旋流霧化噴嘴霧化特性的數(shù)值模擬

馬佳敏 ，王博韜 ，3，李胡坤 ，范熊杰 ，劉存喜 ，劉美麗

（1.北京石油化工學(xué)院機(jī)械工程學(xué)院，北京102617；2.中國科學(xué)院工程熱物理研究所，北京100190；3.中國農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院，北京100083）

0 引言

隨著CFD技術(shù)的發(fā)展，國內(nèi)外越來越多的學(xué)者在研究燃油噴嘴時(shí)，采用CFD軟件模擬噴嘴內(nèi)部的流動(dòng)情況和流場(chǎng)分布來分析燃油噴嘴的霧化效果。在國內(nèi)，潘華辰等[1]利用RNG k-ε和流體體積函數(shù)模型對(duì)某型離心霧化噴嘴進(jìn)行數(shù)值模擬，討論了關(guān)鍵結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)離心霧化噴嘴霧化效果的影響；張永良[2]利用2維VOF模型模擬可視離心霧化噴嘴霧化錐角的大小、流場(chǎng)結(jié)構(gòu)以及速度分布等，探明了旋流室內(nèi)外部流場(chǎng)，得出的旋流室空心柱形狀與其試驗(yàn)研究結(jié)果一致；牛似成等[3]利用k-ε雙方程標(biāo)準(zhǔn)模型，對(duì)葉輪旋轉(zhuǎn)射流式噴嘴的射流特性進(jìn)行研究，結(jié)構(gòu)驗(yàn)證了可獲得最佳旋流強(qiáng)度和流量系數(shù)的葉片扭曲角、直段無因次長(zhǎng)度和收縮角的最佳范圍，并得到噴嘴的優(yōu)化結(jié)構(gòu)；年帥奇等[4-5]利用 VOF、RSM 和 Realizable k-ε 模型對(duì)燃油噴嘴的油滴破碎過程進(jìn)行數(shù)值模擬，得到了流量隨壓力升高的關(guān)系和霧化半錐角隨壓力降低的關(guān)系，以及液膜初級(jí)破碎的破碎長(zhǎng)度等；尹俊連等[6]分別采用VOF和RNG k-ε模型對(duì)旋流噴嘴的內(nèi)部流動(dòng)進(jìn)行了相應(yīng)的數(shù)值模擬分析，得到內(nèi)部流動(dòng)為Rankine渦結(jié)構(gòu)；劉閎釗等[7]在脈動(dòng)壓力的作用下對(duì)旋流噴嘴的內(nèi)部流動(dòng)進(jìn)行數(shù)值模擬，發(fā)現(xiàn)噴嘴的瞬時(shí)流量和霧化錐角的周期性變化與脈動(dòng)壓力頻率相同。在國外，Ozer等[8]通過試驗(yàn)和數(shù)值模擬手段對(duì)氣體霧化噴嘴的霧化特性進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)CFD軟件對(duì)噴嘴霧化特性的預(yù)測(cè)有很強(qiáng)的預(yù)見性；Guildenbecher等[9]通過試驗(yàn)分析的手段，探討了壓力縮放與空氣夾帶對(duì)霧化錐角的影響，得出壓力在一定范圍內(nèi)對(duì)霧化錐角的影響不大的結(jié)論。

本文利用VOF和Realizable k-ε模型對(duì)燃油旋流霧化噴嘴進(jìn)行3維幾何模型數(shù)值模擬，并對(duì)噴嘴出口直徑以及出口長(zhǎng)度等結(jié)構(gòu)參數(shù)所產(chǎn)生的影響進(jìn)行分析，提出噴嘴結(jié)構(gòu)改進(jìn)方法。

1 數(shù)值模擬方法的建立

1.1 幾何模型與網(wǎng)格劃分

旋流霧化噴嘴的結(jié)構(gòu)如圖1所示。為了在計(jì)算時(shí)可以使計(jì)算數(shù)據(jù)在網(wǎng)格間精確傳遞，選擇布置6面體網(wǎng)格。為了兼顧噴嘴的網(wǎng)格質(zhì)量，先選擇1/3油路進(jìn)行網(wǎng)格布置，最后旋轉(zhuǎn)形成整個(gè)幾何模型，1/3油路的噴嘴網(wǎng)格模型如圖2所示。

