特開 2022-109771 噴霧シミュレーション装置、噴霧シミュレーション方法、及び、噴霧シミュレーション用プログラム

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2022109771

(43)【公開日】2022-07-28

(54)【発明の名称】噴霧シミュレーション装置、噴霧シミュレーション方法、及び、噴霧シミュレーション用プログラム

(51)【国際特許分類】

   F02M 65/00 20060101AFI20220721BHJP

   B05B 12/00 20180101ALI20220721BHJP

【ＦＩ】

F02M65/00 306Z

B05B12/00 Z

【審査請求】未請求

【請求項の数】5

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2021005271

(22)【出願日】2021-01-15

(71)【出願人】

【識別番号】504132272

【氏名又は名称】国立大学法人京都大学

(74)【代理人】

【識別番号】100121441

【弁理士】

【氏名又は名称】西村 竜平

(74)【代理人】

【識別番号】100154704

【弁理士】

【氏名又は名称】齊藤 真大

(74)【代理人】

【識別番号】100129702

【弁理士】

【氏名又は名称】上村 喜永

(74)【代理人】

【識別番号】100206151

【弁理士】

【氏名又は名称】中村 惇志

(74)【代理人】

【識別番号】100218187

【弁理士】

【氏名又は名称】前田 治子

(72)【発明者】

【氏名】川那辺 洋

(72)【発明者】

【氏名】林 潤

【テーマコード（参考）】

4F035

【Ｆターム（参考）】

4F035AA04

4F035BB21

(57)【要約】

【課題】ノズル出口近傍に生じる微細な液滴の存在を予測することにより噴霧シミュレーションの精度を向上する。
【解決手段】液体を噴霧するノズルの噴霧シミュレーションを行う噴霧シミュレーション装置１００であって、ノズルのノズル出口における液体の速度勾配を取得する速度勾配取得部２と、液体の密度及び液体の表面張力を取得する物性値取得部３と、速度勾配と液体の密度及び表面張力とに基づいて、ノズル出口から噴霧される液滴の粒径を算出する液滴粒径算出部４と、算出された液滴の粒径に基づいて、ノズルの噴霧シミュレーションを行う噴霧シミュレーション部５とを備える。
【選択図】図２

【特許請求の範囲】

【請求項1】

液体を噴霧するノズルの噴霧シミュレーションを行う噴霧シミュレーション装置であって、
前記ノズルのノズル出口における前記液体の速度勾配を取得する速度勾配取得部と、
前記液体の密度及び前記液体の表面張力を取得する物性値取得部と、
前記速度勾配と前記液体の密度及び表面張力とに基づいて、前記ノズル出口から噴射される液滴の粒径を算出する液滴粒径算出部と、
算出された液滴の粒径に基づいて、前記ノズルの噴霧シミュレーションを行う噴霧シミュレーション部とを備える、噴霧シミュレーション装置。

【請求項2】

前記液滴粒径算出部は、以下の式に基づいて、前記ノズル出口から噴射される液滴の粒径を算出する、請求項１に記載の噴霧シミュレーション装置。

ここで、ｄは液滴の粒径であり、β_ｖは速度分布であり、ρは液体の密度であり、γは液体の表面張力である。なお、αは定数である。

【請求項3】

前記ノズル出口における前記液体のWeber数が２８．８以上である、請求項２に記載の噴霧シミュレーション装置。

【請求項4】

液体を噴霧するノズルの噴霧シミュレーションを行う噴霧シミュレーション方法であって、
前記ノズルのノズル出口における前記液体の速度勾配を取得し、
前記液体の密度及び前記液体の表面張力を取得し、
前記速度勾配データと前記液体の密度及び表面張力とに基づいて、前記ノズル出口から噴射される液滴の粒径を算出し、
算出された液滴の粒径に基づいて、前記ノズルの噴霧シミュレーションを行う、噴霧シミュレーション方法。

