環(huán)境條件對(duì)離心式噴嘴霧化性能的影響

劉愛虢，于浩洋，王 棟，劉 凱，陳 雷

（沈陽航空航天大學(xué)航空發(fā)動(dòng)機(jī)學(xué)院，遼寧沈陽110136）

離心式霧化噴嘴在航空燃?xì)廨啓C(jī)、地面燃?xì)廨啓C(jī)及其他燃燒設(shè)備上得到了廣泛的應(yīng)用，這類噴嘴具有燃油流量調(diào)節(jié)范圍寬、霧化質(zhì)量好的特點(diǎn)，保證了燃燒室較好的點(diǎn)火性能和寬廣的貧油熄火范圍[1]。燃油受自身射流的不穩(wěn)定性及其所噴入介質(zhì)外阻力的共同作用被破碎為油滴[2]。燃油破碎過程受氣動(dòng)阻力、黏性力、液體的表面張力和慣性力等四種力的控制，霧化過程是霧化介質(zhì)克服表面張力及黏性力的阻尼作用離散化為液滴的過程[3]。

對(duì)離心式燃油噴嘴，影響燃油霧化特性的因素除了噴嘴的結(jié)構(gòu)參數(shù)和燃油本身的物理化學(xué)特性外，供油壓差及噴嘴的工作環(huán)境等外部參數(shù)對(duì)霧化特性也會(huì)產(chǎn)生較大的影響[4]。李向榮等[5]在可變溫度和壓力的定容燃燒彈中進(jìn)行了柴油的霧化蒸發(fā)特性實(shí)驗(yàn)研究。結(jié)果表明，噴油壓差越大，燃油的貫穿距離、錐角和投影面積越大，顯著蒸發(fā)的時(shí)刻不斷提前，混合均勻性得到改善。陳曉東等[6]研究發(fā)現(xiàn)，隨著氣體密度的增加而減小的氣液界面附近過渡區(qū)域中的平均速度分布是導(dǎo)致離心式噴嘴內(nèi)液膜厚度增加的原因。王巖[7]對(duì)不同環(huán)境條件下的噴霧過程進(jìn)行了分析。結(jié)果表明，隨著環(huán)境壓力的升高，更多的液態(tài)噴霧發(fā)生相變，有利于油氣混合及燃燒。安彥召等[8]研究了環(huán)境空氣密度對(duì)燃料噴霧特性的影響。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，環(huán)境空氣密度越高，噴霧前鋒貫穿距離越短，噴霧錐角越大。徐威[9]對(duì)混合燃料噴霧特性進(jìn)行研究的結(jié)果發(fā)現(xiàn)，隨著噴油壓差增大，霧化錐角有減小的趨勢。王維[10]進(jìn)行噴霧特性可視化實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)提高環(huán)境壓力時(shí)，雖然噴霧形態(tài)會(huì)變得粗短，但是因?yàn)闅怏w量的增加，能夠促進(jìn)油氣混合。環(huán)境溫度的升高能夠加快燃油霧化蒸發(fā)?；魝I(yè)等[11]對(duì)航空煤油和單組分碳?xì)淙剂险锿榈撵F化性能進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測試，發(fā)現(xiàn)當(dāng)供油壓力大于0.5 MPa 時(shí)兩種燃料基本霧化完全，并得到了航空煤油和正癸烷在旋流中的霧化SMD 經(jīng)驗(yàn)關(guān)系式。張亮等[12]對(duì)某型號(hào)壓力噴嘴進(jìn)行背壓環(huán)境下的霧化特性實(shí)驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，霧化錐角隨背壓的增加而減小，最終趨于穩(wěn)定。G.Lamanna 等[13]研究了定容彈腔室內(nèi)的壓力對(duì)噴霧破碎過程的影響。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，增加定容彈腔室內(nèi)的壓力會(huì)導(dǎo)致噴霧錐角增加和噴霧擴(kuò)散的增強(qiáng)，達(dá)到更好的混合效果。S.H.Park 等[14]研究了環(huán)境溫度對(duì)生物柴油噴霧特性的影響。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，噴霧液滴主要聚集在噴霧軸線中心處，隨著環(huán)境溫度的升高，在噴霧軸線中心區(qū)域燃油蒸發(fā)的質(zhì)量濃度增大，溫度升高使小液滴蒸發(fā)速度增大。J.Manin 等[15]使用正十二烷燃料在高溫高壓條件下對(duì)柴油機(jī)噴霧器進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，當(dāng)注入高溫低壓的環(huán)境中時(shí)，在氣液交界面處液體燃料的液體表面張力對(duì)霧化效果仍然會(huì)產(chǎn)生影響。

