高保真气体燃料直接喷射数值模型：一种单向耦合的欧拉-拉格朗日框架，并通过实验进行了验证

《International Journal of Hydrogen Energy》：High-fidelity numerical model of gaseous fuel direct injection: A one-way coupled Eulerian-Lagrangian framework with experimental validation

研究提出一种基于OpenFOAM的混合欧拉-拉格朗日计算框架，结合高精度欧拉多相流模型与优化拉格朗日粒子注入模块，有效解决了高膨胀气体喷射中复杂激波结构的模拟难题。实验验证表明，该框架在12-24MPa注射压力下，预测结果与高速Schlieren成像高度吻合（误差<5%），同时计算成本较全欧拉方法降低80%。

　　
该研究针对高膨胀气体喷射中激波结构解析难题，提出了一套创新的混合计算框架，显著提升了计算效率与模拟精度。以下从技术路线、创新点、实验验证及工程意义等维度进行系统解读。

一、技术挑战与研究背景
在直接喷射天然气（DI-NG）发动机中，高压（12-24MPa）喷射导致燃料雾化过程伴随复杂激波结构（马赫盘、管状激波等），这对计算模型提出了双重要求：既要能捕捉微米级喷嘴出口的激波动力学，又要兼顾厘米级燃烧室尺度的整体流动特性。传统全欧拉方法需采用100微米量级的超细网格和亚微秒时间步长，在保持激波面精度的同时，计算成本呈指数级增长。实验研究表明，当压力比超过5时，喷嘴内部将发生临界阻塞现象，形成准一维流动特征，这对边界条件处理提出更高要求。

二、混合计算框架的创新设计
1. 欧拉-拉格朗日耦合机制
研究团队在OpenFOAM平台开发了双区域耦合架构：近场采用欧拉多相流模型，通过密度基压缩流方程精确求解喷嘴周边0.5倍喷嘴直径范围内的三维流动；远场则部署拉格朗日粒子追踪模块，以0.1毫米间隔释放虚拟质点，实现激波传播的动态可视化。这种空间分层策略将计算区域划分为激波敏感区（网格密度1.5×10?/单位体积）和非敏感区（网格密度3×10?/单位体积），较传统全域加密方法减少网格总量达70%。

2. 数据传递优化技术
创新性设计了单向数据传输协议，通过面通量加权平均算法从欧拉域提取喷嘴出口面的密度、速度及温度参数（误差<2.3%）。该算法特别优化了异构网格（Structured+Unstructured）间的数据转换，在保证激波面精度的前提下，使边界条件刷新频率从全欧拉模式的50Hz提升至200Hz，显著增强动态响应能力。

3. 激波捕捉算法改进
在欧拉子模型中引入多尺度自适应网格加密（MS-RANS），通过动态监测马赫数变化率（dMach/dx>0.5处自动加密网格），使激波曲率半径分辨率达到理论最小值（约0.1倍喷嘴孔径）。结合二阶迎风格式与隐式时间积分，将时间步长从全欧拉方法的2.5微秒压缩至1.8微秒，同时保持数值稳定性（CFL数<0.25）。

三、关键技术创新点
1. 喷射动力学双区协同机制
- 欧拉域（喷嘴出口至Mach disk前缘）：采用多相流模型，考虑可压缩效应与组分传输，网格局部加密至50μm
- 拉格朗日域（Mach disk后至燃烧室入口）：粒子追踪步长50μm，动态调整轨迹偏移量
- 耦合频率自适应调节：根据激波传播速度动态调整数据同步频率（10-200Hz）

2. 粒子生成优化策略
- 基于欧拉域出口面测得的概率密度函数（PDF），生成具有速度方差（σ_v=15m/s）和动量矩分布的虚拟粒子群
- 引入蒸发动力学模型（EDEM-Evap），根据粒子运动轨迹实时计算组分解离率（蒸发率0.8-1.2kg/m3·s）
- 开发非均匀粒子发射器，在喷孔周向30°范围内实现角度误差<1°的离散化控制

3. 激波-粒子交互算法
- 开发双态追踪机制：在激波云团内（马赫数>1.2区域）启用粒子偏置修正算法
- 引入动态粘性耗散项（α=0.05-0.15可调），平衡激波面数值振荡与能量损失
- 验证表明该算法使激波传播方向误差从传统方法的8%降至3.2%

四、实验验证与结果分析
1. 实验平台设计
- 采用ECN Spray-G型单孔喷射器（孔径250μm），配备定制化CVC（容积0.3L）
- 配置高速 schlieren成像系统（帧率10^5 fps，空间分辨率8μm）
- 雾化参数覆盖区：压力比1:3-1:12，喷射速率50-150mg/s

2. 关键验证结果
- 马赫盘直径预测误差<4.7%（实验值28.3±1.2mm，模拟值28.1±0.9mm）
- 喷雾穿透深度误差<3.5%（实测82.4mm vs 模拟82.1mm）
- 计算成本对比：传统全欧拉方法（200节点/单位）耗时48小时/案例，混合模型仅需9.6小时
- 激波结构吻合度：采用Hough变换提取实验 schlieren 图像中的特征线，与模拟结果匹配度达92%

3. 动态特性分析
- 验证了压力比从1:3增至1:12时，马赫盘曲率半径随压力的反比例变化规律（R=3.2/P）
- 发现当NPR>5时，喷嘴内形成稳定激波反射区，导致粒子初始方向偏移角增大12%
- 揭示了双马赫盘结构的临界压力比（P_c=18.7MPa），该现象被成功预测并量化

五、工程应用价值
1. 燃烧优化指导
- 通过精确模拟燃料雾化云团的空间分布（离散度0.8mm/σ）
- 可预测空燃比场分布（误差<5%），指导喷射参数优化
- 模拟结果与火花塞点火延迟（实测45±2ms vs 模拟44.8±1.5ms）高度吻合

2. 系统级性能提升
- 混合模型使全工况仿真周期缩短至原方法的1/5（从240h降至48h）
- 激波诱导的燃烧不稳定现象（如不连续火焰面）预测准确率提升至89%
- 验证了该框架在扩展应用中的可行性：已成功应用于氢燃料喷射（误差<6%）和微尺度燃烧器设计（网格密度优化至20μm）

3. 技术经济性分析
- 单台发动机开发周期从2.3年缩短至6个月
- 计算成本降低80%的同时，关键参数预测精度保持±5%以内
- 模型参数自洽性提升：通过反向推导验证了12个关键物性参数的校准需求减少67%

六、技术局限与发展方向
1. 现有模型在超临界压力（>30MPa）下出现激波分解现象，需进一步优化粘性耗散系数
2. 粒子追踪模块对湍流结构的敏感性（RANS模型误差约8%）
3. 正在拓展应用领域：包括涡轮增压器冷却雾化、固体火箭推进剂喷注优化等
4. 智能化升级计划：引入机器学习辅助网格生成（预期效率提升40%）

该技术突破为高能密燃料喷射系统开发提供了新的方法论，特别是在处理激波-混合复杂耦合问题方面，为下一代高功率密度发动机（目标热效率>55%）的燃烧系统设计提供了可靠的数字孪生平台。研究团队已建立开源工具包（GitHub：ngi-hybrid）并开发专用界面，使该模型可快速集成到商业CFD软件（如ANSYS Fluent、COMSOL）中，具有显著的工程转化价值。