【請求項5】

液体を噴霧するノズルの噴霧シミュレーションを行う噴霧シミュレーション用プログラムであって、
前記ノズルのノズル出口における前記液体の速度勾配を取得する速度勾配取得部と、
前記液体の密度及び前記液体の表面張力を取得する物性値取得部と、
前記速度勾配データと前記液体の密度及び表面張力とに基づいて、前記ノズル出口から噴射される液滴の粒径を算出する液滴粒径算出部と、
算出された液滴の粒径に基づいて、前記ノズルの噴霧シミュレーションを行う噴霧シミュレーション部と、としての機能をコンピュータに備えさせる、噴霧シミュレーション用プログラム。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、噴霧シミュレーション装置、噴霧シミュレーション方法、及び、噴霧シミュレーション用プログラムに関するものである。

【背景技術】

【0002】

従来の噴霧シミュレーションでは、液体がノズルから噴出した後に、周辺流体との速度せん断に基づく不安定によって液滴に分裂するとして取り扱うもの、又は、ノズル内部流における乱流特性によって決まるとして取り扱うもの等が提案されている。

【0003】

ところが、上記の手法では、可視化実験などで観察されるようなノズル出口近傍に生じる微細な液滴の存在を予測できない。このため、これらの液滴については無視するか、又は、経験的に与えられる場合が多い。また、これらの微細な液滴の存在は、例えばエンジンにおける燃料噴霧であれば、その後の蒸発及び混合気形成過程に大きく影響を与えることが考えられる。

【0004】

ここで、特許文献１に示すように、ノズル部の噴孔から噴射される燃料の初期平均粒径を算出し、算出した初期平均粒径を用いて噴孔から噴射される燃料の粒度分布関数を作成するものが考えられている。

【0005】

しかしながら、初期平均粒径を用いて粒度分布関数を作成するものであっても、ノズル出口近傍に生じる微細な液滴の存在を正確に予測することは難しい。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0006】

【特許文献1】特開２００２－１６８１６３号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0007】

そこで本発明は、上記問題点を解決するためになされたものであり、ノズル出口近傍に生じる微細な液滴の存在を予測することにより噴霧シミュレーションの精度を向上することをその主たる課題としたものである。

【課題を解決するための手段】

【0008】

本発明は、ノズル出口近傍における液滴生成過程（いわゆる一次分裂過程）を新たなモデルにより記述することにより、噴霧シミュレーションの精度の大幅向上を図ることを目的としている。すなわち、本発明は、ノズル内部における流体の運動エネルギーの一部が液滴の表面自由エネルギーに転換するという考え方に基づき、初期液滴径を与える方法を提案するものである。ここでは、速度勾配を持つ液体流れが自由空間に放出された際に、瞬間的に液滴を形成すると仮定する。このとき、一般に質量及び運動量が保存すれば、運動エネルギーが小さくなる。そこで、本発明では、この失った運動エネルギーが形成された液滴の表面自由エネルギーになると考えてその液滴直径を求める。

【0009】

すなわち、本発明に係る噴霧シミュレーション装置は、液体を噴霧するノズルの噴霧シミュレーションを行う噴霧シミュレーション装置であって、前記ノズルのノズル出口における前記液体の速度勾配を取得する速度勾配取得部と、前記液体の密度及び前記液体の表面張力を取得する物性値取得部と、前記速度勾配と前記液体の密度及び表面張力とに基づいて、前記ノズル出口から噴射される液滴の粒径を算出する液滴粒径算出部と、算出された液滴の粒径に基づいて、前記ノズルの噴霧シミュレーションを行う噴霧シミュレーション部とを備えることを特徴とする。

【0010】

この噴霧シミュレーション装置によれば、速度勾配と液体の密度及び表面張力とに基づいて、ノズル出口から噴射される液滴の粒径を算出し、当該液滴の粒径に基づいて、ノズルの噴霧シミュレーションを行うので、ノズル出口近傍に生じる微細な液滴の存在を予測することができ、噴霧シミュレーションの精度を向上することができる。

【0011】

前記液滴粒径算出部の具体的な実施の態様としては、以下の式に基づいて、前記ノズル出口から噴射される液滴の粒径を算出することが考えられる。

ここで、ｄは液滴の粒径であり、β_ｖは速度分布であり、ρは液体の密度であり、γは液体の表面張力である。なお、αは定数である。また、上記式を用いる場合には、前記ノズル出口における前記液体のWeber数が２８．８以上であることが望ましい。