圖1 旋流霧化噴嘴的結(jié)構(gòu)

圖2 1/3油路的噴嘴網(wǎng)格模型

為了進(jìn)行網(wǎng)格無關(guān)性驗(yàn)證，分別繪制網(wǎng)格數(shù)量為100萬、150萬、200萬、250萬和300萬的模型。

1.2 數(shù)值模型和求解參數(shù)的設(shè)定

VOF模型發(fā)展比較成熟，因此選用VOF模型對(duì)噴嘴噴出氣油2相的流動(dòng)過程進(jìn)行模擬[10]；Realizable k-ε模型可以對(duì)旋流情況進(jìn)行較好地模擬[11-12]，因此選用該模型對(duì)噴嘴內(nèi)部燃油的流動(dòng)情況進(jìn)行模擬。

驗(yàn)證試驗(yàn)所選用的燃油為Jet-A航空燃油，密度為804 kg/m3，黏度系數(shù)為0.0024 kg/m·s，在氣油2相交界處添加表面張力系數(shù)為0.024 N/m。

1.3 差分與邊界條件的設(shè)置

將噴嘴頂部的進(jìn)油槽設(shè)置為燃油進(jìn)口，進(jìn)口類型為壓力進(jìn)口，壓力范圍為0.5～2 MPa，油滴直徑為1.2 mm，液壓直徑為28 mm，進(jìn)口燃油體積分?jǐn)?shù)為1。將外環(huán)境圓筒的頂面設(shè)置為壓力進(jìn)口，進(jìn)口壓力為大氣壓，燃油體積分?jǐn)?shù)設(shè)置為0。將外環(huán)境圓筒的側(cè)面和底面設(shè)置為壓力出口，出口壓力為常壓，其余保持默認(rèn)值不變。

1.4 網(wǎng)格無關(guān)性驗(yàn)證

當(dāng) 100萬、150萬、200萬、250萬、300萬的網(wǎng)格模型計(jì)算完成后，分別在噴嘴出口1.5 mm位置處創(chuàng)建1條徑向直線，獲得該直線上的速度分布，并進(jìn)行對(duì)比分析，如圖3所示。

圖3 各網(wǎng)格模型在燃油霧錐上的速度分布

從圖中可見，各網(wǎng)格模型在燃油霧錐上的速度分布規(guī)律相差不大，均呈現(xiàn)軸對(duì)稱形狀，即沿中心軸線兩側(cè)速度分布一致，且遠(yuǎn)離軸心速度先急速上升，隨后急速下降最后趨于穩(wěn)定。各網(wǎng)格模型的速度大小在各位置處的差別也不大，因此可以排除網(wǎng)格數(shù)量對(duì)于數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果的影響。

2 數(shù)值模擬結(jié)果分析

2.1 數(shù)值模擬結(jié)果可靠性驗(yàn)證

為了驗(yàn)證數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性，本文設(shè)計(jì)了相關(guān)試驗(yàn)對(duì)數(shù)值模擬的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證，試驗(yàn)選用非介入式光學(xué)診斷方法[13]，利用粒子速度場(chǎng)儀和CCD相機(jī)[14]測(cè)量噴嘴在2 MPa工作條件下，出口處位置的平均流量和霧化錐角，以及試驗(yàn)與數(shù)值模擬的平均流量和霧化錐角的值如圖4所示。通過計(jì)算試驗(yàn)數(shù)據(jù)和數(shù)值模擬結(jié)果之間的誤差來驗(yàn)證數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性。

通過計(jì)算得到噴嘴試驗(yàn)數(shù)據(jù)和數(shù)值模擬結(jié)果在霧化錐角方面的誤差為0.45%，在霧化流量方面的誤差為8.49%，二者之間的誤差均小于10%，可以認(rèn)為噴嘴的數(shù)值模擬結(jié)果計(jì)算準(zhǔn)確。

