氣旋耦合噴嘴噴霧特性研究

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(南京航空航天大學(xué)能源與動(dòng)力學(xué)院，江蘇 南京 210016)

0 引言

隨著航空動(dòng)力性能要求的不斷提高，燃燒室進(jìn)口條件變得更加惡劣，如何實(shí)現(xiàn)極寬油氣條件下的高效穩(wěn)定燃燒成為了當(dāng)前先進(jìn)燃燒室亟待解決的核心問題。駐渦燃燒室[1-2]正是基于此背景發(fā)展而來的。與常規(guī)旋流器式燃燒室相比，駐渦燃燒室結(jié)構(gòu)簡單、貧富油極限寬、高空點(diǎn)火性能優(yōu)越、能在更寬的油氣范圍內(nèi)保持高燃燒效率和污染物排放量低等優(yōu)點(diǎn)。

駐渦燃燒室主要包含凹腔和主流2部分，其中凹腔為值班區(qū)，實(shí)現(xiàn)火焰穩(wěn)定和小功率工作，凹腔內(nèi)油氣匹配特性對(duì)駐渦燃燒室的燃燒性能起到了關(guān)鍵作用，而噴嘴作為燃油霧化的主要部件，是決定凹腔內(nèi)油氣匹配特性的一個(gè)重要因素。在駐渦燃燒室供油方案研究中，噴油桿[3]、蒸發(fā)管[4-7]和離心噴嘴[8-10]先后被研究人員用于凹腔供油，但是噴油桿霧化性能較差，噴油桿在起動(dòng)時(shí)燃油蒸發(fā)速度太慢導(dǎo)致點(diǎn)火性能太差，離心噴嘴存在液滴撞向凹腔上壁面的問題，容易形成積碳，這對(duì)提高燃燒效率不利。

為解決這些問題，李明玉等[11-12]人設(shè)計(jì)出了一種氣旋耦合噴嘴用于凹腔供油。該噴嘴可以將燃油供入凹腔回流區(qū)的剪切層中，從而增強(qiáng)二次霧化、蒸發(fā)及摻混。實(shí)際上該噴嘴還具有可控制霧型的特點(diǎn)，可以通過控制結(jié)構(gòu)及氣動(dòng)參數(shù)來調(diào)節(jié)以獲得期望的霧型，而這種特點(diǎn)也是可以應(yīng)用在普通的旋流燃燒室上。

對(duì)于噴嘴噴霧特性試驗(yàn)研究大部分都是利用光學(xué)測(cè)試技術(shù)結(jié)合計(jì)算機(jī)技術(shù)，從物理上全面研究霧化過程。在離心噴嘴研究方面，研究人員更傾向于總結(jié)出結(jié)構(gòu)參數(shù)與流量數(shù)、噴霧錐角及SMD等參數(shù)之間的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系[13]；而對(duì)于空氣霧化噴嘴則更注重于噴霧特性的研究，探究對(duì)噴嘴的粒徑分布、液滴速度等隨著結(jié)構(gòu)及氣動(dòng)參數(shù)變化的規(guī)律[14-16]。

本文在前人的研究基礎(chǔ)上，利用工業(yè)相機(jī)和相位多普勒粒子分析儀(PDPA)對(duì)氣旋耦合噴嘴噴霧錐角和霧化粒徑進(jìn)行了試驗(yàn)研究，找出不同參數(shù)對(duì)氣旋耦合噴嘴噴霧特性的影響規(guī)律。

1 試驗(yàn)?zāi)Ｐ?、系統(tǒng)及參數(shù)

1.1 試驗(yàn)?zāi)Ｐ?/h3>

氣旋耦合噴嘴是在離心噴嘴的基礎(chǔ)上，增加了氣動(dòng)襯套和預(yù)膜片2個(gè)重要結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)如圖1所示。氣動(dòng)襯套和離心噴嘴外壁面組成了氣旋耦合噴嘴的助霧化空氣通道，空氣經(jīng)由該空氣通道在離心噴嘴前端形成對(duì)沖射流，隨后流出氣旋耦合噴嘴。預(yù)膜片一般為矩形，并且為2片，上下平行放置，預(yù)膜片的主要作用是形成液膜和控制霧型。氣旋耦合噴嘴霧化過程示意如圖2所示。從離心噴嘴噴出的燃油一部分打在預(yù)膜片上并展開形成液膜，之后在助霧化空氣的作用下進(jìn)一步破碎成小液滴，并且隨著助霧化空氣一起流出噴嘴；同時(shí)，沒有噴射在預(yù)膜片上的燃油則不受預(yù)膜片的控制，直接噴出。因此，在離心噴嘴和助霧化空氣的共同作用下，氣旋耦合噴嘴既具有離心噴嘴的霧化特征，也有氣動(dòng)霧化噴嘴的霧化特征，并且還能達(dá)到控制霧型的效果。

