G. Colangelo, A. de Risi e D. Laforgia 1 ANALISI DELLA CAVITAZIONE NEI FORI DI POLVERIZZATORI MINISAC: INDAGINE SPERIMENTALE E NUMERICA Gianpiero Colangelo, Arturo de Risi e Domenico Laforgia Università degli Studi di Lecce Dipartimento di Ingegneria dell'Innovazione Via per Arnesano, 73100 Lecce - Italy ABSTRACT A numerical and an experimental investigation has been carried out to highlight the effects of the hole shape in the generation of the spray, in high pressure diesel nozzles for automotive applications. In particular the effect of the cylindrical and non-cylindrical hole geometry on spray characteristics has been investigated in order to understand the relationship between nozzles geometry and in nozzle flow features. The numerical investigation has been run with the CFD code Fluent 5.4 for different hole shapes (convergent conical, divergent conical and cylindrical) at different fuel injection pressures. The numerical results and data have been coupled with the experimental investigation to have a better insight of the on going phenomena. The experimental data were acquired by means of digital photographs of the spray produced by the different nozzles geometry. The investigated working conditions were pressure (between 40 MPa and 140 MPa) and 50 m needle lift. In the CFD simulations the pressure contours, the flux line, velocity vectors and the mass flow rate of the fuel inside the nozzle have been studied. SOMMARIO E’ stata eseguita un’indagine sperimentale e numerica per evidenziare gli effetti della forma del foro nella generazione dello spray, in polverizzatori diesel ad alta pressione per applicazioni automobilistiche. In particolare è stata investigato l’effetto della geometria cilindrica e non cilindrica del foro sulle caratteristiche dello spray allo scopo di capire la relazione tra la geometria dei polverizzatori e le caratteristiche del flusso nel polverizzatore. La ricerca numerica è stata condotta con il codice CFD Fluent 5.4 per diverse forme del foro (conico convergente, conico divergente e cilindrico) a diverse pressioni d’iniezione. I risultati ed i dati numerici sono stati messi in relazione con le indagini sperimentali per avere una migliore comprensione dei complessi fenomeni durante l’iniezione. I dati sperimentali sono stati acquisiti per mezzo di fotografie digitali dello spray prodotto da differenti geometrie del polverizzatore. Le condizioni di lavoro analizzate sono state pressione (variabile tra 40 MPa e 140 MPa) e alzata spillo di 50 m. Nelle simulazioni CFD sono stati studiati i contorni di pressione, le linee di flusso i vettori di velocità e la portata del combustibile all’interno del polverizzatore. 1. INTRODUZIONE La diffusione capillare dei sistemi di iniezione ad alta pressione per motori Diesel ad iniezione diretta nell’ultimo decennio ha incentivato la ricerca nell’ambito dei complessi fenomeni fluidodinamici localizzati all’interno degli iniettori. In particolar modo, i fenomeni legati alla cavitazione all’interno dei polverizzatori [1, 2, 6] hanno assunto particolare importanza per quanto concerne la generazione dello spray, fenomeno cruciale per ottenere una combustione efficiente e con basse emissioni di NO x e particolato. Al contrario di quanto accade in altre zone dell’iniettore, come per esempio nei fori di deflusso nella parte alta dell’iniettore, dove la cavitazione è spesso un fenomeno dannoso, che favorisce l’erosione delle parti meccaniche. All’interno degli ugelli, essa favorisce la polverizzazione del combustibile a tutto vantaggio delle prestazioni e delle emissioni, risultando pertanto un fenomeno da favorire [3, 5]. La cavitazione è strettamente legata sia alle elevate pressioni di esercizio dei nuovi sistemi d’iniezione (superiori ai 140 MPa) e sia alle geometrie dei polverizzatori. Per ottenere uno spray costituito da gocce sempre più piccole si va verso geometrie di polverizzatori multiforo (anche fino a undici fori) con diametri estremamente ridotti (dell’ordine di 100 m). Le ridotte sezioni di passaggio per il gasolio, le elevate pressioni d’iniezione congiuntamente con elevati angoli d’inclinazione dei fori sono le cause della formazione di bolle di cavitazione all’interno dei fori dell’iniettore. La cavitazione è un fenomeno fisico che si genera laddove la pressione della fase liquida scende al di sotto della pressione di vapore. La formazione delle bolle di vapore in seguito alla cavitazione può essere di tipo eterogeneo o omogeneo. Se la nucleazione delle bolle è favorita dalla presenza di microparticelle disperse nel fluido primario o causata dalla rugosità delle pareti del condotto che contiene il fluido si ha cavitazione eterogenea, altrimenti se essa è dovuta unicamente al verificarsi delle condizioni di nucleazione si ha