体积分数。
- 物性参数拟合：通过Refprop软件获取液氨在240–400 K和0.1–200 MPa范围内的密度、黏度和饱和蒸气压数据，并拟合为多项式方程（如式10–12）。柴油物性参数则引用文献数据（式13–15）。

1. 几何模型与仿真设置

   • 喷嘴结构：基于Bosch共轨喷射器（common rail injector）的7孔喷嘴，选取1/7流域进行模拟。喷嘴直径0.23 mm，长度0.95 mm，入口角75°。
     
   • 网格划分与验证：使用ANSYS ICEM生成六面体结构化网格，对喷嘴区域加密。通过网格独立性验证，最终选择200万网格的模型。
     
   • 边界条件：模拟四种喷射压力（10、20、60、120 MPa），出口压力固定为0.1 MPa，初始温度300 K。
     

2. 模型验证
   通过对比Colson等文献中的实验数据，验证液氨空化模型的准确性。模拟结果与实验数据的出口流量误差小于5%，表明模型可靠性。柴油空化流程的验证则引用团队前期研究（参考文献39–41）。

四、主要研究结果
1. 空化分布差异
- 液氨：空化区域在喷嘴上下壁面分布不均，上壁面空化程度显著高于柴油。随着喷射压力升高，液氨的气相体积分数（vapor volume fraction）呈线性增长（120 MPa时达26.5%），且高温区（壁面升温>20 K）加速空化效应。
- 柴油：气相体积分数初期快速增长后趋于平缓（120 MPa时为21.2%），高空化区集中于下壁面，且黏性摩擦导致温度升高更显著，但对饱和蒸气压影响较小。

1. 流动特性与机制

   • 压力与温度耦合效应：液氨因低黏度在喷嘴内流速更高（120 MPa时比柴油快70 m/s），但惯性较低导致射流轨迹更平直。柴油的高密度使其射流冲击上壁面形成高压区，抑制上壁面空化发展。
     
   • 涡流结构：液氨在喷嘴入口处的涡量（vorticity）更高，边界层分离更剧烈，导致空化区易脱离壁面；柴油的空化区则紧贴壁面发展。
     

2. 流量系数（flow coefficient）差异
   液氨的流量系数普遍低于柴油（10 MPa时为0.606 vs. 0.619），主因是其更高的气相体积分数阻塞了喷嘴有效流通面积。

五、研究结论与价值
1. 科学价值
- 揭示了液氨与柴油在空化机制上的本质差异：液氨因高饱和蒸气压和低黏度，空化更易发生且分布更广。
- 提出了液氨空化对喷嘴设计的特殊要求，如需优化几何结构以减少气相阻塞效应。

1. 应用价值
   
   • 为液氨喷射器的专用设计提供理论依据，避免直接沿用柴油喷嘴导致的效率下降问题。
     
   • 通过控制喷射压力与壁面温度，可调节液氨空化强度，优化发动机燃烧效率。
     

六、研究亮点
1. 创新性方法
- 首次建立了考虑液氨相变特性的非等温可压缩空化模型，并验证其精度。
- 通过多参数耦合分析（压力-温度-涡量），阐明了空化分布的物理机制。

1. 重要发现
   
   • 液氨在高压下的温度敏感性（壁面升温>20 K）会显著加剧空化，而柴油的温度效应较弱。
     
   • 喷嘴几何形状（如入口锐角）对液氨空化的影响比柴油更显著。
     

七、其他价值
研究还指出，未来需进一步探索液氨在复杂边界条件（如变壁温）下的流动特性，并耦合拉格朗日喷雾模型（Lagrangian spray）以分析空化对喷雾行为的影响。