在燃?xì)廨啓C(jī)的實(shí)際工作過程中，燃燒室內(nèi)的環(huán)境壓力和溫度會(huì)發(fā)生劇烈變化，環(huán)境壓力和溫度的變化會(huì)引起空氣密度和動(dòng)力黏度等物理參數(shù)的變化，進(jìn)而影響燃油的霧化特性。目前，國內(nèi)外學(xué)者雖然對(duì)離心式噴嘴霧化特性進(jìn)行的研究較多，但是針對(duì)環(huán)境壓力和環(huán)境溫度對(duì)離心式噴嘴霧化特性影響進(jìn)行的研究較少。為獲得環(huán)境壓力和環(huán)境溫度對(duì)霧化特性的影響規(guī)律及影響機(jī)理，以便較全面地分析航空煤油在不同環(huán)境壓力和環(huán)境溫度下的霧化特性，本文通過數(shù)值模擬的方法，使用離心式霧化噴嘴研究了環(huán)境條件不同時(shí)燃油的速度分布、相分布、霧化錐角和液膜厚度等噴霧特性參數(shù)。

1 數(shù)值計(jì)算

本文研究的離心式噴嘴油路有三個(gè)旋流槽，旋流槽深度為0.51 mm，寬度為0.80 mm，槽與噴嘴軸方向的夾角為65°；旋流室直徑為5.20 mm，粗糙度為3.2；噴口直徑 1.02 mm，建立與實(shí)物噴嘴1∶1 的流體域模型，在噴口外流場取噴口下方圓柱形區(qū)域作為出口流域。在進(jìn)行數(shù)值計(jì)算時(shí)，基于壓力求解器進(jìn)行穩(wěn)態(tài)求解，選取VOF 方法，開啟能量方程，采用Realizablek?ε模型對(duì)湍流特性進(jìn)行模擬。

在流體域燃油入口邊界設(shè)置燃油的噴注壓力以及燃油溫度，噴嘴入口壓力設(shè)置為4.0 MPa，燃油相體積分?jǐn)?shù)設(shè)置為1.0，入口溫度設(shè)置為100 ℃。在空氣進(jìn)出口邊界設(shè)置不同的環(huán)境壓力以及環(huán)境溫度，為獲得霧化特性隨環(huán)境溫度、環(huán)境壓力變化的曲線，未考慮發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室內(nèi)的實(shí)際工作情況，設(shè)置環(huán)境壓力為 0.1、1.0、2.0、3.0 MPa，環(huán)境溫度為－50、50、150、250、400 ℃，燃油相體積分?jǐn)?shù)設(shè)置為 0。

2 數(shù)值模擬結(jié)果與分析

2.1 環(huán)境壓力對(duì)霧化性能的影響

2.1.1 軸截面兩相分布 在不同環(huán)境溫度下，環(huán)境壓力對(duì)軸截面的氣液兩相分布的影響相似。因此，僅研究－50、150、400 ℃的環(huán)境溫度下環(huán)境壓力對(duì)離心式噴嘴軸截面氣液兩相分布的影響，結(jié)果見圖1。

