一級旋流入射半徑對小尺寸旋流杯下游流動特征的影響

楊 謙，于博文，張 弛

(1.中國航空發(fā)動機(jī)研究院基礎(chǔ)與應(yīng)用研究中心，北京101304；2.中國航發(fā)商用航空發(fā)動機(jī)有限責(zé)任公司，上海200241；3.北京航空航天大學(xué)能源與動力工程學(xué)院航空發(fā)動機(jī)氣動熱力國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京100191)

1 引言

旋流杯是燃燒室頭部霧化裝置的一個重要組件，通過兩級旋流剪切油霧來形成霧化和旋流液霧燃燒，其關(guān)鍵設(shè)計(jì)目標(biāo)是具有良好的流動特性。業(yè)界對旋流杯下游流場結(jié)構(gòu)進(jìn)行了大量研究。林宇震[1]、Seol[2]、Mehta[3]和 Merkle[4]等對旋流旋向?qū)ο掠瘟鲃犹卣鞯挠绊戇M(jìn)行了試驗(yàn)研究。黨新憲[5]、徐華勝[6]、韓啟祥[7]、于博文[8]等探索了旋流強(qiáng)度對旋流杯下游流動、速度分布及回流區(qū)等的影響。Wang等[9]利用相位多普勒粒子分析儀(PDPA)對CFM56旋流杯擴(kuò)張和平滑套筒結(jié)構(gòu)的流場形態(tài)進(jìn)行了研究。Park[10]和于錦峰[11]等分析了套筒擴(kuò)張角和長度對流場的控制和氣流偏轉(zhuǎn)度的影響。研究者評估了旋流杯上下游邊界條件對流場結(jié)構(gòu)演變的影響，如進(jìn)口雷諾數(shù)[12]、摻混射流[13-14]、下游限制域[15]等。Mongia等[16-22]運(yùn)用數(shù)值模擬方法研究了旋流杯內(nèi)部和下游流動特征，將計(jì)算與試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了比對驗(yàn)證。上述研究成果展示了旋流杯下游的共性流動特征，即下游存在相對于套筒出口擴(kuò)展開的負(fù)速度區(qū)(約定順流方向速度為正)，沿流向兩側(cè)出現(xiàn)雙峰形態(tài)的高軸向速度分布。目前，設(shè)計(jì)人員對于旋流杯流動結(jié)構(gòu)已有比較深刻的理解和認(rèn)識，較為充分地掌握了多因素影響的旋流杯設(shè)計(jì)方法。

對于中小型航空發(fā)動機(jī)燃燒室使用的小尺寸旋流杯，由于受燃燒室氣動熱力和結(jié)構(gòu)特點(diǎn)限制，其結(jié)構(gòu)尺寸僅為大型航空發(fā)動機(jī)燃燒室使用的大尺寸旋流杯的1/2～1/5。以有效面積為例，大尺寸旋流杯一般在200～400 mm2范圍內(nèi)，而小尺寸旋流杯約為30～100 mm2。這種結(jié)構(gòu)特點(diǎn)使得兩類旋流杯流動特征產(chǎn)生了差異。原因在于旋流器尺寸減小，流道湍流流動受限的邊界條件對流動特性的影響程度發(fā)生改變。流道進(jìn)出口流動特征、氣流通道速度分布及附面層效應(yīng)引起的近壁流動特征等可能會隨之改變，由此造成小尺寸旋流杯下游流動特征發(fā)生變化。而上文旋流杯多屬于大尺寸旋流杯，僅有較少研究關(guān)注小尺寸旋流杯的流動特性[8,12]。

為此，本文使用PIV測速技術(shù)[23]針對小尺寸旋流杯下游流動特征進(jìn)行試驗(yàn)研究，主要關(guān)注了一級旋流入射半徑改變對于小尺寸旋流杯下游流場的影響。通過改變一級旋流入射方向和入射半徑(入射偏移量)來分析總結(jié)影響規(guī)律，以期為小尺寸旋流杯設(shè)計(jì)和流場仿真驗(yàn)證提供依據(jù)。