2.2 噴嘴內(nèi)部流場(chǎng)分析

經(jīng)過時(shí)長(zhǎng)為10-2s的計(jì)算后可停止，截取各位置方向上壓力和速度云圖，如圖5所示。獲取平均流量和各位置上的速度和切向速度數(shù)據(jù)，用于噴嘴霧化效果分析。

從圖中可見，在旋流室內(nèi)部燃油經(jīng)過的過流面積先增大后減小，使燃油的速度和壓力在旋流室內(nèi)變化較大，燃油速度先減小后增大。由于在整個(gè)流動(dòng)過程中產(chǎn)生了水頭損失，因此壓強(qiáng)一直在減小。當(dāng)燃油進(jìn)入噴嘴出口時(shí)基本是緊貼出口壁面進(jìn)行旋轉(zhuǎn)流動(dòng)的；而當(dāng)燃油從噴嘴出口噴出時(shí)，又因?yàn)檫^流面積的增大，使得燃油的旋流速度減?。灰蚺c外界環(huán)境連通，于是燃油壓強(qiáng)驟減為環(huán)境大氣壓強(qiáng)，在過流面驟縮的區(qū)域因?yàn)楫a(chǎn)生了渦流和二次流造成總壓損失過大，因此噴嘴出口直徑會(huì)影響到燃油的旋流效果，進(jìn)而影響到噴嘴的霧化效果，應(yīng)該對(duì)其進(jìn)一步討論和分析。此外，燃油在噴嘴出口段的旋流時(shí)間長(zhǎng)短也將影響燃油噴出后的旋流強(qiáng)度，應(yīng)對(duì)噴嘴出口段的程度進(jìn)一步模擬分析。

2.3 操作參數(shù)對(duì)噴嘴霧化效果的影響

影響噴嘴霧化效果的操作參數(shù)有很多，如進(jìn)、出口壓差和燃油特性（黏性和表面張力系數(shù)等）。因?yàn)槿加偷奶匦灾饕绊懓l(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火溫度和燃燒室前溫度[15]，本文主要對(duì)進(jìn)、出口壓差對(duì)霧化效果的影響進(jìn)行分析，模擬噴嘴在 0.5、1、1.5、2 MPa的壓差下的工作情況。噴嘴霧化半錐角為

式中：vq、vz、vj分別為旋流流體的切向、軸向、徑向速度。

通過式（1）計(jì)算出不同進(jìn)、出口壓差下噴嘴霧化半錐角的角度，霧化半錐角的2倍即為霧化錐角，因而得到進(jìn)、出口壓差與霧化錐角之間的關(guān)系，如圖6所示。從圖中可見，霧化錐角的值隨著進(jìn)、出口壓差的增大而增大。

通過CFD軟件獲得不同壓力條件下噴嘴的霧化平均流量，進(jìn)、出口壓差與霧化平均流量的關(guān)系如圖7所示。從圖中可見，霧化平均流量隨著進(jìn)、出口壓差的增大而增大。

圖6 進(jìn)、出口壓差與霧化錐角的關(guān)系

圖7 進(jìn)、出口壓差與霧化平均流量的關(guān)系

霧化錐角只是從側(cè)面表現(xiàn)出噴嘴的旋流效果，而旋流強(qiáng)度則直接反映了噴嘴出口處旋流程度的大小。旋流強(qiáng)度越大，噴嘴的旋流程度越大，預(yù)期的霧化效果越好[16]。通過式（2）計(jì)算噴嘴的旋流強(qiáng)度，并得到噴嘴進(jìn)、出口壓差與旋流強(qiáng)度的關(guān)系，如圖8所示。

圖8 噴嘴進(jìn)、出口壓差與旋流強(qiáng)度的關(guān)系

噴嘴的旋流強(qiáng)度隨噴嘴進(jìn)、出口壓差的增大而減小，這是因?yàn)殪F化流量的增大導(dǎo)致噴出噴嘴的燃油變多，燃油間的摩擦力增大，從而使噴出噴嘴的燃油速度減小，造成旋流強(qiáng)度減小。但在不同壓差下，噴嘴的旋流強(qiáng)度在0.77～0.83的范圍內(nèi)，變化不大，結(jié)合霧化錐角隨壓差的變化，可以認(rèn)為噴嘴的霧化效果在隨著噴嘴進(jìn)、出口壓差的增大而變好。