圖1 氣旋耦合噴嘴結(jié)構(gòu)示意

圖2 霧化過程示意

1.2 試驗(yàn)系統(tǒng)

試驗(yàn)系統(tǒng)由3部分組成：液體供給系統(tǒng)、空氣供給系統(tǒng)和測(cè)量系統(tǒng)，如圖3所示。液體供給系統(tǒng)主要由氮?dú)馄?、穩(wěn)壓罐、壓力傳感器和壓力表組成，試驗(yàn)工質(zhì)為水，利用減壓閥對(duì)穩(wěn)壓罐內(nèi)氣體壓力進(jìn)行小梯度精準(zhǔn)調(diào)節(jié)，從而保證了試驗(yàn)過程中液相壓力穩(wěn)定，壓力變化范圍為0.1～1.5 MPa?？諝夤┙o系統(tǒng)主要有壓氣機(jī)、質(zhì)量流量控制器、壓力傳感器、壓力表組成，由壓氣機(jī)供出固定體積流量的空氣，經(jīng)過質(zhì)量流量控制器來控制進(jìn)入試驗(yàn)段的空氣流量，多余的空氣通過質(zhì)量流量控制器前的三通接頭流出。測(cè)量系統(tǒng)主要由片光源、高速相機(jī)、便攜式計(jì)算機(jī)和PDPA組成。試驗(yàn)中，噴霧錐角與SMD分開測(cè)量。噴霧錐角的測(cè)量是將激光片光源通過噴嘴中心所在的截面，再使用便攜式計(jì)算機(jī)控制高速相機(jī)來拍攝噴霧的原始圖像。霧化粒徑則是利用PDPA，其原理是利用4束激光在噴霧場中相交于一點(diǎn)，4束激光由位于2個(gè)垂直平面的2束藍(lán)光和2束綠光組成，藍(lán)光與綠光形成明暗相間的干涉條紋，當(dāng)粒子穿過4束激光的交點(diǎn)時(shí)，引起干涉條紋變化并產(chǎn)生多普勒信號(hào)，將接收到的多普勒信號(hào)經(jīng)過放大，處理器通過處理不同探測(cè)器上多普勒信號(hào)的相位差來計(jì)算出粒子的直徑。

試驗(yàn)段模型結(jié)構(gòu)如圖4所示，由進(jìn)氣管道、底座、氣旋耦合噴嘴以及油管組成。底座上有圓形凹槽用于安裝并固定氣動(dòng)襯套，氣動(dòng)襯套內(nèi)為離心噴嘴，離心噴嘴后為一段油管，油管上部為一段螺紋與進(jìn)氣管道連接，起到固定離心噴嘴和密封的作用。進(jìn)氣管道下部為法蘭盤，固定在底座上，法蘭盤和底座中間加一層墊片來保證密封性，進(jìn)氣管道的上部有2個(gè)空氣進(jìn)口。

圖3 系統(tǒng)簡圖

圖4 試驗(yàn)段模型結(jié)構(gòu)

1.3 試驗(yàn)參數(shù)

試驗(yàn)選取空氣流量Q為40～140 L/min，中間每隔20 L/min選取一個(gè)工況點(diǎn)。為確定試驗(yàn)工況，試驗(yàn)前還需對(duì)離心噴嘴進(jìn)行流量標(biāo)定，得到的流量標(biāo)定曲線如圖5所示。試驗(yàn)中選取液相壓力0.6 MPa，1.0 MPa和1.4 MPa為工況點(diǎn)。

圖5 離心噴嘴流量標(biāo)定曲線

2 數(shù)據(jù)處理方法

氣旋耦合噴嘴在不同相位噴霧錐角差別較大，因此試驗(yàn)拍攝了噴嘴0°方向(平行于預(yù)膜片方向)和90°方向(垂直于預(yù)膜片方向)的霧型，并進(jìn)行圖像處理后得到錐角大小如圖6所示的不同相位截面示意圖。利用MATLAB軟件將高速相機(jī)拍攝得到的原始圖像進(jìn)行處理得到二值化圖像，再從二值化圖像中提取出油霧的邊界，然后從邊界圖像測(cè)得噴嘴的噴霧錐角，處理過程如圖7所示。