2 研究方案

表1 旋流杯參數(shù)值Table 1 The key structural parameters values of swirl cups

研究對象為一級徑向圓孔+二級徑向曲葉片組合旋流杯，其組成部分還包括離心噴嘴、文氏管和套筒。圖1給出了小尺寸旋流杯的結(jié)構(gòu)和相應(yīng)參數(shù)，各參數(shù)值見表1。圖中Ds為一級徑向圓孔直徑，Dt為文氏管喉道直徑，hb為二級旋流出口通道高度，α為套筒張角，Rsi和Rbi分別為一、二級旋流入射半徑。本研究二級旋流器結(jié)構(gòu)保持不變，規(guī)定二級旋流方向?yàn)榉聪?從下游往上游看為順時針)。文中旋流杯有效流通面積為66～72 mm2。一級旋流入射半徑為研究變量，定義其旋流方向與二級旋流方向相反時數(shù)值為正，得到入射半徑研究變量數(shù)值(表1)。共4個研究方案，按數(shù)值從小到大依次命名為方案A、B、C和D。方案A為兩級旋流同向，方案B為一級無旋流，方案C和D均為兩級旋流反向。根據(jù)旋流數(shù)定義[24]，結(jié)合文獻(xiàn)[25]計(jì)算方法和本文旋流杯結(jié)構(gòu)參數(shù)，計(jì)算出4個方案的兩級旋流數(shù)，見表2。在二級旋流保持強(qiáng)旋(旋流數(shù)-1.4)的前提下，一級旋流強(qiáng)度覆蓋了無旋、中等旋流和強(qiáng)旋三種狀態(tài)。

表2 各方案兩級旋流器旋流數(shù)Table 2 Swirl number of two swirlers for different project

3 試驗(yàn)系統(tǒng)與條件

試驗(yàn)系統(tǒng)如圖2所示，包括空氣路、示蹤粒子發(fā)生子系統(tǒng)、試驗(yàn)測量段、PIV測試子系統(tǒng)和數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)?？諝饴窞樵囼?yàn)供氣系統(tǒng)：氣源提供常溫純凈空氣，通過減壓調(diào)節(jié)之后與示蹤粒子發(fā)生器的粒子空氣混合物進(jìn)行摻混。示蹤粒子發(fā)生子系統(tǒng)為PIV測量提供顆粒度合適的粒子群，空氣經(jīng)過減壓和除濕由流量控制器進(jìn)行調(diào)節(jié)后進(jìn)入示蹤粒子發(fā)生器形成空氣與煤油混合物，之后被純凈空氣稀釋進(jìn)入進(jìn)氣集氣箱。試驗(yàn)測量段為PIV測量提供均勻進(jìn)氣、測量區(qū)域和排氣空間，包括進(jìn)氣集氣箱、出口限制域和排氣段。出口限制域?yàn)闇y量區(qū)域，內(nèi)壁型面尺寸為56 mm×56 mm×300 mm，4個側(cè)壁開有S2級石英玻璃觀察窗。排氣段具有沉降霧化液滴和收集尾氣的功能。試驗(yàn)使用的PIV系統(tǒng)為Lavision公司出產(chǎn)的PIV儀器。由于PIV測速精度受示蹤粒子跟隨和響應(yīng)特性影響[26]，研究中使用PDPA對示蹤粒子算術(shù)平均直徑進(jìn)行測量，其值為4.2 μm，換算得到粒子響應(yīng)頻率約為1 000 Hz，滿足PIV測速對粒子跟隨性的要求[26]。

圖2 流動試驗(yàn)系統(tǒng)示意圖Fig.2 The system diagram of flow experiment

試驗(yàn)在常溫常壓下進(jìn)行，進(jìn)出口壓降統(tǒng)一為3%。試驗(yàn)通過測量進(jìn)氣集氣箱內(nèi)空氣靜壓和出口限制域末端氣流總壓，得到試驗(yàn)段進(jìn)出口壓降比為2.90%～3.05%，旋流杯內(nèi)限流截面速度約為71 m/s，進(jìn)口空氣總溫為296～299 K，進(jìn)口氣流雷諾數(shù)約為43 000。

4 試驗(yàn)結(jié)果及分析

4.1 試驗(yàn)結(jié)果處理方法

圖3(a)為PIV測得的示蹤粒子原始圖像，旋流杯出口位于圖像上部。定義圖像x方向?yàn)樾髑芯€方向，y方向?yàn)樾髁飨蚍较?。受限制域尺寸限制和粒子流動有效性影?下游遠(yuǎn)場粒子運(yùn)動規(guī)律不明顯)，PIV采集粒子圖像范圍設(shè)置為50 mm×50 mm。使用Davis軟件對相鄰兩幀示蹤粒子原始圖像進(jìn)行相關(guān)處理，獲得空間分辨率0.39 mm的瞬時流場圖像，見圖3(b)。為獲得旋流流動時均流場信息，依據(jù)文獻(xiàn)[27]的處理方法對300張連續(xù)瞬時流場數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，得到時均流動特性。

