空氣助力式噴嘴霧化實驗及仿真

劉海麗，彭宣化，邢玉明，陳藝文

(1.北京航空航天大學航空科學與工程學院，北京100191；2.中國燃氣渦輪研究院，四川江油621703)

1 引言

冰風洞結冰試驗的關鍵在于噴霧系統設計。噴霧系統主要用來產生云霧水滴，控制水滴直徑、液態水含量和云霧均勻區范圍。其中，噴嘴是產生霧化水滴的基本單元，直接影響結冰試驗效果。液滴平均體積直徑(MVD)是影響結冰特性的主要參數，有研究者認為，MVD可簡單有效地表征無凍雨云層中各尺寸液滴的撞擊、收集特性[1]。由于噴嘴特性在一定程度上決定了云霧的液滴尺寸分布，MVD與分布又直接影響結冰的冰形、種類、質量等，因此對噴嘴地面試驗的粒徑研究有著重要意義。本文利用自行設計的空氣助力式氣動霧化噴嘴，對其霧化特性進行了實驗研究，分析了噴嘴入口水壓、氣壓等因素對液滴MVD的影響，并利用Fluent軟件對噴霧外流場進行了三維數值仿真，對仿真結果與實驗結果進行了對比。

2 地面噴霧實驗

2.1 實驗裝置

噴霧實驗的實驗裝置由霧化裝置、氣路系統、水路系統和測量系統等構成，如圖1所示。噴霧實驗裝置的關鍵部分為自行設計的空氣助力式氣動霧化噴嘴，其結構示意及實物如圖2所示。噴嘴主要尺寸為：混合室氣體入口直徑6×φ1mm，液體入口直徑1×φ1mm，混合室長44 mm，直徑12 mm，噴口直徑8×φ1mm。其工作原理為，高壓空氣、水分別由不同通道進入噴嘴混合室，在混合室經湍流擴散充分混合形成氣液混合物，再由噴口高速噴出，實現高效霧化功能。

圖1 噴霧實驗系統圖Fig.1 Experiment system for spray

2.2 實驗結果及分析

通過調節水路和氣路控制閥，使水壓分別為0.2 MPa、0.3 MPa、0.4 MPa時對應不同的氣壓，再通過調節噴嘴位置，使馬爾文粒度測試儀距噴口軸向距離分別為50 mm、100 mm、150 mm、200 mm、300 mm時測量液滴粒徑。本次實驗共測得21組數據。

圖3示出了不同水壓、氣壓與粒徑的關系。從圖中可以看到，水壓固定時，隨著噴嘴入口氣壓的升高，噴霧液滴的粒徑減小，霧化效果更好。這是因為噴射壓差越大，液體從噴口噴出時的速度越大，空氣對液膜的擾動作用就越大，于是液膜破碎得越細，形成的液滴顆粒越小。

圖4為不同水壓、氣壓時所測量的距離噴口100 mm處的噴霧液滴粒徑分布圖。從圖4(a)、圖4(b)可以看出，水壓不變、水氣之間壓差增大后區域分布的最高百分比由58.0%升高到75.8%，液滴粒徑分布的均勻性明顯提高。圖4(b)、圖4(c)、圖4(d)中粒徑區域分布最高百分比分別為75.8%、83.2%、92.0%，水氣之間壓差不變的情況下，液滴的均勻性隨噴嘴入口壓力的增大而提高。

圖5示出了噴霧液滴粒徑沿噴口軸向的變化。從圖中可以看出，隨著距噴口軸向距離的增大，液滴粒徑的變化趨勢是先減小后增大。原因為，液滴剛從噴口噴出時速度較大且相對密集，互相碰撞產生二次破碎粒徑減??；隨著距噴口軸向距離的增大，液滴速度下降，加之重力的作用及顆粒本身的脈動，使得不同顆粒碰撞后出現聚合現象，從而導致液滴粒徑變大[2]。從圖中還可以看出，隨著距噴口軸向距離的變化，液滴粒徑的最小點并不固定，其隨氣壓的增大距噴口的軸向距離變長。因為氣壓越大，氣流速度越大，液滴的慣性越大，從加速到減速的過程越長。另外，雖然三條曲線的水壓、氣壓不同，但水壓與氣壓之間的壓差不變，故其液滴粒徑變化不大。從整體上看，高入口氣壓較低入口氣壓得到的霧化粒徑小，霧化效果更好，但壓力過高又會造成噴霧流場不穩定，液滴運動速度均勻性變差，與實際云霧規律不太相符[3]。從實驗所測粒徑尺寸上看，該氣動霧化噴嘴能滿足冰風洞試驗中對液滴粒徑(20 μm左右)的要求。

