微型燃?xì)廨啓C(jī)噴嘴射流和霧化特性研究

崔運(yùn)靜，林其釗，仇性啟

（1.中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)熱科學(xué)和能源工程系，合肥230027；2.中國(guó)石油大學(xué)（華東）機(jī)電工程學(xué)院，山東 青島266580）

0 引 言

在燃用液體燃料的燃?xì)廨啓C(jī)中，燃料的噴射、霧化及與空氣的混合是整個(gè)燃燒過(guò)程的一個(gè)關(guān)鍵環(huán)節(jié)［1］。在燃燒系統(tǒng)中，噴霧過(guò)程分為兩部分：第一部分是研究動(dòng)力學(xué)的初次霧化過(guò)程和碰撞再聚合的二次霧化過(guò)程，第二部分是將燃料分散到氣體相中完成蒸發(fā)和燃燒的噴霧混合過(guò)程。良好的霧化混合是實(shí)現(xiàn)高效率燃燒的前提，對(duì)節(jié)能和減排具有重要意義。該研究主要針對(duì)第二部分過(guò)程展開研究。

研究者針對(duì)液體燃料噴嘴出口附近氣粒的混合流動(dòng)，開展了廣泛的研究。Doudou［2］，畢榮山［3］和Watanabe［4］等分別用實(shí)驗(yàn)和模擬的方法研究了噴霧湍流，考察了噴霧射流速度對(duì)氣?；旌系挠绊?，Watanabe等和汪鳳山［5］還考察了湍流混合對(duì)NOx排放的影響。Lee［6］，汪文輝［7］和楊陽(yáng)［8］等研究了旋流對(duì)湍流和燃燒的影響。Rutland［9］，Reddy［10］，Caraeni［11］，Patel［12］和Bilger［13］等分別對(duì)液體燃料的噴霧射流、湍流混合及燃燒反應(yīng)進(jìn)行了數(shù)值模擬，考慮了噴霧和湍流的相互作用，認(rèn)為噴霧過(guò)程對(duì)燃燒具有很大影響。那么，在空間相對(duì)狹小的微型燃?xì)廨啓C(jī)內(nèi)，霧滴與周圍氣體的迅速混合以及霧滴尺寸變得更加重要。

Lefebvre［14］實(shí)驗(yàn)總結(jié)出霧滴越細(xì)，液體燃料蒸發(fā)速率越高，燃燒效率越高。目前燃?xì)廨啓C(jī)所用液體燃料噴嘴大部分為氣液預(yù)混式，借助內(nèi)部氣動(dòng)力霧化燃料，容易造成燃燒的不穩(wěn)定，但所設(shè)計(jì)的微型燃?xì)廨啓C(jī)噴嘴液體燃料流量較小，適宜采用穩(wěn)定的外混霧化形式。關(guān)于燃?xì)廨啓C(jī)噴霧的部分研究列于表1中。

表1 燃?xì)廨啓C(jī)噴嘴霧化的文獻(xiàn)Table1 Reference of atomization of gas turbine nozzle

目前燃?xì)廨啓C(jī)學(xué)者都追求燃料在貧燃條件下燃燒以降低污染物排放，滿足環(huán)境排放要求［5，19－25］。因此，為了加強(qiáng)燃空混合并營(yíng)造反應(yīng)區(qū)的低氧貧燃氛圍，根據(jù)渦旋氣流能夠促進(jìn)霧化、卷吸更多煙氣和稀釋噴霧并降低反應(yīng)物中的氧濃度的思路，作者基于Danfoss油嘴設(shè)計(jì)了一種渦旋氣流輔助霧化的噴嘴，并采用激光測(cè)量手段研究自由射流噴嘴出口附近的冷態(tài)流動(dòng)情況以及噴嘴的霧化性能，分析出口處兩相流場(chǎng)的湍流混合情況，作為微型燃?xì)廨啓C(jī)內(nèi)熱態(tài)反應(yīng)物流場(chǎng)的參考，并指導(dǎo)燃燒空氣動(dòng)力場(chǎng)的設(shè)計(jì)，同時(shí)為小流量液體燃料噴嘴的設(shè)計(jì)提供參考。

