兩相摻混技術(shù)及其在燃氣輪機中的應(yīng)用

王文杰

（海軍裝備部，陜西 西安 710021）

兩相摻混技術(shù)及其在燃氣輪機中的應(yīng)用

王文杰

（海軍裝備部，陜西 西安 710021）

多相流是研究不同相態(tài)或不同組分的物質(zhì)同時存在并具有明確分界面時的流體流動及其熱、質(zhì)傳輸過程規(guī)律的科學(xué)，兩相摻混是多相流形成的起始階段，其研究尤為重要。重點研究了兩相摻混技術(shù)中的氣氣摻混、氣液摻混兩個方面，提出了摻混機理，分析了摻混過程，并對其在燃氣輪機裝備中的應(yīng)用進行了初步探討。

多相流；兩相摻混；燃氣輪機

為適應(yīng)海洋權(quán)益維護和海外利益拓展需求，要繼續(xù)加強海軍新一代武器裝備的研發(fā)，而先進武器裝備的研發(fā)越來越依賴于基礎(chǔ)理論研究的發(fā)展，多相流領(lǐng)域內(nèi)的兩相摻混技術(shù)就是其中之一。

多相流熱物理是研究不同相態(tài)或不同組分的物質(zhì)同時存在，并具有明確分界面時的流體流動及其熱、質(zhì)傳輸過程規(guī)律的學(xué)科。在自然界的許多工業(yè)過程中,兩相或多相物質(zhì)混合流動是最常見和必須處理的現(xiàn)象或問題,通常把兩種或兩種以上不同相的流體混合在一起的流動稱為多相流。比較常見的是氣(汽)液、氣固、固液兩相流還有兩相以上的流動,如氣液固三相流、油氣水三相流,甚至油氣水砂四相同時存在的流動。半個世紀(jì)以來，多相流機理的研究和技術(shù)的開發(fā)日新月異,已形成一門新興的學(xué)科。

兩相和多相流動的流型和變化規(guī)律已得到較深入的研究，而兩相摻混作為多相流形成的起始階段，其機理研究國內(nèi)外報道還很有限。兩相摻混就形式而言，主要有氣氣摻混、氣液摻混和液液摻混。在燃氣輪機研發(fā)過程中，對橫流兩相摻混技術(shù)需求尤為迫切，下面主要探討橫流氣氣摻混和氣液摻混。

1 兩相摻混技術(shù)研究

在高溫高壓摻混室內(nèi)，兩相摻混過程非常復(fù)雜，在這一過程中所涉及到的宏觀現(xiàn)象主要有：橫流影響下的旋流式噴嘴的霧化、液滴群的擴散、高溫燃氣與液滴相互作用、液滴與壁面撞擊過程等。具體微觀物理過程則有：液滴間的相互碰撞、破碎、聚并；液滴與壁面撞擊發(fā)生粘壁、反彈、飛濺等；高溫及湍流下液滴與氣流的傳熱傳質(zhì)過程（液滴蒸發(fā)），霧化液滴對周圍卷吸氣流的相互作用，氣體輻射等。

1.1 氣氣摻混過程

作為摻混工質(zhì)的氣體射流，其形式多為直噴式射流。分析摻混流場中出現(xiàn)的旋渦結(jié)構(gòu)是研究摻混過程的一個重要方面。氣氣摻混流場中大尺度旋渦結(jié)構(gòu)是影響摻混的主要因素，主要種類有反旋渦對（Counter-rotating vortex pair，CVP）、馬蹄渦（Horseshoe vortex）、剪切層渦（Shear layer vortex）和尾跡渦（Wake vortex），不同渦結(jié)構(gòu)分布如圖1所示。

圖1 氣體射流在橫流中形成的渦結(jié)構(gòu)

CVP渦存在于射流主體，起源于射流出口附近，尺寸結(jié)構(gòu)較大，基本占據(jù)整個射流截面。摻混過程中，不穩(wěn)定的擾動作用使得CVP左右不對稱，并很快發(fā)生破碎。由于射流與橫流間速度方向差異，射流表面發(fā)生Kelvin-Helmholtz失穩(wěn)，從而導(dǎo)致剪切層渦的出現(xiàn)，剪切層向CVP輸運部分渦量。馬蹄形渦是由于層流（壁面）邊界層與橫向射流相互作用而產(chǎn)生，是穩(wěn)定的、振蕩的，其位于射流出口的上游壁面附近，呈環(huán)繞射流結(jié)構(gòu)，與尾跡渦相連。尾跡渦出現(xiàn)的原因有：橫流靠近射流噴口壁面粘性層的不穩(wěn)定性；射流邊界層中旋渦對流、旋轉(zhuǎn)、拉伸和擴散等。

