基于LES的離心噴嘴霧化仿真研究

項(xiàng)禹婷

（中國航發(fā)湖南動力機(jī)械研究所 燃燒室研究部，株洲 412002）

燃燒效率和火焰穩(wěn)定性等燃燒室性能取決于霧化噴嘴裝備性能。離心噴嘴憑借其優(yōu)秀的霧化特性和簡單的幾何構(gòu)型在發(fā)動機(jī)和燃?xì)廨啓C(jī)裝置中得到了廣泛應(yīng)用，在燃油破碎霧化過程中，液膜破碎機(jī)理和燃油霧化特性受到了諸多學(xué)者的研究和關(guān)注。

在霧化兩相流中，湍流能量通過移動交界面實(shí)現(xiàn)交換。不同于固體壁面，移動交界面各向異性程度更高，湍流傳遞更為劇烈，這對湍流模型提出了更高要求。LES模型基于N-S方程整體平均和空間過濾特點(diǎn)，對影響湍流的大渦進(jìn)行解析，并結(jié)合LES湍流模型對霧化過程數(shù)值進(jìn)行研究，結(jié)果表明表面波不穩(wěn)定性對霧化粒徑有著重要影響[1-3]。然而，很少有關(guān)于離心噴嘴表面波模態(tài)及發(fā)展方面的研究，因此本文將基于VOF-LES方法對離心噴嘴進(jìn)行霧化仿真，捕捉液膜、液絲破碎過程和具體結(jié)構(gòu)，在此基礎(chǔ)上研究表面波模態(tài)。

1 試驗(yàn)方法

本文研究對象為典型離心噴嘴，結(jié)構(gòu)如圖1所示，相關(guān)幾何參數(shù)如表1所式。試驗(yàn)液體采用RP-3航空煤油，試驗(yàn)油壓范圍為0.35～2.5MPa。采用CCD高速攝影設(shè)備對破碎過程進(jìn)行觀測，并利用LSA-III型馬爾文滴徑測量儀對距噴嘴下游15mm處液霧SMD進(jìn)行測量。

圖1 離心噴嘴的結(jié)構(gòu)原理示意圖

表1 離心噴嘴結(jié)構(gòu)參數(shù)

2 仿真方法

LES的質(zhì)量守恒和動量守恒方程如式（1）、式（2）所示。

式中，τij代表亞格子尺度（SGS）應(yīng)力，由Smargorinsky模型求解[4]。氣液交界面由VOF方法同步求解，體積分?jǐn)?shù)輸運(yùn)方程表達(dá)如式（3）所示。

本文計(jì)算域如圖2所示。經(jīng)過網(wǎng)格獨(dú)立性驗(yàn)證，仿真計(jì)算將采用1500萬網(wǎng)格劃分方案，最小網(wǎng)格尺度為10μm。

圖2 計(jì)算區(qū)域及網(wǎng)格

3 結(jié)果及分析

霧化仿真相界面和高速攝影圖片對比情況如圖3所示。可以看出液膜內(nèi)外表面出現(xiàn)軸向表面波和切向表現(xiàn)波，兩種模式波快速增長，導(dǎo)致下游網(wǎng)狀液絲結(jié)構(gòu)出現(xiàn)；隨后液絲在氣動力和表面張力影響下最終破碎為細(xì)小液滴。

圖3 仿真結(jié)果和高速攝影圖片對比

霧化錐角特性曲線以及液滴SMD特性曲線如圖4、圖5所示，相比經(jīng)驗(yàn)公式，仿真結(jié)果更接近試驗(yàn)值[5]。霧化錐角和SMD相對誤差均在±10%內(nèi)，由此驗(yàn)證了仿真精度較高，在此基礎(chǔ)上，對霧化機(jī)理進(jìn)行分析。

圖4 霧化錐角特性曲線

圖5 液滴SMD特性曲線

在環(huán)境氣體、表面張力和液體粘度的影響下，最不穩(wěn)定表面波的增長引起了液膜破碎；軸向波發(fā)展受Kelvin-Helmholtz（K-H）不穩(wěn)定性主導(dǎo)，當(dāng)液膜當(dāng)?shù)仨f伯?dāng)?shù)滿足Weg～O時(shí)，氣動力和表面張力交替主導(dǎo)，此時(shí)液膜破碎生成液絲，隨后進(jìn)一步破碎為液滴，如圖6（a）所示；在切向波的影響下，由表面張力所導(dǎo)致的擾動的發(fā)展和影響使得柱狀液絲的“頸部”細(xì)化，最終球狀液滴剝落，如圖6（b）所示。圖中周向波長約為液絲直徑的4.3～4.8倍

4 結(jié)論

本文基于LES-VOF方法研究了離心噴嘴霧化機(jī)理和霧化特性。主要結(jié)論如下：

（1）基于LES的離心噴嘴霧化仿真得到不同油壓下的霧化錐角和液滴粒徑，誤差帶均為±10%，可為噴嘴設(shè)計(jì)提供參考；

（2）數(shù)值結(jié)果表明液膜和液絲破碎過程同時(shí)受到切向表面波和軸向表面波影響，Rayleigh不穩(wěn)定和K-H不穩(wěn)定分別主導(dǎo)切向表面波和軸向表面波發(fā)展?fàn)顟B(tài)。

圖6 表面波發(fā)展及破碎