圖3 圖像處理方法Fig.3 The image processing method

處理PIV流場結(jié)果時，因近壁流速較低，粒子易沉積在壁面附近，造成采集的示蹤粒子軌跡與實(shí)際運(yùn)動軌跡偏差較多，為此數(shù)據(jù)處理時過濾掉近壁區(qū)域數(shù)據(jù)。下游遠(yuǎn)場流動特性受頭部出口旋流影響小，不作為研究重點(diǎn)，數(shù)據(jù)同樣做過濾處理。由此，PIV流場圖像有效尺寸設(shè)定為48 mm×45 mm。本研究針對旋流杯下游xy平面二維速度場進(jìn)行測量，所得到的為氣流速度在xy平面上的投影速度。下文所述絕對速度V(V= (Vx)2+(Vy)2)、軸向速度Vy(沿流向)和切向速度Vx(沿展向)均為xy平面上的投影速度。

圖4 不同一級旋流入射半徑的旋流杯下游投影絕對速度及速度矢量分布Fig.4 The projected absolute velocity and velocity vector distribution at downstream of the swirl cups with varied incident radii of primary swirl flow

4.2 旋流杯下游速度特征

4.2.1 投影絕對速度特征

圖4給出了不同一級旋流入射半徑旋流杯下游xy截面投影絕對速度云圖，可見一級切向孔入射半徑對流動形態(tài)有顯著影響。盡管4個方案在xy投影平面上存在相似的高速流動區(qū)域，且流速最大值基本相同，但因一級旋流結(jié)構(gòu)不同使得旋流流動特征沿流動方向逐漸出現(xiàn)了較大的差異。方案A和C流場為逐漸擴(kuò)張的對稱流動；方案B和D則為擴(kuò)張-收縮-擴(kuò)張流動，且具有一定非對稱性。方案B在旋流杯出口中心區(qū)域附近存在明顯的高速正向流動區(qū)域，而其他方案在此處均為回流負(fù)速度區(qū)，且中心回流速度受一級旋流方向及二級旋流耦合作用后的不同影響，其數(shù)值也有明顯區(qū)別(方案C回流速度最小，A次之，D最大)。方案A和C角渦區(qū)流動形態(tài)相似，方案B和D的不對稱角渦區(qū)則差異較大。由此推斷，小尺寸旋流杯在旋流器出口附近，由于一、二級旋流動量交換處于初始階段，對流動影響可認(rèn)定為未耦合。一級旋流對于旋流杯出口中心區(qū)域影響占主導(dǎo)，出口中心外圍區(qū)域則受二級旋流影響較大。隨著流動沿流向發(fā)展，一、二級旋流動量充分交換，一、二級分層流動逐漸融合成一股合流，回流區(qū)受兩級旋流耦合作用影響明顯。方案A和C兩級旋流耦合后旋流動量仍接近于二級旋流形態(tài)，因此形成擴(kuò)張流動特征；方案D一級旋流方向與二級的相反，一級強(qiáng)旋與二級旋流進(jìn)行動量交換，一部分靠近中心未與二級旋流進(jìn)行反向動量抵消的一級旋流流線提前收縮，在下游出口不遠(yuǎn)處形成小范圍一次回流區(qū)，受此影響二級旋流在一次回流區(qū)下游流線發(fā)生收縮-擴(kuò)張，形成二次回流區(qū)；而方案B中心一級正向流動極大抵消了二級旋流回流效應(yīng)，使中心流動區(qū)域出現(xiàn)中心為正向流動、兩側(cè)為回流流動的特征。

4.2.2 軸向與切向速度特征

圖5 不同一級旋流入射半徑的旋流杯下游投影軸向速度及速度矢量分布Fig.5 Projected axial velocity and vector distribution at downstream of swirl cups with varied incident radii of primary swirl flow

圖6不同一級旋流入射半徑的旋流杯下游切向速度及速度矢量分布Fig.6 Projected tangential velocity and vector distribution at downstream of swirl cups with varied incident radii of primary swirl flow