1.2 氣液摻混過程

與氣氣摻混過程相比，氣液摻混是把氣相射流中的氣相工質(zhì)變?yōu)橐合啵ㄍǔ樗蛞后w燃料油）工質(zhì)。借助橫流的作用，射流在橫流中進行霧化并與橫流完成摻混過程。氣液摻混為兩相流摻混過程，主要涉及射流的霧化，霧化液滴與橫流的相互作用等復(fù)雜過程。

（1）直噴式射流

隨著火箭、超音速沖壓噴氣發(fā)動機、汽輪機等技術(shù)的發(fā)展，促進了對亞音速和超音速橫流中射流破碎和霧化液滴擴散等研究。直噴式射流-橫流摻混過程中，在橫流的作用下，液柱首先經(jīng)歷表面破碎（Surface breakup）和柱狀破碎（Column breakup），最終破碎成韌帶形液片（Ligament）和液滴，在遠射流區(qū)，霧化的液滴群在橫流攜帶下運動。橫流中射流的破碎過程示意圖如2所示。

圖2 直噴式射流液柱破碎霧化過程示意圖

圖3 射流破碎過程典型參數(shù)

液柱破碎過程以及破碎形成的液滴的運動特征、射流（液柱）貫穿深度和射流結(jié)構(gòu)等是直噴式射流-橫流摻混過程中十分有趣的研究方面，描述射流破碎過程的典型參數(shù)表征含義如圖3所示。在直噴式射流-橫流摻混過程的研究中，射流貫穿深度是評價射流狀態(tài)的一個重要概念，表征了射流在橫流中的貫穿能力。影響射流貫穿深度的因素主要有液氣動量比，射流入射角度，射流與橫流粘度等。關(guān)于射流橫流摻混流場的旋渦結(jié)構(gòu)研究的相對較少。與氣氣射流相類似，液體射流過程中也存在CVP結(jié)構(gòu)（見圖4），CVP形成于射流內(nèi)部，橫截面結(jié)構(gòu)呈腎形。

（2）空氣輔助射流霧化

在射流系統(tǒng)中引入另一種流體，在兩股流體的剪切力作用下以達到更好霧化效果，稱之為雙流體霧化射流。雙流體射流主要包括共軸氣液射流（Air-assistatomizer）和鼓風(fēng)吹氣霧化（Airblastatomizer）。兩種噴霧形式的不同在于：前者是采用高壓低流量空氣進行輔助霧化，后者是則是需要低壓大流量空氣輔助霧化。在這里我們把兩種噴霧形式統(tǒng)稱為空氣輔助霧化射流，示意圖見圖5。對空氣輔助式射流研究方法主要采用實驗手段，常用的測量儀器主要有高速和高分辨率的相機、PDI、PLIF等。由于這種霧化形式需要多余的空氣進行輔助，所以限制了其應(yīng)用。

圖4 射流橫流摻混流場結(jié)構(gòu)

（3）扇形噴霧

對橫流中噴霧研究較多的另一種噴霧形式是扇形噴霧。扇形噴嘴初始霧化液膜呈扇形，之后扇形液膜破碎成小液滴。研究風(fēng)洞中扇形噴霧與橫流的相互作用，分析不同橫流速度對噴霧貫穿深度和液滴特性（液滴的尺寸和速度分布），發(fā)現(xiàn)不同橫流速度下液滴尺寸與速度分布特性是不同的。研究橫流與扇形噴霧相互作用下誘導(dǎo)產(chǎn)生的卷吸氣流和液滴分布與速度特性，分析霧化角對射流的影響，并根據(jù)不同射流與橫流速度下卷吸氣流和霧化液滴速度的不同對液滴分布進行了分區(qū)，如圖6所示。

