低韋伯?dāng)?shù)下燃油破碎性能模型參數(shù)影響研究

楊愛(ài)華，胡超，朱卓宇

（1.中國(guó)航發(fā)湖南動(dòng)力機(jī)械研究所；2.直升機(jī)傳動(dòng)技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖南 株洲 412002）

燃油破碎性能直接關(guān)系著空氣與燃油的混合程度，進(jìn)而影響燃燒室性能如效率、點(diǎn)火性能及尾氣排放等。利用仿真方法，研究燃油破碎過(guò)程對(duì)了解燃燒室性能有著較大幫助。同時(shí)，不同的模型參數(shù)可能對(duì)燃油破碎性能有著較大影響，須對(duì)模型仿真參數(shù)影響性進(jìn)行研究，以獲取更加符合實(shí)際的燃油破碎性能。本文根據(jù)試驗(yàn)條件，利用FLUENT，建立了環(huán)境溫度壓力下的燃油破碎WAVE三維模型，并研究了低空氣韋伯?dāng)?shù)（＜180）條件下，模型參數(shù)對(duì)燃油破碎性能影響。

1 燃油破碎性能參數(shù)

在橫向空氣流中，燃油破碎過(guò)程包括兩個(gè)初始破碎和二次破碎兩個(gè)過(guò)程，見(jiàn)圖1。對(duì)于初始破碎過(guò)程，在低韋伯?dāng)?shù)和低燃油空氣動(dòng)量流量比條件下，油柱破碎機(jī)制主導(dǎo)著液滴的形成；對(duì)于二次破碎過(guò)程，空氣動(dòng)力作用在油柱表面，剪切力作用致使液滴從油柱表面撕裂。從初始破碎到二次破碎的過(guò)渡過(guò)程可能是由于壓力或者速度增加造成的。

主燃油噴嘴液態(tài)燃油破碎的主要性能可用液滴平均直徑（SMD）及滲透高度等參數(shù)來(lái)表示。

2 試驗(yàn)條件

Leong 和 Hautman（2002）利用相位多普勒干涉法，在環(huán)境條件下進(jìn)行燃油破碎試驗(yàn)，并獲取了在不同條件下的體積流量、液滴速度和SMD。其試驗(yàn)裝置包括燃油供給系統(tǒng)和空氣供給系統(tǒng)，燃油和空氣在方形腔內(nèi)匯合。該試驗(yàn)用油為Jet-A，噴孔直徑為0.762mm，燃油噴射速度為11.65m/s，空氣入口速度為69m/s。

3 模型參數(shù)敏感性

3.1 模型參數(shù)

模型常數(shù)B0和破碎時(shí)間常數(shù)B1是WAVE燃油破碎模型兩個(gè)重要模型參數(shù)。新形成的液滴半徑γ與父液滴快速增長(zhǎng)的不穩(wěn)定表面波的波長(zhǎng)Λ成正比，見(jiàn)方程（1）。

此外父液滴半徑a變化速率與破碎時(shí)間τ、波長(zhǎng)增長(zhǎng)速度Ω有關(guān)，由方程（2）（3）計(jì)算得來(lái)。

Reitz（1987）推薦B0值為0.61。Liu（1993）推薦B1值為1.73。

在統(tǒng)一仿真條件下，通過(guò)改變一個(gè)參數(shù)，進(jìn)而獲取該模型參數(shù)對(duì)燃油破碎的性能影響。模型參數(shù)選擇為12和2倍的B0和B1推薦值。

3.2 仿真模型

根據(jù)Leong 和 Hautman (2002)燃油破碎試驗(yàn)，利用FLUENT，建立了燃油破碎三維仿真模型，見(jiàn)圖1。該計(jì)算區(qū)域包括約7百萬(wàn)四面體網(wǎng)格，其中為更好地捕捉小液滴，破碎區(qū)域被局部加密，約1.8百萬(wàn)四面體網(wǎng)格。

對(duì)于邊界條件設(shè)置，燃油入口設(shè)置為實(shí)心錐形式，空氣入口為質(zhì)量流量入口，出口為壓力出口，同時(shí)仿真條件與試驗(yàn)條件保持一致。

圖1 燃油破碎仿真模型示意圖

3.3 研究結(jié)果與分析

（1）SMD。B0和B1對(duì)液滴直徑和分布影響，見(jiàn)圖2。明顯地，B0對(duì)SMD影響較大，且B0越大，SMD越大，見(jiàn)圖2（a）；B1對(duì)SMD影響相對(duì)較小，見(jiàn)圖2（b）且當(dāng)B0=0.30，B1=1.73時(shí)，仿真結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果吻合度較好。

圖2 SMD隨距離Y的變化情況

（2）滲透高度。B0和B1對(duì)液滴滲透高度影響見(jiàn)圖3。明顯可以看出B0對(duì)液滴滲透高度比B1影響要高，且B0越大，液滴滲透高度越高，見(jiàn)圖3（a）；B1對(duì)液滴滲透高度影響相對(duì)較小，見(jiàn)圖3（b）。

圖3 滲透高度隨距離Y的變化情況

4 結(jié)語(yǔ)

本文研究了WAVE燃油破碎模型在低空氣韋伯?dāng)?shù)條件下（＜180），模型參數(shù)B0和B1對(duì)環(huán)境溫度壓力下的燃油破碎過(guò)程性能影響。通過(guò)選擇合理的模型參數(shù)值，建立了WAVE破碎三維模型，研究分析了模型參數(shù)對(duì)燃油破碎性能的影響，包括SMD和滲透高度，可以得出如下結(jié)論：

（1）B0比B1對(duì)燃油破碎性能SMD和滲透高度影響更大；

（2）B0值越大，SMD和滲透高度越大；B1值越大，滲透高度越高；

（3）空氣韋伯?dāng)?shù)小于180條件下，B0設(shè)置為0.30更加符合試驗(yàn)結(jié)果。