圖5與圖6分別給出了不同方案旋流杯下游xy截面投影軸向與切向速度云圖。圖5標(biāo)識出軸向零速度線以區(qū)分下游流場回流區(qū)形態(tài)。分析兩圖發(fā)現(xiàn)，軸向速度決定了回流區(qū)范圍和回流量強(qiáng)弱，切向速度展示了氣流沿展向擴(kuò)張趨勢。圖5展示了方案A具有最大的橢圓形回流區(qū)范圍；方案C回流區(qū)范圍僅次于方案A，且形態(tài)相似；方案D回流區(qū)為擴(kuò)張-收縮-擴(kuò)張形態(tài)，在中心一次回流區(qū)內(nèi)具有最大的回流流向速度；方案B的一級無旋氣流削弱了中心回流區(qū)范圍，僅在出口正向流向速度區(qū)兩側(cè)存在小范圍回流，而在下游流動充分發(fā)展段(y＞20 mm)受二級強(qiáng)旋影響出現(xiàn)了類三角形的二次回流區(qū)。由于氣流沿流向收縮流動造成軸向旋流流動相互干擾，方案B和D的擴(kuò)張-收縮-擴(kuò)張流場呈現(xiàn)出非對稱性。擴(kuò)張流動中心為負(fù)速度、兩側(cè)為正速度，且隨著流向發(fā)展正向流動區(qū)域逐漸遠(yuǎn)離，流動相互干擾程度低，因而流動對稱程度高。圖6方案A和C切向速度分布均為相似的擴(kuò)張形態(tài)，而方案A兩級旋流疊加而非反旋抵消使其切向速度絕對值要比方案C的高。方案B和D由于一次回流區(qū)形態(tài)削弱和兩級反旋動量部分抵消，切向速度沿流向衰減迅速，方案B整場切向速度絕對值最低?？梢?，小尺寸旋流杯一級無旋會對氣流切向旋轉(zhuǎn)運(yùn)動帶來較大負(fù)面效應(yīng)。

圖7 不同一級旋流入射半徑的旋流杯出口下游投影速度沿展向的分布Fig.7 The distributions along spanwise of projected velocities at downstream of swirl cups with varied incident radii of primary swirl flow

4.2.3 投影速度沿展向的變化趨勢

圖7給出了不同旋流杯方案出口下游3個位置的投影速度沿展向的變化趨勢。圖中y=2、12、22 mm直線依次代表旋流流動起始、充分發(fā)展和動量交換完全狀態(tài)。從y=2 mm的圖中可看出，方案A、C和D旋流初始形態(tài)基本類似，投影絕對速度和軸向速度沿展向分別出現(xiàn)兩個軸向?qū)ΨQ峰值區(qū)域，切向速度形成中心對稱峰值形態(tài)。方案B一級無旋，使投影絕對速度和軸向速度在x=0 mm直線左右范圍內(nèi)出現(xiàn)了明顯的正向峰值區(qū)域，同時也使得切向速度在x=0 mm附近出現(xiàn)了與其他方案不一致的特征。旋流隨著流向發(fā)展，在y=12 mm直線上，部分一級和二級旋流已發(fā)生相互融合，不同旋流動量交換產(chǎn)生不同逆壓梯度，3個速度分布特征出現(xiàn)分化。方案D的投影絕對速度和軸向速度沿x方向變化梯度最大，且具有最大回流速度(負(fù)軸向速度)；方案A和C速度變化趨勢基本相似，方案A回流速度較大；方案B在y=12 mm直線上的軸向速度幾乎為正，其雙峰形態(tài)峰值為最小。流場下游y=22 mm直線上不同方案3個速度形態(tài)分布的區(qū)別更為明顯。方案A和C速度分布趨勢依舊相似，但也存在局部差異；方案B和D速度沿展向變化波動較大，且形態(tài)具有較大非對稱性。

4.3 旋流杯下游流場渦量分布

為進(jìn)一步分析不同一級旋流對下游流動的影響，對速度數(shù)據(jù)進(jìn)行處理得到流場各點(diǎn)渦量值，并進(jìn)行對比分析。流體力學(xué)中渦量定義為流體速度矢量的旋度[28]，流體渦量等于流體微團(tuán)瞬時角速度的2倍，單位為s-1。本研究中考慮二維投影坐標(biāo)系，使用下式得到渦量的z軸分量(即投影渦量)：

圖8 不同一級旋流入射半徑的旋流杯下游渦量分布Fig.8 Vorticity distribution at downstream of swirl cups with varied incident radii of primary swirl flow