1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)和實(shí)驗(yàn)方案

1.1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

噴霧測(cè)試系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)裝置如圖1所示，為方便測(cè)量，噴嘴（如圖2所示）垂直向下噴射，這里用水代替燃料考察噴嘴的霧化性能及射流混合情況。噴嘴流量采用累積方式測(cè)量。采用美國(guó)TSI公司的二維可適性激光相位多普勒測(cè)速儀APV／LDV（Adaptive Phase／Doppler Velocimetry）系統(tǒng)測(cè)量噴霧流動(dòng)情況和霧化性能。該系統(tǒng)利用運(yùn)動(dòng)微粒通過(guò)激光束的測(cè)量區(qū)時(shí)產(chǎn)生光散射信號(hào)，該信號(hào)包含多普勒頻移和相移信息，經(jīng)過(guò)專門數(shù)據(jù)處理以后就能精確獲得運(yùn)動(dòng)微粒的速度和粒徑等信息。測(cè)試時(shí)接收探頭采用前向60°接收光散射信號(hào)，兩個(gè)半圓形接收探頭（采用矩形光圈）之間夾角為6°，光路布局如圖3所示，測(cè)試中每個(gè)測(cè)點(diǎn)限時(shí)統(tǒng)計(jì)5000個(gè)有效數(shù)據(jù)進(jìn)行平均。

圖1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)示意圖Fig.1 Sketch of the experimental facilities

圖2 噴嘴結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 Sketch of the nozzle

圖3 噴霧照片F(xiàn)ig.3 Spray photo

1.2 實(shí)驗(yàn)方案

對(duì)Danfoss噴嘴進(jìn)行結(jié)構(gòu)改造，在外部增加渦旋氣流，考查渦旋氣流對(duì)噴孔附近液體和空氣的混合以及霧化的作用。噴孔為輕微右旋，外部渦旋氣流為左旋。由于噴嘴流量很小，因此實(shí)驗(yàn)中固定該流量，僅改變氣體參數(shù)，各組工況參數(shù)如表2所示。

表2 各組工況參數(shù)Table2 Parameters for each work conditions

從圖2中可以看出，液體噴孔出口平面高于整個(gè)噴嘴的下平面，故激光探頭無(wú)法測(cè)到距離噴孔7mm以內(nèi)的霧化信息，并且考慮到兩束綠光間的距離和夾角，因此將噴嘴出口作為坐標(biāo)原點(diǎn)，向下10mm作為第一個(gè)測(cè)量截面，對(duì)于每組工況共測(cè)量包括－10、－20、－50、－100、－150和－200mm 6個(gè)軸向截面上的兩條互相垂直的測(cè)量半徑的霧滴和速度統(tǒng)計(jì)信息，每條半徑上每隔2或3mm布置一個(gè)測(cè)量點(diǎn)，其中在每個(gè)軸向測(cè)量截面上沿x軸移動(dòng)坐標(biāo)架測(cè)量第一條半徑上各測(cè)量點(diǎn)的霧滴直徑及分布、軸向速度和切向速度信息，沿y軸移動(dòng)坐標(biāo)架測(cè)量第二條半徑上各測(cè)量點(diǎn)的軸向速度和徑向速度信息，這樣利用二維LDV系統(tǒng)可以了解軸對(duì)稱霧化場(chǎng)的三維速度規(guī)律。霧化角的測(cè)量通過(guò)拍照法測(cè)得。測(cè)試噴霧照片如圖3所示。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及討論

2.1 流動(dòng)特性

近噴孔處流體的湍流程度決定了燃料和空氣與周圍氣體的混合程度以及下游的燃燒狀況，故僅研究噴孔附近截面的流動(dòng)特性。

圖4中u′m為y軸上各截面所有測(cè)量點(diǎn)中霧滴軸向和徑向統(tǒng)計(jì)分量的最大合速度，u′＝，u為軸向分速度，v為徑向分速度。從圖中可以看出隨軸向距離的增大，合速度u′呈乘冪函數(shù)形式遞減，在噴嘴附近截面霧滴速度變化很大，在距離噴嘴較遠(yuǎn)的自由發(fā)展區(qū)變化漸緩。

圖5～7中速度和湍流度的軸向分量（第一象限）和切向分量（第三象限）為同一測(cè)量點(diǎn)的測(cè)量值，徑向分量（第二象限）為同一軸截面上另一條測(cè)量半徑y(tǒng)上的對(duì)應(yīng)測(cè)量點(diǎn)的信息，對(duì)該分量?jī)H作徑向分量的比較，不與軸向和切向分量作比較。為將多項(xiàng)數(shù)據(jù)顯示在同一圖的不同象限，圖5～7中第三象限的切向速度放大為真值的－2倍，徑向湍流度為真值的負(fù)值，并對(duì)軸心附近較低的湍流度進(jìn)行了局部放大。