【0012】

また、本発明に係る噴霧シミュレーション方法は、液体を噴霧するノズルの噴霧シミュレーションを行う噴霧シミュレーション方法であって、前記ノズルのノズル出口における前記液体の速度勾配を取得し、前記液体の密度及び前記液体の表面張力を取得し、前記速度勾配と前記液体の密度及び表面張力とに基づいて、前記ノズル出口から噴射される液滴の粒径を算出し、算出された液滴の粒径に基づいて、前記ノズルの噴霧シミュレーションを行うことを特徴とする。

【0013】

さらに本発明に係る噴霧シミュレーション用プログラムは、液体を噴霧するノズルの噴霧シミュレーションを行う噴霧シミュレーション用プログラムであって、前記ノズルのノズル出口における前記液体の速度勾配を取得する速度勾配取得部と、前記液体の密度及び前記液体の表面張力を取得する物性値取得部と、前記速度勾配と前記液体の密度及び表面張力とに基づいて、前記ノズル出口から噴射される液滴の粒径を算出する液滴粒径算出部と、算出された液滴の粒径に基づいて、前記ノズルの噴霧シミュレーションを行う噴霧シミュレーション部と、としての機能をコンピュータに備えさせることを特徴とする。

【発明の効果】

【0014】

このように構成した本発明によれば、ノズル出口近傍に生じる微細な液滴の存在を予測することにより噴霧シミュレーションの精度を向上することができる。

【図面の簡単な説明】

【0015】

【図1】本発明の一実施形態に係る噴霧シミュレーション装置の機器構成図である。

【図2】同実施形態の噴霧シミュレーション装置の機能ブロック図である。

【図3】同実施形態の液滴生成過程の模式図である。

【図4】同実施形態の速度勾配β_ｖと液滴の粒径ｄとの関係を示すグラフである。

【図5】同実施形態の燃料の燃焼シミュレーションのフローチャートである。

【図6】（ａ）ノズル流計算に用いる格子を示す図、（ｂ）ノズル出口における速度分布、及び、（ｃ）ノズル出口における乱れ強度分布を示す図である。

【図7】噴霧上流部における発達過程の（ａ）本モデルのシミュレーション結果、（ｂ）可視化画像、（ｃ）従来モデルのシミュレーション結果である。

【図8】（ａ）可視化領域の概略図、（ｂ）ディーゼル噴霧燃焼過程の本モデルのシミュレーション結果、（ｃ）従来モデルのシミュレーション結果、（ｄ）直接撮影画像、及び、（ｅ）ＯＨ^＊自発光の撮影画像である。

【発明を実施するための形態】

【0016】

次に、本発明の一実施形態について図面を参照して説明する。なお、図１は本実施形態の噴霧シミュレーション装置１００の機器構成図であり、図２は噴霧シミュレーション装置１００の機能ブロック図である。

【0017】

＜装置構成＞
本実施形態に係る噴霧シミュレーション装置１００は、液体を噴霧するノズルの噴霧シミュレーションを行うものである。例えばこの噴霧シミュレーション装置１００により、ディーゼルエンジンに設けられる燃料噴射装置のノズルの噴霧シミュレーションを行うことができる。また、噴霧シミュレーション装置１００は、例えば２０ＭＰａ以上２５００ＭＰａ以下の圧力で例えば０．１ｍｍ程度の噴孔を有するノズルから噴射される液滴の噴霧をシミュレーションすることができる。

【0018】

具体的に噴霧シミュレーション装置１００は、図１に示すように、ＣＰＵ１０１に加えて揮発メモリやＨＤＤ等の記憶装置１０２を備え、さらにマウスやキーボード等の入力手段１０３、演算結果を出力するためのディスプレイやプリンタ等からなる出力手段１０５を接続するための入出力インターフェイス１０４等を有した汎用又は専用のコンピュータである。

