液氨喷射器喷嘴空化现象的热力学分析研究报告

作者及发表信息

本研究由Weilong Liu、Xiang Tan和Jianhui Zhao*（通讯作者）合作完成，作者单位均为哈尔滨工程大学动力与能源工程学院（School of Power and Energy Engineering, Harbin Engineering University）。论文发表于International Communications in Heat and Mass Transfer期刊，2025年第169卷，文章编号109657。

学术背景

研究领域与动机

本研究属于热力学与流体力学交叉领域，聚焦于液氨喷射器喷嘴内的空化现象（cavitation phenomenon）。随着全球对气候变化和能源短缺的关注，低碳/零碳替代燃料（如氨燃料）在发动机领域的应用备受瞩目。液氨因其高效的液态存储和运输特性，成为近零碳发动机燃料的重要候选。然而，液氨在高压喷射过程中，喷嘴内易发生空化现象，影响燃料雾化效率和发动机性能。

研究目标

本研究旨在：
1. 揭示液氨空化流动中热力学-动力学耦合驱动机制；
2. 量化摩擦生热（friction-induced heating）、相变冷却（phase-change cooling）和膨胀冷却（expansion cooling）对温度分布的贡献；
3. 分析不同入口压力（20 MPa、60 MPa、100 MPa）下热力学效应对空化发展的影响规律。

研究方法与流程

1. 数学模型构建

研究采用两种空化模型进行对比分析：
- 动态驱动模式（Dynamic Driven Mode）：基于等温假设，仅求解质量守恒方程和动量守恒方程，忽略能量方程。
- 热力学-动力学耦合驱动模式（Thermodynamic-Dynamic Driven Mode）：通过修正热物理属性（如饱和压力( p_v )随温度动态变化），耦合求解质量、动量和能量守恒方程。

2. 数值模拟方法

• 湍流模型：采用Realizable k-ε模型，适用于喷嘴内高雷诺数流动。
  
• 空化模型：基于气泡动力学Rayleigh-Plesset方程，选用Schnerr-Sauer模型，其蒸发率（( R_e )）和凝结率（( R_c )）公式如下：
  [ R_e = \frac{\rho_v \rho_l}{\rho_m} \alpha_v (1 - \alpha_v) \frac{3}{r_b} \sqrt{\frac{2}{3} \frac{p_v - p}{\rho_l}} \quad (p \leq p_v) ]
  [ R_c = \frac{\rho_v \rho_l}{\rho_m} \alpha_v (1 - \alpha_v) \frac{3}{r_b} \sqrt{\frac{2}{3} \frac{p - p_v}{\rho_l}} \quad (p > p_v) ]
  
• 热物理属性修正：通过NIST Refprop数据库获取液氨物性参数（密度、黏度、声速等），并采用多项式拟合公式嵌入ANSYS Fluent的UDF（User Defined Function）模块。
  

3. 模型验证

• Hord水翼实验验证：对比液氢绕流场温度与压力分布的模拟结果与实验数据，误差小于5%。
  
• Colson液氨喷射实验验证：在不同压差（0.1–0.6 MPa）下，模拟体积流量与实验数据误差控制在5%以内。
  

4. 研究对象与边界条件

• 喷嘴几何：商用喷射器的7孔对称喷嘴，单孔直径0.23 mm、长度1 mm。
  
• 边界条件：稳态模拟，针阀升程0.25 mm，出口压力2 MPa，温度300 K；入口压力分别为20 MPa、60 MPa、100 MPa。
  

主要研究结果

1. 空化模式的对比分析

• 入口压力20 MPa：
  
  • 热力学-动力学耦合模式下，空化体积比（( \sigma_{cav} )）从动态模式的43.67%增至56.45%，空化增强。
    
  • 原因：温度降低导致饱和压力( p_v )下降，但低压区扩大，压力效应主导空化促进。
    
• 入口压力60/100 MPa：
  
  • 耦合模式下空化被抑制，( \sigma_{cav} )分别从43.83%、41.18%降至0.664、0.414。
    
  • 原因：温度升高导致( p_v )上升，且低压区缩小，压力效应仍占主导。
    

2. 热力学行为对温度的影响

• 摩擦生热：高速流动中黏性耗散导致温度上升，尤其在高压（60/100 MPa）下成为主导因素。
  
• 相变冷却：液氨空化吸收汽化潜热，局部温度下降，在20 MPa时效果显著（最大温差2.36 K）。
  
• 膨胀冷却：高压燃料通过喷嘴时减压膨胀，分子运动减速导致温度降低。
  

3. 温度变化与空化机制的关联

• 低温（20 MPa）：相变冷却和膨胀冷却效应叠加，喷嘴整体温度下降，空化增强。
  
• 高温（60/100 MPa）：摩擦生热主导，喷嘴整体温度上升，空化抑制。
  

研究结论与价值

科学价值

1. 首次系统揭示了液氨空化流动中热力学-动力学耦合效应的差异化作用机制。
   
2. 提出了基于温度-压力协同演变的空化预测模型，为液氨喷射器设计提供理论支撑。
   

应用价值

1. 优化喷射参数：在低入口压力（如20 MPa）下需控制温度以避免空化过度发展；在高入口压力（如100 MPa）下可通过提高温度抑制空化。
   
2. 指导喷嘴设计：针对液氨热敏感性（thermosensitive）特性，需优化几何结构以平衡摩擦生热与相变冷却效应。
   

研究亮点

1. 创新模型：开发了液氨专用的热力学-动力学耦合空化模型，首次实现非等温条件下饱和压力的动态修正。
   
2. 多尺度验证：结合液氢水翼和液氨喷射实验数据，验证了模型的普适性。
   
3. 工程启示：明确了液氨与传统柴油空化机制的差异，为氨燃料发动机喷射系统设计提供新思路。
   

其他发现

• 溶解气体影响：文献[2,3]指出，液氨中溶解的非凝结性气体（如氮气）对空化贡献极小，空化气泡主要成分为氨蒸气。
  
• 几何敏感性：喷嘴入口锐边（sharp edges）会加速流动分离，加剧低压区形成（文献[1]），需在设计中优化。