圖4 x軸各截面最大軸切合速度u′max分布圖Fig.4 Maximumu′at different axial cross－sections at xdirection

圖5 －10mm截面速度分量和各向湍流度Fig.5 Velocity and turbulence components at z＝－10mm

圖6 －20mm截面速度分量和各向湍流度Fig.6 Velocity and turbulence components at z＝－20mm

圖7 －50mm截面速度分量和各向湍流度Fig.7 Velocity and turbulence components at z＝－50mm

從圖5～7各近噴嘴截面的速度圖中也可以看出：隨與噴孔軸向距離的增加，霧滴速度呈減小趨勢(shì)。增加外部渦旋氣流之后，霧滴各向分速度變化較大，無(wú)量綱徑向位置上的軸向分速度u由原來(lái)的準(zhǔn)均勻分布變?yōu)榘搿癢”型分布，切向分速度w近似鐘形分布，徑向分速度v較之前增大。隨氣體壓力或流量增大，w明顯增大。從實(shí)驗(yàn)照片（圖3）中可以看到霧錐中的霧滴旋流，根據(jù)霧滴和空氣行進(jìn)過(guò)程中存在動(dòng)量交換，可以推斷噴孔附近的氣體旋流更強(qiáng)，這樣在燃燒時(shí)空氣強(qiáng)旋流有助于卷吸周圍的高溫?zé)煔?，與之混合形成低氧氛圍，并促進(jìn)與燃料的混合。與工況x0相比，其它工況增加了渦旋空氣，內(nèi)外旋向相反，兩旋流相遇的界面湍流度比較大，速度比較低，故近噴孔處?kù)F錐內(nèi)部出現(xiàn)了一小回流區(qū)，利于燃料的熱量傳遞［26］。隨軸向距離的增加，回流區(qū)向外圍移動(dòng)并減弱。其中氣流出口面積最大的工況x1中回流區(qū)位于霧錐中心，且維持到－50mm以下逐漸消失。而工況x2至工況4的回流區(qū)的位置偏離中心，這與內(nèi)外旋流的不穩(wěn)定交界面的位置及氣體操作參數(shù)有關(guān)。

從圖5～7各截面的湍流度分布中可以看出，受噴射動(dòng)量的作用，－10mm截面的徑向和切向速度脈動(dòng)較小，隨著軸向距離的增大，各分量速度脈動(dòng)先增大后減小，脈動(dòng)區(qū)域變寬，這是霧滴和霧滴、霧滴和空氣不斷進(jìn)行動(dòng)量交換的結(jié)果。渦旋氣流的出現(xiàn)使噴孔附近的霧滴的軸向速度脈動(dòng)明顯增大，軸向湍流度較大的區(qū)域?qū)?yīng)于回流附近區(qū)域。隨氣體壓力或流量的增大，各分量湍流脈動(dòng)區(qū)域加寬，這與回流區(qū)加寬的現(xiàn)象一致。

另外，燃料噴孔比較小，實(shí)驗(yàn)時(shí)噴口雷諾數(shù)Re約為12700。米建春［27］在實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬研究中發(fā)現(xiàn)存在一個(gè)臨界初始動(dòng)量，高于此臨界動(dòng)量值時(shí)可以實(shí)現(xiàn)MILD燃燒，動(dòng)量和初始預(yù)混模式對(duì)燃燒反應(yīng)影響不大。初始射流動(dòng)量關(guān)系到整個(gè)燃燒的穩(wěn)定性和污染物排放。根據(jù)計(jì)算，該液體燃料噴嘴常溫噴水實(shí)驗(yàn)時(shí)的噴射初始動(dòng)量Jl＝0.132kg·m／s2＞0.097kg·m／s2（文獻(xiàn)［27］所述臨界值），除工況x1外，其他工況均有渦旋空氣的噴射動(dòng)量Ja?0.097kg·m／s2。

由上可見，加入外部渦旋氣流以后，噴孔附近霧滴的動(dòng)量增大，各向分速度均出現(xiàn)不同程度的增大；隨氣體壓力或流量增大，切向分速度明顯增大；渦旋氣流的出現(xiàn)使噴孔附近的霧滴的軸向速度脈動(dòng)明顯增大，軸向湍流度較大的區(qū)域?qū)?yīng)于回流附近區(qū)域。因此燃燒時(shí)利用渦旋氣流利于卷吸周圍的高溫?zé)煔?，混合形成低氧氛圍，并促進(jìn)與燃料的混合，故認(rèn)為該噴嘴具備形成低氧環(huán)境的動(dòng)力條件。

