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Numerical study on multi-scale unsteady cavitation flow within a scaling-up engine nozzle for methanol fuel

气泡 喷嘴 机械 空化 索特平均直径 物理 流体体积法 流量系数 液体气泡 动量(技术分析) 多相流 流量(数学) 联轴节(管道) 灵敏度(控制系统) 两相流 质量流量 强度(物理)
作者
Shengnan Zhang,Zhixia He,Chuqiao Wang,Wei Guan,Wei Huang,Linmin Li
出处
期刊:Physics of Fluids [American Institute of Physics]
卷期号:38 (3) 被引量:1
标识
DOI:10.1063/5.0313746
摘要

Cavitation inside fuel-injector nozzle governs injection accuracy, pressure oscillations, and subsequent atomization, yet its multi-scale dynamics remain difficult to predict—particularly for methanol. We develop an enhanced Euler–Lagrange multi-scale coupling framework that combines a volume-of-fluid (VOF) description of the continuous cavitating flow with a discrete bubble model (DBM) for Lagrangian microbubbles. The approach integrates a simplified Rayleigh–Plesset formulation for bubble dynamics and two-way momentum and mass coupling between phases. Applied to a scaled-up nozzle representative of engine injectors, the method is validated against experiments and a baseline VOF simulation. Across three injection pressures (0.40, 0.50, and 0.65 MPa), the flow exhibits quasi-periodic behavior: sheet cavitation growth, cloud-cavitation shedding, and subsequent collapse. With increasing injection pressure, cavitation intensity strengthens, the number of discrete bubbles rises markedly, and repeated collapses amplify mid-to-high-frequency pressure fluctuations, demonstrating the pivotal role of bubble dynamics in shaping the pressure spectrum. Relative to the standalone VOF model, the VOF–DBM framework improves volumetric-flow prediction, reducing errors by a factor of 2.3–3. Bubble statistics further show that the bubble number increases with increasing Pin and then approaches a constant level, while the Sauter mean diameter [SMD (D32)] remains nearly invariant at 19–23 μm, indicating weak sensitivity of bubble size to the operating condition. The present multi-scale methodology yields mechanistic insight into cavitation structure–bubble interactions and offers a robust, transferable numerical tool for optimizing nozzle design and methanol-based fuel-injection systems.

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