圖6 不同相位截面示意

圖7 噴霧圖像處理過程示意

評(píng)價(jià)噴嘴霧化粒徑有很多種方法，索泰爾平均直徑(SMD)是其中最常用的一種，其計(jì)算方法為

ni為液滴直徑為di的液滴數(shù)量。

氣旋耦合噴嘴霧化粒徑是利用PDPA來測(cè)量得到，測(cè)量原點(diǎn)位于噴嘴中心正下方30 mm處，并在0°方向每間隔2 mm選取一個(gè)測(cè)點(diǎn)。為確保PDPA測(cè)得的粒徑數(shù)據(jù)的有效性，重復(fù)性試驗(yàn)是有必要的，本次試驗(yàn)基于離心噴嘴，在液相壓力為1.0 MPa的狀態(tài)下做了多組重復(fù)性試驗(yàn)，對(duì)噴嘴下游30 mm處SMD進(jìn)行測(cè)量，得到的結(jié)果如圖8所示。圖8中橫坐標(biāo)x為測(cè)點(diǎn)的徑向位置坐標(biāo)，x=0對(duì)應(yīng)噴嘴正下方的位置。如圖8 a所示為不同采樣粒子數(shù)目時(shí)測(cè)得的SMD數(shù)據(jù)，從圖中8可以看出，當(dāng)采樣粒子數(shù)目大于等于5 000時(shí)得到的SMD數(shù)據(jù)隨粒子數(shù)目增加變化不明顯。因此取采樣5 000粒子數(shù)目，在液相壓力為1.0 MPa時(shí)對(duì)噴嘴下游30 mm處對(duì)不同時(shí)刻的SMD進(jìn)行測(cè)量，得到結(jié)果如圖8b所示，相差最大處差值為1.7 μm，誤差在允許的范圍內(nèi)，因此可以認(rèn)為采樣5 000顆粒所得到的數(shù)據(jù)為有效數(shù)據(jù)。

圖8 噴嘴下游30 mm處SMD重復(fù)性試驗(yàn)測(cè)量結(jié)果

3 試驗(yàn)結(jié)果及分析

氣旋耦合噴嘴不同相位噴霧錐角及其變化規(guī)律差異較大，如圖9所示為液相壓力在1.0 MPa氣液比在0.35時(shí)氣旋耦合噴嘴不同相位噴霧錐角大小，此時(shí)0°方向噴霧錐角為42°，而90°方向?yàn)?4°，由圖9可以看出，此工況條件下可以得到一個(gè)扁平的霧型。

圖9 液相壓力1.0 MPa、氣液比為0.35時(shí)噴霧錐角

3.1 噴霧錐角及其變化規(guī)律

圖10～圖12分別為液相壓力在0.6 MPa，1.0 MPa及1.4 MPa時(shí)，氣旋耦合噴嘴0°方向和90°方向噴霧錐角隨氣液比變化規(guī)律曲線。在氣液比較小時(shí)，0°方向噴霧錐角明顯大于90°方向，此時(shí)可以得到扁平的霧型，隨著氣液比的增加，在不同液相壓力下，0°與90°方向噴霧錐角的大小關(guān)系也不同。在液相壓力較小(0.6 MPa)時(shí)，當(dāng)氣液比大于0.66，90°方向的噴霧錐角開始大于0°方向，在氣液比為1.10時(shí)二者間差值最大，90°方向噴霧錐角比0°方向大10°。在液相壓力為1.0 MPa時(shí)，當(dāng)氣液比增加至0.69，90°方向與0°方向噴霧錐角基本相等，隨著氣液比繼續(xù)增加，二者間差值保持在2°以內(nèi)。當(dāng)液相壓力增加至1.4 MPa，0°方向噴霧錐角始終大于90°方向，但是隨氣液比增加二者間差距減小，當(dāng)氣液比為0.89時(shí)二者間差值最小，0°方向的噴霧錐角比90°方向大5°。