圖6 橫流中噴霧射流的流動分區(qū)示意圖

2 兩相摻混技術(shù)在燃氣輪機中的應(yīng)用

燃氣輪機是一種將熱能轉(zhuǎn)換成機械能的設(shè)備，它的全稱叫燃氣渦輪發(fā)動機。燃氣輪機分為地面(含船用)燃氣輪機和航空渦輪發(fā)動機，通常航空渦輪發(fā)動機不帶動力渦輪，發(fā)動機噴出高速氣流，對發(fā)動機產(chǎn)生推力，使飛行器向前飛行。燃氣輪機問世半個多世紀(jì)，經(jīng)幾代人精心培育，技術(shù)日趨完善，得到了廣泛應(yīng)用，并達到高度發(fā)展的境地。作為一種旋轉(zhuǎn)型內(nèi)燃機械，燃氣輪機具有效率高、重量輕、振動小、結(jié)構(gòu)緊湊，以及機動靈活等一系列優(yōu)點而廣為人們重視。

燃氣輪機中運用兩相摻混技術(shù)較為廣泛，如燃燒室噴油和摻混冷卻、渦輪葉片氣膜冷卻、渦輪部件空氣冷卻、高壓壓氣機前噴水、油氣分離器等，下面重點探討燃燒室和渦輪葉片。

2.1 燃燒室中的兩相摻混技術(shù)

燃燒室是將壓氣機出來的高壓氣體與燃料混和并進行燃燒的裝置，由擴壓器、燃油噴嘴、旋流器、火焰筒和燃燒室外殼等組成，如圖7所示。火焰筒頭部裝有燃油噴嘴和火焰穩(wěn)定裝置，使空氣流速進一步降低并形成回流區(qū)，以保持火焰的穩(wěn)定。由壓氣機出來的高壓空氣在火焰筒頭部分為兩部分，一部分（約占總空氣量的25%）進入火焰筒頭部及其小孔，與燃油混和燃燒。另一部分空氣用于冷卻火焰筒，并從火焰筒的摻混孔和氣膜孔進入火焰筒，與燃燒后的高溫氣流摻混，降低燃氣溫度并使燃燒室出口溫度場均勻，然后流入渦輪。

圖7 燃燒室

2.2 渦輪葉片中的兩相摻混技術(shù)

渦輪葉片的冷卻，由于燃燒室出口氣流溫很高，往往超出了葉片材料的承受能力，一般從壓氣機出口引一股冷空氣來冷卻葉片，較常采用冷卻方法氣膜冷卻。在葉片上打上無數(shù)小孔，從葉片內(nèi)腔向外噴出無數(shù)小股冷氣在葉片外表面形成氣膜，隔離熱源并帶走熱量，同一個人穿上棉衣防寒的原理相同。通過小孔流出的冷空氣如何與高溫高壓燃氣摻混形成穩(wěn)定的氣膜，需要對氣膜孔直徑和角度、冷卻氣流壓力、速度進行研究和試驗，以達到理想效果。如圖8所示，現(xiàn)在先進的發(fā)動機渦輪葉片冷卻非常復(fù)雜，冷卻效果達400～500℃。

3 結(jié)束語

兩相摻混技術(shù)作為多相流研究的一個重要分支，其研究越來越受到重視，但其研究主要集中于理論研究和實驗研究，針對工程應(yīng)用還極少涉入。本文在總結(jié)驗證前期研究成果的基礎(chǔ)上，把兩相摻混技術(shù)成功應(yīng)用到燃氣輪機的理論研究和實際工程中，對燃氣輪機的性能提升起到了明顯的促進作用，對于其在其它熱能工程中的應(yīng)用也在進一步的探索和研究之中。

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Two-phase Fluid Mixing Technique and its App lication in Gas Turbines

WANGWen-jie

(ArmamentDepartmentof the Navy，Xi'an 710021，China)

Multiphase flow is the study of different phase or different components ofmaterial also exists at the interface between fluid flow clear,and their rules of heat、mass transfer.Two-phase fluid mixing is importmentbecause it is the beginning of multiphase flow formation.This paper focuses on the research of the two phase mixing gas mixing technology ofmixing,gas-liquidmixing two aspects,mixingmechanism are put forward,analysis of themixing process,and itsapplication in gas turbine equipmentare discussed.

multiphase flow；two-phase fluidmixing；gas turbines

U664.131

B

1672-545X（2014）04-0137-03

2014-01-04

王文杰（1975—），男，山東鄆城人，工程師，工學(xué)碩士，主要從事艦船燃氣輪機工程技術(shù)研究。