由圖1 可以看出，在同一環(huán)境溫度下，當(dāng)保持噴油壓力不變而環(huán)境壓力低于1.0 MPa 時(shí)，燃油霧化效果很好；當(dāng)保持噴油壓力不變而逐漸增大環(huán)境壓力時(shí)，燃油霧化效果明顯減弱。這是因?yàn)椋寒?dāng)環(huán)境壓力增加時(shí)與噴油壓力的壓差減小，因此燃油初動(dòng)能減小，一方面燃油自身的不穩(wěn)定性減弱，另一方面燃油與高密度氣體介質(zhì)之間的相互作用減弱，噴出的燃油不易破碎。

2.1.2 噴霧錐角 引用文獻(xiàn)[16—17]的方法獲得半噴霧錐角值，函數(shù)定義如下：

式中，β為半噴霧錐角，（°）；vx、vy、vz分別為噴嘴出口面x=0 直線上的切向、軸向、徑向速度，m/s。

將油膜區(qū)節(jié)點(diǎn)的速度值代入式（1）后取平均值，得到模擬的半噴霧錐角。環(huán)境壓力對(duì)噴霧錐角（2β）的影響如圖2 所示。由圖2 可以看出，在同一環(huán)境溫度下，噴霧錐角隨環(huán)境壓力的增大而增大，說明當(dāng)環(huán)境壓力增加時(shí)燃油遇到高壓下高密度介質(zhì)，向下噴射受阻，軸向速度下降，徑向和切向速度必然增大，因此噴霧錐角隨之增大。當(dāng)噴嘴所處的環(huán)境壓力為1.0 MPa、環(huán)境溫度為150 ℃時(shí)，噴霧錐角反而比環(huán)境壓力為1.0 MPa、環(huán)境溫度為50 ℃時(shí)大，此時(shí)噴嘴的壓差還是占據(jù)主導(dǎo)作用，環(huán)境溫度變化對(duì)噴嘴霧化效果的影響還不明顯，而且燃油溫度（100 ℃）處于50～150 ℃，此時(shí)正在經(jīng)歷一個(gè)由壓力占據(jù)主導(dǎo)作用逐步向溫度占據(jù)主導(dǎo)作用過渡的階段，所以產(chǎn)生了霧化錐角波動(dòng)這樣的情形。

2.1.3 油膜厚度分布 環(huán)境壓力對(duì)噴嘴出口處油膜厚度的影響如圖3 所示。由圖3 可以看出，噴嘴出口處油膜厚度隨環(huán)境壓力的升高而變厚，說明環(huán)境壓力的升高不利于油膜的破碎和燃油霧化；在同一環(huán)境溫度下，隨著環(huán)境壓力的升高，油膜厚度變厚的趨勢逐漸減小。

2.2 環(huán)境溫度對(duì)霧化性能的影響

2.2.1 噴霧錐角分布 環(huán)境溫度對(duì)噴霧錐角（噴嘴出口處錐角）的影響如圖4 所示。由圖4 可以看出，當(dāng)環(huán)境壓力為0.1 MPa 時(shí)，因噴油壓差較大且占主導(dǎo)作用，霧化效果很好，環(huán)境溫度雖增加，但并無明顯變化；在較高的同一環(huán)境壓力下，隨著環(huán)境溫度的增大，液滴蒸發(fā)作用加強(qiáng)，再加上氣體介質(zhì)密度減小，氣體介質(zhì)與液滴相互作用增強(qiáng)，兩個(gè)獨(dú)立因素共同作用使噴霧錐角呈現(xiàn)下降趨勢。由圖4 還可以看出，在－50 ℃的環(huán)境溫度下，環(huán)境壓力為0.1 MPa 和 3.0 MPa 時(shí)的噴霧錐角差約 10°；在 400 ℃的環(huán)境溫度下，環(huán)境壓力0.1 MPa 和3.0 MPa 時(shí)的噴霧錐角差僅為約5°，可見環(huán)境溫度的增大能減弱噴油壓差減小給噴霧錐角帶來的影響。