圖10 液相壓力為0.6 MPa不同相位噴霧錐角

圖11 液相壓力為1.0 MPa不同相位噴霧錐角

圖12 液相壓力為1.4 MPa不同相位噴霧錐角

如圖13所示，對(duì)比了同相位在不同液相壓力下噴霧錐角隨氣液比的變化規(guī)律。由圖13可以看出，0°方向與90°方向噴霧錐角的變化規(guī)律具有較大差異，隨著氣液比的增加，0°方向噴霧錐角受氣液比影響較小，而90°方向噴霧錐角則呈現(xiàn)出明顯的先增大后略有減小的規(guī)律。

在氣旋耦合噴嘴0°相位，噴霧沒有受到預(yù)膜片的限制，噴霧錐角與離心噴嘴自身的特性一致，由圖13a中可以看出，隨著液相壓力增加，噴霧錐角有明顯增加。在氣旋耦合噴嘴90°相位，液體顆粒打在預(yù)膜片上聚集形成液膜，隨后在氣流的作用下在預(yù)膜片的邊界脫落并破碎，因此該方向噴霧錐角受氣流影響較大。盡管液相壓力不同，但是90°方向噴霧錐角均呈現(xiàn)出先增大后減小的趨勢(shì)。空氣經(jīng)由預(yù)膜片之間的通道流出后會(huì)先發(fā)生一定程度的膨脹并向下游運(yùn)動(dòng)，與周圍靜止空氣之間相互作用，在兩側(cè)產(chǎn)生剪切層，將外部空氣卷吸到射流中，隨著氣液比的增加，氣體膨脹作用增強(qiáng)，在氣流作用下噴霧錐角增大；當(dāng)空氣流量增加到一定程度，氣體的膨脹作用達(dá)到極限，但在氣流慣性的作用下，剪切層的卷吸作用增強(qiáng)，外部空氣向射流運(yùn)動(dòng)增強(qiáng)，從而壓制霧型，使得噴霧錐角略有變小。從圖13b中還可以看出，液相壓力越大，90°相位達(dá)到最大噴霧錐角的氣液比越小，最大噴霧錐角也越小。

圖13 不同液相壓力下噴霧錐角隨氣液比變化規(guī)律

3.2 霧化粒徑及其分布規(guī)律

圖14～圖16為不同液相壓力下，噴嘴下游30 mm處SMD分布。從圖14～圖16中可以看出，氣旋耦合噴嘴的SMD分布在徑向上總的來看是由中間向兩邊增加，即氣旋耦合噴嘴具有離心噴嘴的霧化特征。隨著液相壓力的增加，霧化粒徑逐漸減小。當(dāng)液相壓力較小時(shí)，霧化粒徑受氣液比的影響較大，氣液比越大，霧化粒徑越小，當(dāng)液相壓力增加，霧化粒徑受氣液比影響逐漸減弱。

圖14 0.6 MPa下游30 mm處SMD分布

圖15 1.0 MPa下游30 mm處SMD分布

圖16 1.4 MPa下游30 mm處SMD分布

韋伯準(zhǔn)則[17]對(duì)于液滴在氣流作用下的破碎方面得到了廣泛認(rèn)同，即液滴所受氣動(dòng)力與表面張力比值達(dá)到臨界之后液滴開始變形破碎。由韋伯?dāng)?shù)定義

可知在相同條件下，要達(dá)到臨界韋伯?dāng)?shù)，速度平方的倒數(shù)(1/U2)與液滴尺寸成正比。

如圖14所示為液相壓力0.6 MPa時(shí)SMD的徑向分布，由圖14中可以看出，氣液比越大，SMD減小并且沿徑向分布越平緩。在液相壓力較小的情況下，顆粒尺寸較大，需要達(dá)到臨界韋伯?dāng)?shù)所需要的速度不高，因此氣的作用比較明顯，隨著氣液比的增加，氣動(dòng)霧化的效果越強(qiáng)，使噴嘴呈現(xiàn)出氣動(dòng)霧化噴嘴的特性，霧化粒徑沿徑向分布變得平緩，當(dāng)氣液比達(dá)到1.54時(shí)，SMD最大值與最小值相差不到7 μm。

隨著液相壓力的增加，顆粒尺寸減小，由韋伯準(zhǔn)則可知，液體顆粒進(jìn)一步破碎所需要的速度要求更高，因此，液相壓力越高離心噴嘴的作用就越明顯，液體顆粒的尺寸受氣液比影響越小。如圖15所示為液相壓力為1.0 MPa時(shí)的SMD分布，此時(shí)在不同氣液比時(shí)，液體顆粒尺寸變化不明顯，總體上相差不到5 μm，SMD最小值基本上在25μm左右。