2.2 霧化粒度

（1）霧滴直徑

霧滴直徑?jīng)Q定了液滴蒸發(fā)燃燒的時(shí)間長(zhǎng)短，是評(píng)價(jià)噴嘴性能的重要指標(biāo)。液滴直徑越小則蒸發(fā)燃燒相對(duì)越快。這里用Sauter直徑（SMD，即D32）來(lái)表征霧滴尺寸，因?yàn)镾MD最能反映真實(shí)液霧的燃燒屬性。

圖8橫坐標(biāo)為各截面的無(wú)量綱半徑，R為所測(cè)截面的最大半徑。由圖可知，靠近噴嘴的每個(gè)截面上各工況之間霧錐中心霧滴粒度區(qū)別比較明顯，隨軸向距離的增加每個(gè)工況霧錐中心霧滴尺寸變化不大，隨氣壓增大平均霧滴尺寸減小，說(shuō)明在實(shí)驗(yàn)范圍內(nèi)較大的空氣剪切動(dòng)力利于將液膜破碎成更小的霧滴。增加渦旋氣流以后，空氣的夾帶卷吸使霧錐中心的霧滴變稀，霧滴發(fā)生碰撞再聚合的機(jī)會(huì)減少。另外，與工況x1相比，工況x2的渦流氣對(duì)整個(gè)霧錐的收斂作用明顯，因此回流區(qū)及外緣霧滴碰撞幾率增加，兩處的粒徑相對(duì)較大。

圖8 －10，－20，－50mm三截面上各工況的SMDFig.8 SMD on z＝－10，－20and－50mm for all work conditions

全部實(shí)驗(yàn)工況中所有霧滴直徑均低于60μm，所有霧滴的平均直徑低于50μm。根據(jù)靜止液滴壽命公式，即D2蒸發(fā)規(guī)律［28］，估算液滴壽命：

其中，tD為液滴壽命，kv為液滴的蒸發(fā)常數(shù)（參考正庚烷）。在這里平均霧滴直徑按50μm計(jì)算，估算液滴的平均壽命低于5ms，最大液滴的壽命也低于10ms，而有燃燒的情況下，液滴的壽命更短，能夠在微型燃?xì)廨啓C(jī)內(nèi)迅速燃盡。

（2）粒徑分布

霧滴的數(shù)量分布是了解霧滴密集程度的重要參數(shù)。圖9為各工況不同霧滴尺寸的微分?jǐn)?shù)量分布，可以看出各工況均為偏高斯分布，有的工況呈現(xiàn)雙?；蛘叨嗄B(tài)分布，基本符合Gauss公式：

其中，dQ為某尺寸霧滴的數(shù)量分布，SMD0為分布數(shù)量最多的霧滴直徑，dQ0、A、w和SMD0分別為高斯分布函數(shù)中的系數(shù)，在各工況中取值不同?？梢钥闯觯S空氣流量增大，小霧滴數(shù)目增加。其中工況x1和x4的數(shù)量分布最多的霧滴尺寸稍小于其他3種工況。工況x1無(wú)端蓋約束，霧滴尺寸最為集中。隨氣體流量和壓力升高，小尺寸霧滴所占比例增加，也說(shuō)明渦旋氣為噴霧剪切破碎提供了更大的能量。

液滴的體積通量可以作為噴霧蒸發(fā)和混合的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。圖10對(duì)工況0和工況2的霧滴體積流量分布進(jìn)行了比較，橫坐標(biāo)中R′為－100mm截面上的最大測(cè)量半徑。從圖9可以看出，隨著與噴孔距離的增加，工況x0（圖10（a））各截面的霧滴體積通量由中心逐漸向外圍擴(kuò)展，近似鐘形分布；而工況x2（圖10（b）），在噴孔附近的截面上霧滴體積通量最大的區(qū)域不在霧錐中心，而在無(wú)量綱半徑的中部，呈現(xiàn)雙峰分布，范圍較寬，霧滴體積流量最大值大約是同截面霧錐中心流量的7倍，故該處?kù)F滴直徑比較大。隨著與噴嘴軸向距離的增加，霧滴體積通量減小且在半徑上分布漸趨平緩。圖10（a）、（b）中均出現(xiàn)－10mm截面的體積通量小于－20mm截面值的情況，分析其原因?yàn)椋?0mm截面霧滴濃密，故APV在采集數(shù)據(jù)時(shí)遇到許多雙通道符合性不好的粒子，進(jìn)行統(tǒng)計(jì)計(jì)算的時(shí)候就把這些粒子剔除掉了，故使得該截面的體積通量較低。