圖8展示了不同方案旋流杯下游渦量分布特征。圖中，流場中渦量較大的區(qū)域集中在旋流絕對速度和軸向速度較高位置的兩側(cè)，且高速射流區(qū)兩側(cè)渦量方向相反。流場中流速較低區(qū)域其旋渦效果也較弱。方案A和C渦量沿流向呈擴(kuò)張形態(tài)，且擴(kuò)張角度與旋流射流角度基本相同；方案B和D渦量則成收縮形態(tài)。4個方案的渦量沿流向均存在渦量耗散效應(yīng)，且在下游遠(yuǎn)場中渦量值分布趨于平均。這一方面是由于高速氣流兩側(cè)渦量會向周圍輸運(yùn)，帶動附近流體渦團(tuán)產(chǎn)生旋渦運(yùn)動；另一方面是近壁低渦量流體微團(tuán)對于高渦量旋流微團(tuán)的遲滯效應(yīng)和中和影響。方案B在旋流杯出口中心附近存在與其他方案不同的強(qiáng)渦量區(qū)，且渦量沿流向衰減更快，這說明一級無旋氣流對于下游回流形態(tài)具有較強(qiáng)的抵消作用。

取旋流杯下游中心線(x=0 mm)上的渦量值進(jìn)行分析，結(jié)果如圖9(a)所示。對于旋流流動對稱性較好的方案A和C，中心線上渦量值沿流向波動較小，數(shù)值趨于0，說明兩方案中心線上的流動基本為無旋。而方案B在旋流杯出口附近(0＜y＜20 mm)渦量值在零值上下變化劇烈，之后(y＞20 mm)再趨近于0；方案D中心線上的渦量值基本為正。兩者都在一定程度上反映了中心線上存在流體微團(tuán)的旋渦運(yùn)動，造成其流動的非對稱性。圖9(b)給出了不同方案不同x截線的平均渦量值沿流向的變化趨勢，4個方案展示出相似的渦量變化過程。旋流杯出口平均渦量較強(qiáng)的旋流沿流向渦量逐漸衰減，且在0＜y＜15 mm范圍內(nèi)衰減速率較大，之后衰減速 率較為平緩，最終平均渦量值停留在1 000 s-1以下。造成相似的原因是，本研究渦量衰減的根源是流體微團(tuán)與固體壁面之間的粘性作用，旋渦運(yùn)動在近壁面被減緩，直至在壁面附面層附近消失；不同方案下游固壁形狀相同，對旋流流動限制和影響亦相同。因此，盡管旋流流動內(nèi)部形態(tài)各不相同，但在平均渦量變化趨勢上4個方案的特性基本一致。

圖9 不同一級旋流入射半徑的旋流杯中心線渦量和x截線平均渦量沿流向變化趨勢對比Fig.9 Vorticity variation tendencies on swirl cups centerlines and average vorticity variation tendencies on differentxlines along flow direction with varied incident radii of primary swirl flow

5 結(jié)論

采用PIV技術(shù)，試驗(yàn)研究了不同一級旋流入射半徑對小尺寸旋流杯下游流動特征的影響，得出以下結(jié)論：

(1)旋流強(qiáng)度較高的一級旋流入射半徑相同而入射方向相反，其在小尺寸旋流杯下游形成的流場特征不相同，同旋旋流的流場是擴(kuò)張流場，反旋旋流的流場是擴(kuò)張-收縮-擴(kuò)張流場。一級無旋在旋流杯出口附近中心區(qū)域內(nèi)會形成高速正向流動區(qū)域，并對下游旋流流動形態(tài)和速度分布產(chǎn)生影響。兩級反旋且一級旋流強(qiáng)度不同時，中等強(qiáng)度一級旋流和強(qiáng)二級旋流組合旋流杯形成的擴(kuò)張流場與同旋方案的相似，而一、二級均為強(qiáng)旋流的反旋旋流組合旋流杯形成的是擴(kuò)張-收縮-擴(kuò)張流場。

(2)旋流杯下游流場渦量分布與速度分布相似，出口平均渦量數(shù)值較大的旋流沿流向平均渦量逐漸衰減，且衰減速率逐漸變緩，一級旋流入射半徑不同的旋流杯平均渦量變化趨勢基本保持一致。

(3)一級旋流入射半徑對小尺寸旋流杯下游速度和渦量分布特征有較大影響，設(shè)計(jì)時應(yīng)綜合考慮旋流強(qiáng)度、回流區(qū)特征和切向速度分布在流場中的變化，以保證其設(shè)計(jì)合理性。后續(xù)工作需開展結(jié)構(gòu)相同、尺寸差異較大的旋流杯下游流動特性研究，進(jìn)一步掌握旋流杯結(jié)構(gòu)尺度對旋流杯性能的影響。