【0019】

そして、所定のプログラムを記憶装置１０２にインストールし、そのプログラムに基づいてＣＰＵ１０１や周辺機器を協働させることにより、この噴霧シミュレーション装置１００は、図２の機能ブロック図に示すように、速度勾配取得部２、物性値取得部３、液滴粒径算出部４、噴霧シミュレーション部５、燃焼シミュレーション部６等としての機能を発揮する。

【0020】

以下、各部２～６について説明する。
速度勾配取得部２は、ノズル出口（噴孔）の各位置における液体の速度勾配を示す速度勾配データを取得するものである。ここで、速度勾配取得部２は、ノズルの形状に基づいてノズル内部における流体の流動を数値シミュレーションすることにより、ノズル出口における液体の速度勾配データを取得することが考えられる。その他、速度勾配取得部２は、外部のコンピュータ（例えば別のシミュレーション装置）又は別のアプリケーションソフトの数値シミュレーションにより得られた速度勾配データを取得するようにしてもよい。

【0021】

物性値取得部３は、ノズルに供給される液体の密度を示す密度データ及び表面張力を示す表面張力データを取得するものであり、ここでは、ユーザが入力手段１０３を用いて入力することが考えられる。その他、例えば燃料等の液体の種類毎に、それらの密度データ及び表面張力データをデータ格納部７に格納しておき、ユーザが液体の種類の選択指令を入力することにより、物性値取得部３がデータ格納部７から選択された液体の密度データ及び表面張力データを取得するように構成してもよい。

【0022】

液滴粒径算出部４は、速度勾配取得部２により取得された速度勾配データと物性値取得部３により取得された液体の密度データ及び表面張力データとに基づいて、ノズル出口から噴射される液滴の粒径を示す粒径データを算出するものである。

【0023】

具体的に液滴粒径算出部４は、以下の式１に基づいて、ノズル出口から噴射される各位置の液滴の粒径データ、つまり、ノズル出口における液滴の粒径分布データを算出する。なお、以下の式の根拠は後述する。

ここで、ｄは液滴の粒径であり、β_ｖは速度勾配であり、ρは液体の密度であり、γは液体の表面張力である。なお、α（０＜α≦１）は定数である。

【0024】

噴霧シミュレーション部５は、液滴粒径算出部４により算出された液滴の粒径データに基づいて、ノズルの噴霧シミュレーションを行うものである。この噴霧シミュレーションは、例えばRayleigh-Taylor不安定に基づく分裂機構などの既存のシミュレーション手法を用いることができる。また、噴霧シミュレーション部５により得られたノズルの噴霧シミュレーション結果は、ディスプレイ１０５に表示される。

【0025】

燃焼シミュレーション部６は、噴霧シミュレーション部５により得られた噴霧シミュレーション結果を用いて、燃料の燃焼シミュレーションを行うものである。この燃焼シミュレーションは、例えば渦消散燃焼モデルや特性時間燃焼モデルなどの既存のシミュレーション手法を用いることができる。また、燃焼シミュレーション部６により得られた燃料の燃焼シミュレーション結果は、ディスプレイ１０５に表示される。

【0026】

＜液滴粒径算出部４による液滴粒径の算出式について＞
ここでは、速度勾配を持つ液体が自然空間に放出された際に、瞬間的に液滴を形成すると仮定する。このとき、一般に質量及び運動量が保存すれば、運動エネルギーが小さくなる。そこで、この失った運動エネルギーのα（０＜α≦１）が、形成された液滴の表面エネルギーになると考えてその液滴直径を求める。

【0027】

図３に示すように、底面がｄ×ｄの液体の正方領域が、ｘ方向にβ_ｖ（＝ｄｖ／ｄｘ）の速度勾配を伴って、速度ｖ_Ｌで上方に移動しており、これが自由空間に放出された際に直径ｄの液滴となって速度ｖ_Ｄで飛行すると考える。この際、Δｔにおいて放出される液体の体積Ｖ_Ｌと液滴体積Ｖ_Ｄは一致するので、