圖16為液相壓力在1.4 MPa時(shí)噴嘴下游30 mm處的SMD分布，除了氣液比ALR=0.30以及ALR=0.44的2條曲線，其余曲線變現(xiàn)的規(guī)律與液相壓力為1.0 MPa時(shí)的SMD具有相同的規(guī)律。這是由于此時(shí)液相壓力大，離心噴嘴原本產(chǎn)生的液體顆粒粒徑很小，由韋伯準(zhǔn)則可知，若要達(dá)到更小的霧化粒徑，需要的助霧化空氣的速度要求更高，然而當(dāng)氣液比較小時(shí)，助霧化空氣的速度顯然是不足的，加之液滴間的粘合作用使得中間區(qū)域的顆粒尺寸相對(duì)于兩側(cè)有上升趨勢(shì)，因此出現(xiàn)了如圖所示的“W”形的分布情況，中間部分的SMD基本上在27 μm左右，與1.0 MPa時(shí)的粒徑接近，這也能夠驗(yàn)證這一說法。隨著氣液比增加，霧化能力增強(qiáng)，SMD分布再次呈現(xiàn)出了離心噴嘴的特征。

由圖16可以看出，氣旋耦合噴嘴的SMD分布特征隨氣液比變化規(guī)律與離心噴嘴的初始粒徑大小有關(guān)，當(dāng)液相壓力小，離心噴嘴霧化粒徑較大 時(shí)，氣液比越大，則呈現(xiàn)出氣動(dòng)霧化噴嘴的特征越強(qiáng)，離心噴嘴的特征越弱；當(dāng)液相壓力大，離心噴嘴自身霧化粒徑較小時(shí)，SMD分布在氣液比越大時(shí)反而呈現(xiàn)出離心噴嘴特征越強(qiáng)。

圖17為液相壓力為1 MPa時(shí)，不同氣液比的噴霧中軸向位置的SMD分布。在不同氣液比中，沿程的SMD變化表現(xiàn)出相似的規(guī)律，在兩側(cè)SMD較大處，從上游至下游SMD逐漸減小，但是在中間SMD較小的區(qū)域，SMD沿程逐漸增大。液體顆粒向下游移動(dòng)的過程中，一方面在空氣的作用下進(jìn)一步霧化尺寸減小，另一方面，在氣流的作用下霧型受到壓縮，液體顆粒進(jìn)一步混合，出現(xiàn)中間部分SMD增大而兩側(cè)SMD減小，使得SMD分布變得均勻，當(dāng)氣液比增加時(shí)，氣流速度更大，使得這一過程發(fā)展更快，使得SMD的分布更為均勻，這一點(diǎn)從圖17中也可以看出。

圖17 液相壓力為1 MPa時(shí)軸向SMD分布

4 結(jié)束語

通過對(duì)試驗(yàn)中不同氣液比條件下對(duì)氣旋耦合噴嘴噴霧特性的影響規(guī)律研究，可以得出以下結(jié)論。

a.氣旋耦合噴嘴不同相位噴霧錐角變化規(guī)律差異較大，0°相位噴霧錐角基本上不受氣液比影響，變化規(guī)律與離心噴嘴一致；90°相位受氣液比影響較大，在不同液相壓力下隨氣液比的增加，噴霧錐角先增大后略有減小。

b.氣旋耦合噴嘴90°相位達(dá)到最大噴霧錐角對(duì)應(yīng)的氣液比與液相壓力有關(guān)，液相壓力越大，最大錐角對(duì)應(yīng)的氣液比越小，最大錐角的值也越小。

c.在相同的軸向位置，氣旋耦合噴嘴SMD分布基本上是中間較小，兩側(cè)較大；噴嘴中間部分的霧化粒徑沿著軸向逐漸增大，兩側(cè)則沿軸向逐漸減小。

d.氣旋耦合噴嘴霧化粒徑大小與離心噴嘴的初始霧化粒徑有關(guān)，當(dāng)液相壓力較低時(shí)，初始霧化粒徑較大，隨著氣液比的增加霧化粒徑減小，并且SMD沿徑向分布變得更加均勻；隨著液相壓力增大，初始粒徑減小，霧化粒徑受氣液比影響減弱。