2.2.2 軸截面兩相分布 在不同的環(huán)境壓力下，環(huán)境溫度對(duì)軸截面氣液兩相分布的影響相似，當(dāng)環(huán)境壓力為0.1 MPa 時(shí)，氣液兩相分布（見圖1）因噴油壓差較大，霧化效果很好，環(huán)境溫度增加時(shí)燃油霧化效果并無明顯變化。因此，下面僅列舉環(huán)境壓力為1.0、2.0、3.0 MPa 時(shí)，不同環(huán)境溫度下離心式噴嘴軸截面的氣液兩相分布情況，結(jié)果如圖5 所示。

從圖5 可以看出，在同一噴油壓差下逐漸增大環(huán)境溫度時(shí)，燃油霧化效果明顯增強(qiáng)，這是因?yàn)榄h(huán)境溫度的增加，一方面使高密度氣體介質(zhì)密度變小，液滴與氣體介質(zhì)動(dòng)量交換有所增強(qiáng)，燃油與氣體之間的相互作用有所增大；另一方面，環(huán)境溫度的持續(xù)增加使氣體黏度增大，與液滴相互作用時(shí)使液滴更容易破碎；更為重要的是，環(huán)境溫度的增加，促進(jìn)了燃油的霧化蒸發(fā)。

2.2.3 軸截面溫度分布 由于不同環(huán)境壓力下環(huán)境溫度對(duì)軸截面的溫度分布影響相似，本文僅列舉環(huán)境壓力為0.1、3.0 MPa 時(shí)，不同環(huán)境溫度下離心式噴嘴軸截面的溫度分布情況，結(jié)果如圖6 所示。由圖6 可以看出，在同一噴油壓差下，當(dāng)逐漸增大環(huán)境溫度時(shí)，燃油與空氣間的熱量擴(kuò)散明顯增強(qiáng)，促進(jìn)燃油霧化蒸發(fā)，燃油在噴霧場更多以氣態(tài)分布為主；當(dāng)環(huán)境溫度一定時(shí)，增大環(huán)境壓力，溫度場變化很明顯，霧化效果明顯減弱，燃油在噴霧場更多以液態(tài)分布為主。

2.2.4 噴嘴出口油膜厚度 噴嘴出口處油膜厚度隨環(huán)境溫度變化曲線如圖7 所示。從圖7 可看出，噴嘴出口處油膜厚度總體上隨環(huán)境溫度的升高而變薄，說明環(huán)境溫度的升高有利于燃油霧化；在高環(huán)境壓力下，環(huán)境溫度對(duì)油膜厚度的影響明顯。由圖7 還可以看出，在－50 ℃的環(huán)境溫度下，環(huán)境壓力0.1MPa 和 3.0 MPa 時(shí)油膜厚度差為 0.03 mm；在 400 ℃的環(huán)境溫度下，環(huán)境壓力0.1 MPa 和3.0 MPa 的油膜厚度差僅為0.13×10－1mm?？梢?，環(huán)境溫度的增大能減弱噴油壓差減小帶來的不利的霧化影響。

3 結(jié) 論

當(dāng)環(huán)境溫度不變、環(huán)境壓力增大時(shí)，氣體密度增大，氣液間相互作用減弱，破碎發(fā)生在離噴嘴更近的地方，油膜變厚，且因油滴縱向發(fā)展受到阻礙噴霧錐角變大；當(dāng)噴油壓差很大時(shí)，提高環(huán)境溫度，環(huán)境壓力占主導(dǎo)因素，環(huán)境溫度對(duì)霧化效果影響并不明顯；當(dāng)噴油壓差較小時(shí)，提高環(huán)境溫度，環(huán)境溫度的作用慢慢提高，空氣黏度增大，液滴受熱蒸發(fā)，油膜厚度減小，噴霧錐角變小，對(duì)霧化效果影響明顯。