Ｖ_Ｌ＝Ｖ_Ｄより、

【0028】

一方、運動量も保存すると考えると、噴射される液体の運動量Ｍ_Ｌは、

液滴の運動量Ｍ_Ｄは、

Ｍ_Ｌ＝Ｍ_Ｄであるから、

すなわち、液滴の飛行速度ｖ_Ｄは液体の流出速度ｖ_Ｌよりもやや小さくなることがわかる。

【0029】

これら液体の運動エネルギーと液滴の運動エネルギーとの差を求める。まず、液体の運動エネルギーＥ_Ｌは、

液滴の運動エネルギーＥ_Ｄは、

これらの差を求めると、

一般にこの右辺第１項に比べて第２項は十分に小さいと考えられるので、

この失われた運動エネルギーのうちα分が表面自由エネルギーになる。

【0030】

まず液滴の表面自由エネルギーＷ_Ｓは、液体の表面張力γを用いて、

すなわち

となり、流体の密度ρ、表面張力γが物性値として決まると、速度勾配β_ｖに対して、液滴直径ｄが一意に求まる。

【0031】

これら流体の物性値にｎ－Ｈｅｘａｄｅｃａｎｅ（密度ρ＝０．７７ｇ/ｍＬ、表面張力γ＝２７．６ｍＮ／ｍ）の値を用いるとともに、αを１として、速度勾配β_ｖに対する液滴粒径ｄを求めた結果は図４であり、速度勾配β_ｖが大きいほど液滴直径ｄは小さくなる。また、ノズル出口の速度勾配β_ｖを考慮すると、液滴直径ｄはおおよそ１μｍ～数十μｍ程度であることがわかる。なお、図４において、縦軸が液滴粒径であり、横軸が速度勾配である。

【0032】

ここで、本モデルの適用範囲について、求まる液滴直径ｄがノズル直径ｄ_０以下の時に有効であると考える。生じる液滴直径ｄがｄ_０に等しい場合の臨界速度勾配をβ_ｖｃとすると、

となる。ここで、代表速度をノズル出口流速ｕ_０、代表長さをノズル直径ｄ_０とするとβ_ｖｃ＝ｕ_０／ｄ_０となり、これを上式に代入すると、ノズル出口におけるこの流体のWeber数Ｗｅ_０は以下のように表すことができる。

すなわち、ノズル出口における液体のWeber数が２８．８以上の場合に本モデルは有効であると考えられる。

【0033】

＜噴霧シミュレーション装置を用いた燃料の燃焼シミュレーションの手順＞
次に、本実施形態の噴霧シミュレーション装置１００を用いた燃料の燃焼シミュレーションの手順について、図５を参照して簡単に説明する。

【0034】

まず、速度勾配取得部２が、ノズルの形状に基づいてノズル内部流動の数値シミュレーションを実施することにより、ノズル出口における速度勾配データを取得する（ステップＳ１）。また、物性値取得部３が、燃料の密度データ及び表面張力データを取得する（ステップＳ２）。なお、ステップ１とステップ２とはどちらが先であってもよい。

【0035】

次に、液滴粒径算出部４は、取得された速度勾配データと燃料の密度データ及び表面張力データとから、上記の（式１）に基づいて、ノズル出口から噴射される液滴の粒径データを算出する（ステップＳ３）。

【0036】

そして、噴霧シミュレーション部５が、液滴の粒径データに基づいて、ノズルの噴霧シミュレーションを行い（ステップＳ４）、燃焼シミュレーション部６が、噴霧シミュレーション結果を用いて、燃料の燃焼シミュレーションを行う（ステップＳ５）。

【0037】

＜噴霧形成及びディーゼル燃焼過程への適用例＞
上記のモデルを実際のディーゼル噴霧条件に適用してシミュレーションを実施し、同条件の可視化結果と比較した。
まず、実験については常温中に置かれた容器中にインジェクションノズルよりノズル径０．１２３ｍｍ、噴射圧力２００ＭＰａで噴射された軽油の噴霧発達過程を高速度で可視化した。容器中は実際のディーゼルエンジンに近い密度とするために二酸化炭素を１ＭＰａで封入した。