圖6、圖7分別示出了氣液比(流入噴嘴的氣流和液流的質量之比，ALR)與噴嘴入口氣壓和液滴粒徑的關系。從圖中可以看出，當氣液比一定時，液滴粒徑隨著水壓的增加呈下降趨勢；當水壓一定時，氣液比隨著氣壓的增大而增大，但增大的趨勢隨著水壓的增加而減弱，并且液滴粒徑隨著氣壓和氣液比的升高而減小。這一實驗結果與空氣霧化噴嘴的霧化性能機理理論一致[4]。

3 噴嘴外流場數值仿真

3.1 噴霧流場幾何模型及網格劃分

根據實驗中噴霧錐角及所測距噴口軸向距離的需要，建立底面直徑為100 mm、高為300 mm的圓柱體模型，其網格總數為760 853，如圖8所示。

3.2 仿真數學模型

噴霧過程中，將氣體流場設為連續項，假定噴霧流場中的氣相為不可壓非穩態湍流流動，并可忽略其粘性。湍流模型采用標準k-ε模型輸運方程，且不考慮用戶自定義的源項及浮力項[5]。

將噴霧過程中的液相水滴看作離散項，采用三維不可壓非穩態雷諾時均N-S方程。在拉格朗日坐標系下，假設液滴顆粒為球形，通過積分拉氏坐標系下顆粒作用力微分方程求解離散相顆粒軌跡。

3.3 仿真結果及分析

選擇Fluent軟件中提供的空氣輔助霧化模型，并選擇液滴聚合及WAVE破碎模型；在液滴顆粒模型中選擇液滴隨機游走模型[6]。整個計算過程中，通過SIMPLEC算法求解壓力速度耦合，采用分離式求解法求解控制方程，使用二階非定常流動進行計算。

以入口氣壓0.3 MPa、水壓0.2 MPa為初始條件進行仿真，仿真結果及與實驗結果的比較如圖9所示。從圖中可以看出，實驗測量結果與仿真趨勢一致，但在距噴口軸向距離約300 mm處仿真液滴粒徑明顯小于實驗值。原因為，由于仿真所選液滴破碎模型的限制，使得碰撞后聚合的顆粒比實際的少。但誤差在允許范圍內，說明所用的流場仿真方法合理有效，可以用此方法對冰風洞試驗云霧流場進行仿真預測。

4 結論

(1)噴嘴入口水壓在0.2～0.4 MPa范圍內時，噴霧液滴的粒徑隨氣壓的升高而減小，即隨壓差的增大而減小；液滴的均勻性隨著壓差的增大和入口壓力的增大而提高。

(2)同一工況下，在距噴口軸向距離50～300 mm范圍內，液滴粒徑隨著距噴口軸向距離的增大先減小后增大；水壓與氣壓之間的壓差不變時，液滴粒徑變化不大。

(3)噴嘴入口水壓在0.2～0.4 MPa范圍內且氣壓一定時，水壓越高，氣液比越小，液滴粒徑越大。

(4)該氣動霧化噴嘴能滿足冰風洞試驗中對液滴粒徑的要求。

(5)仿真結果與實驗結果比較吻合，本文所用仿真方法可用于冰風洞試驗云霧流場的仿真預測。

[1]Kind R J，Potapczuk M G，Feo A，et al.Experimental and Computational Simulation of In-Flight Icing Phenomena[J].Progress in Aerospace Sciences，1998，34：257—345.

[2]曹建明.噴霧學[M].北京：機械工業出版社，2005.

[3]甘曉華.航空燃氣輪機燃油噴嘴技術[M].北京：國防工業出版社，2006：62—65.

[4]王貞濤，岑旗鋼，羅惕乾.雙流體噴嘴霧化特性實驗[J].化學工程，2010，38(2)：26—30.

[5]閻 超.計算流體力學方法及應用[M].北京：北京航空航天大學出版社，2006.

[6]Fluent Inc.Fluent 6.3 User’s Guide[M].Lebanon：Fluent Inc.，2006.