圖9 各工況霧滴粒徑尺寸數(shù)量分布Fig.9 PDF of droplet size for all work conditions

圖10 工況x0和x2的霧滴體積流量分布Fig.10 Volume flux distribution of droplets for x0and x2

由以上分析可知，在所有實(shí)驗(yàn)工況中霧滴直徑均低于60μm，霧化粒度較細(xì)，尺寸分布為偏高斯分布，估算平均液滴壽命低于5ms，在高溫環(huán)境中液滴迅速蒸發(fā)燃燒，燃燼時(shí)間較短，能夠在300mm的行程內(nèi)完成潔凈燃燒，適合于微型燃?xì)廨啓C(jī)。

2.3 霧化角與霧錐半徑

霧化角的大小將影響燃料與空氣混合、燃燒性能、火焰形狀等，是燃燒室設(shè)計(jì)中的一個(gè)重要參數(shù)。由于實(shí)驗(yàn)中出現(xiàn)偏錐，所以對(duì)每個(gè)截面兩個(gè)垂直方向的霧錐直徑取平均值，根據(jù)不同霧錐直徑或半徑大小來(lái)考察霧錐與燃燒室尺寸的適配性。圖11是各工況在各測(cè)量截面上平均霧錐半徑的比較，可以看出氣壓較大的工況x3、x4在近噴孔處各截面的霧錐半徑最大，大于氣流出口截面積最大的工況x1，出口霧化角最高達(dá)150°，隨著軸向距離的增加，兩工況的霧錐半徑有所收縮，而此時(shí)工況x1霧錐半徑為最大。與氣流量和壓力相同的工況x1相比，工況x2出口截面積小得多，出口霧化角受到約束，因此各截面霧錐半徑均小于工況x1。

因此，增加外部的渦旋空氣后增大了出口霧化角，分散了霧滴，減少了初次霧化后霧滴的碰撞粘連，而且增加了對(duì)周圍氣體的卷吸摻混，有利于霧滴與周圍氣體的迅速混合。

3 結(jié) 論

利用激光測(cè)量技術(shù)對(duì)所改造的噴嘴進(jìn)行了冷態(tài)霧化實(shí)驗(yàn)，分析了出口附近的兩相混合流動(dòng)情況，并考察了噴嘴的霧化性能，得到以下結(jié)論：

（1）增加外部渦旋氣流后，噴孔附近霧滴的動(dòng)量增大；氣體壓力或流量越大，切向分速度增大明顯；近噴孔處?kù)F錐內(nèi)部出現(xiàn)較小回流區(qū)，對(duì)應(yīng)湍流度較大區(qū)域，隨軸向距離增加，回流區(qū)向外圍移動(dòng)并減弱，在燃燒時(shí)較大切向動(dòng)量及湍流度利于周圍空氣和煙氣的混合形成低氧環(huán)境并與霧滴迅速混合，進(jìn)行傳熱和傳質(zhì)；

（2）所有實(shí)驗(yàn)工況霧滴平均直徑低于50μm，且數(shù)量分布為偏高斯分布，適用于微型燃?xì)廨啓C(jī)；

（3）增加旋流空氣以后，霧滴的體積通量出現(xiàn)較大變化，較大通量位置沿徑向由霧錐中心移至霧錐中部，并呈雙峰分布；

（4）外部渦旋氣流增大了噴孔的出口霧化角，分散了霧滴，減少了內(nèi)部碰撞再聚合的機(jī)會(huì)，增加了對(duì)周圍氣體的卷吸摻混，利于氣液混合、霧化和傳熱、傳質(zhì)；

（5）增加渦旋氣流后近噴嘴處的霧滴直徑和速度關(guān)系擬合為SMD＝－1.6822μ／（ρu′）＋48.155。

本文為微型燃燒室內(nèi)燃燒空氣動(dòng)力場(chǎng)的設(shè)計(jì)提供了參考，是否能夠降低污染物排放需要進(jìn)一步的熱態(tài)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。

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