【0038】

噴霧発達過程のシミュレーションを実施する前に、本モデルを用いるためにはノズル出口における速度勾配が必要となる。そこで、本インジェクションノズルの形状に基づきノズル内部流動の数値シミュレーションを実施する。図６（ａ）は、ノズル流計算に用いた格子であり、７噴孔のインジェクタの１噴孔についてセクターモデルで計算する。図６（ｂ）は、噴射開始より１４０μｓ後におけるインジェクションノズルにおける速度分布であり、図６（ｃ）は、その時の乱れ強度分布である。初期液滴径は、速度分布から求まる速度勾配を用いて、図４の結果に基づき求める。

【0039】

図７（ａ）は、本モデルを用いて計算した結果の一例であり、インジェクションノズルより燃料は液滴として噴射されるとともに、噴霧周辺部ではノズル内部の速度勾配が大きいために比較的小さな液滴が分布していることが分かる。これは実験により観察される様子（図７（ｂ）参照）に類似しており、噴霧角が実験結果に比べてやや小さいものの、周辺には小さな液滴が分布する様子などが再現できることが分かる。

【0040】

一方、従来モデルにより計算された結果を図７（ｃ）に示しているが、この場合はノズル出口直後では比較的大きな液滴だけが与えられている。このような噴霧境界における小さな液滴の存在は、その後の燃料過程に大きな影響を与えると考えられる。なお、従来モデルは、インジェクションノズルからノズル径と同じサイズの液滴を射出し、その後、いわゆるKelvin-Helmholtz不安定及びRayleigh-Taylor不安定により小液滴に分裂するものとして取り扱って計算を実施したものである。

【0041】

次に、本モデルを用いてディーゼル燃焼について計算した結果を、可視化画像を比較した。ここで、可視化に用いたのは急速圧縮膨張装置を用いてヘッド側より噴霧３本分について可視化したものであり、図８（ａ）に示すような領域について高速度カラーカメラにより直接撮影したものと、燃焼による高温部に対応するＯＨ^＊の自然光を撮影した。なお、噴霧角度は３０°の場合について検討した。

【0042】

図８（ｂ）に本モデルを用いて計算した結果、図８（ｃ）に従来モデルを用いて計算した結果を示している。また、図８（ｄ）は、高速度カラーカメラにより直接撮影した画像であり、図８（ｅ）は、ＯＨ^＊の自然光を撮影した画像である。これによると、本モデルを用いて計算した場合（図８（ｂ））には、インジェクションノズルから噴霧外縁部に生じた高温部の最も上流となる位置までの距離、いわゆる“リフトオフ長さ”が実験に近い値として計算されていることが分かる。これは、従来モデルを用いて計算した場合（図８（ｃ））では、十分に予測できなかった。

【0043】

＜本実施形態の効果＞
このように構成した噴霧シミュレーション装置１００によれば、速度勾配データと液体の密度データ及び表面張力データとに基づいて、ノズル出口から噴射される液滴の粒径データを算出し、当該液滴の粒径データに基づいて、ノズルの噴霧シミュレーションを行うので、ノズル出口近傍に生じる微細な液滴の存在を予測することができ、噴霧シミュレーションの精度を向上することができる。

【0044】

＜本発明の変形実施形態＞
なお、本発明は前記実施形態に限られるものではない。

【0045】

例えば、前記実施形態では燃焼シミュレーションも併せて行う構成であったが、燃焼シミュレーションを行うことなく噴霧シミュレーションまでを行うものであってもよい。

【0046】

また、本発明の噴霧シミュレーション装置は、ディーゼルエンジンに設けられる燃料噴射装置のノズルの噴霧シミュレーションを行う他に、種々のノズルから噴射される噴霧をシミュレーションすることができる。

【0047】

その他、本発明は前記実施形態に限られず、その趣旨を逸脱しない範囲で種々の変形が可能であるのは言うまでもない。

【符号の説明】

【0048】

１００・・・噴霧シミュレーション装置
２ ・・・速度勾配取得部
３ ・・・物性値取得部
４ ・・・液滴粒径算出部
５ ・・・噴霧シミュレーション部

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】