2.4 不同結(jié)構(gòu)的噴嘴霧化效果分析

除包括原結(jié)構(gòu)外，共設(shè)計(jì)了4種不同結(jié)構(gòu)的旋流霧化噴嘴，其結(jié)構(gòu)參數(shù)見表1。對(duì)比不同結(jié)構(gòu)的旋流霧化噴嘴的數(shù)值模擬結(jié)構(gòu)，分析出霧化效果最好的噴嘴結(jié)構(gòu)，并預(yù)測(cè)可以得到更好霧化效果的結(jié)構(gòu)參數(shù)數(shù)值范圍。

表1 不同結(jié)構(gòu)的霧化噴嘴的尺寸參數(shù)

不同結(jié)構(gòu)的旋流霧化噴嘴在2 MPa的工作條件下進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算，網(wǎng)格數(shù)量選定為180萬，計(jì)算得出不同結(jié)構(gòu)的旋流霧化噴嘴的霧化錐角如圖9所示。旋流霧化噴嘴的預(yù)期霧化錐角為 100°±3°。從圖中可見，結(jié)構(gòu) A、B的霧化錐角最接近預(yù)期值。

圖9 不同結(jié)構(gòu)的旋流霧化噴嘴的霧化錐角

霧化平均流量的預(yù)期值為1161.3～1208.7g/min，不同結(jié)構(gòu)的旋流霧化噴嘴的平均霧化流量如圖10所示。從圖中可見，結(jié)構(gòu)A的平均霧化流量比其余4個(gè)結(jié)構(gòu)的小很多，應(yīng)當(dāng)進(jìn)一步研究其原因。其余幾個(gè)結(jié)構(gòu)的平均霧化流量在數(shù)值上差距不大，應(yīng)當(dāng)結(jié)合霧化錐角以及旋流強(qiáng)度分析其結(jié)構(gòu)的優(yōu)劣。

圖10 不同結(jié)構(gòu)的旋流霧化噴嘴的霧化平均流量

圖11 不同結(jié)構(gòu)的旋流霧化噴嘴的旋流強(qiáng)度

最后通過式（2）計(jì)算每個(gè)噴嘴的旋流強(qiáng)度，結(jié)果如圖11所示。從圖中可見，結(jié)構(gòu)A的旋流強(qiáng)度最大，預(yù)期霧化效果最好，結(jié)構(gòu)B的次之。但是因?yàn)榻Y(jié)構(gòu)A的平均霧化流量與預(yù)期值存在較大誤差，因此結(jié)構(gòu)B的霧化效果最理想?？梢缘贸觯簢娮斐隹谥睆皆酱?，長(zhǎng)度越長(zhǎng)，得到的霧化效果更好。

3 結(jié)論

通過對(duì)旋流霧化噴嘴的數(shù)值模擬及試驗(yàn)驗(yàn)證得到以下結(jié)論：

（1）建立旋流霧化噴嘴的幾何模型，在選用VOF和Realizable k-ε模型進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算時(shí)，所得結(jié)果認(rèn)為是可靠的；

（2）通過對(duì)不同壓差工作條件下的旋流霧化噴嘴進(jìn)行數(shù)值模擬研究，得到壓差與霧化錐角、霧化平均流量和旋流強(qiáng)度的關(guān)系：霧化錐角和霧化平均流量隨著進(jìn)、出口壓差的增大而增大，旋流強(qiáng)度隨著進(jìn)、出口壓差的增大而減小?？偟膩碚f，噴嘴的霧化效果隨著進(jìn)、出口壓差的增大而變好；

（3）分析了不同結(jié)構(gòu)的旋流霧化噴嘴的霧化效果：結(jié)構(gòu)B的旋流霧化效果與預(yù)期值最接近，可以預(yù)見其在幾種不同結(jié)構(gòu)的旋流霧化噴嘴中旋流效果最理想。因此，可以得到當(dāng)噴嘴出口直徑和出口長(zhǎng)度增大時(shí)，旋流霧化噴嘴的旋流效果會(huì)得到改善的啟示。