某旋流式燃油噴嘴流場分析

易宗禮，侯 力，游云霞，王友勝

（四川大學(xué)制造科學(xué)與工程學(xué)院，四川 成都 610065）

1 引言

燃油噴嘴是航空渦輪發(fā)動機(jī)關(guān)鍵部件，旋流式噴嘴是其中一種常用的類型。其出口處流量和霧化質(zhì)量的優(yōu)劣將直接影響發(fā)動機(jī)燃燒室性能，如噴嘴出口速度偏小使流入燃燒室的燃油質(zhì)量流率偏小，從而對航空發(fā)動機(jī)的點(diǎn)火和再點(diǎn)火可靠性不利[1]；噴嘴霧化技術(shù)不良，燃燒室內(nèi)燃油液滴直徑過大，將會出現(xiàn)液滴碰壁、火焰后移及出口溫度分布不均等問題[2]。因此對于噴嘴出口的流速及霧化角度的研究具有重大意義。文獻(xiàn)[3]用實(shí)驗(yàn)方法測得噴嘴霧化特性對噴霧燃燒點(diǎn)火過程的影響，結(jié)果表明當(dāng)噴嘴供油壓力在（0.3～0.8）MPa 變化范圍內(nèi)，噴嘴的霧化性能隨著供油壓力的提高得到改善，有利于燃燒室的點(diǎn)火性能。文獻(xiàn)[4]通過運(yùn)用CFD 方法輔助模擬得出離心式噴嘴的內(nèi)部流場；文獻(xiàn)[5]采用RNG 湍流兩方程模型和VOF 方法模擬了旋流式噴嘴的霧化。文獻(xiàn)[6]對某離心旋流式噴嘴霧化特性進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。

以上數(shù)值模擬的離心式噴嘴的旋流槽的開槽方向多為垂直于軸線方向，并在垂直于軸線平面內(nèi)中心對稱分布。所研究的旋流式噴嘴較傳統(tǒng)的切向孔式，結(jié)構(gòu)相對復(fù)雜，在總結(jié)了上述學(xué)者的研究經(jīng)驗(yàn)基礎(chǔ)上，分析了本旋流式噴嘴旋流器的結(jié)構(gòu)和噴嘴的工作原理，并根據(jù)CFD 方法分析了旋流式噴嘴的內(nèi)外部流場，著重探究了不同供油壓力時，噴嘴的霧化角度和燃油在內(nèi)部流場和外部流場的速度分布。

2 旋流式噴嘴的結(jié)構(gòu)與工作原理

研究的旋流式噴嘴是一種單通道噴嘴，主要由噴嘴殼體、油濾、彈簧及其支座、旋流器、燃油噴口與螺紋罩組成，如圖1 所示。

圖1 旋流式噴嘴剖視圖Fig.1 The Sectional View of Swirl Nozzle

其中，旋流器是影響噴嘴性能的主要元件，旋流器的結(jié)構(gòu)，如圖2 所示。為了使流體流動的均勻性，在旋流器的底部均布6個直徑為0.6mm 的圓孔，在旋流器頂部分兩次開有一對呈中心對稱分布的旋流槽。第一次開槽平面與頂部平面平行且開槽方向與旋流器軸線成45°夾角。開槽半徑和深度分別為0.2mm 和0.29mm。第二次開槽平面與頂部平面成45°且開槽方向與旋流器軸線夾角為45°，開槽半徑和深度分別為0.2mm 和0.5mm。

圖2 旋流器結(jié)構(gòu)Fig.2 The Cyclone Structure

在低壓狀態(tài)下，柴油在流道中所獲得的速度較小，此時柴油的表面張力和慣性力將起到主要作用，由于離心力較小液流仍留位柱狀并沒展開[2]。但當(dāng)外部油壓升高時，柴油在流道內(nèi)部的流動速度的將逐漸增大。在液體流過位于旋流室中的旋流器時，由于旋流室內(nèi)壁是一直徑不斷減小的回轉(zhuǎn)式結(jié)構(gòu)，且旋流器上開有具有一定傾斜角的旋流槽，燃油將被迫旋轉(zhuǎn)并擠壓到旋流槽和燃油噴口內(nèi)壁的固壁面上，燃油液膜在慣性力的作用下失穩(wěn)，使液膜破裂成為絲狀或帶狀[7]。高速旋轉(zhuǎn)的液膜與空氣相對運(yùn)動劇烈，液體表面張力及粘性力的作用減弱，液膜的長度縮短，并發(fā)生扭曲，在氣動力的作用下破碎為小霧滴，然后從噴嘴口高速噴出，形成噴霧。

3 旋流噴嘴數(shù)值模擬

由于噴嘴內(nèi)部存在氣液兩相，流場分布不能用單相流的模式分析，因此采用VOF 兩項(xiàng)流模型，將密度較輕的空氣設(shè)置為主項(xiàng)，將燃油設(shè)置為次項(xiàng)。考慮到旋流槽的尺寸結(jié)構(gòu)變化，噴嘴內(nèi)部流場充滿湍流和旋流，流體運(yùn)動復(fù)雜，因此使用帶有旋流修正的Realizable k-ε 湍流模型來模擬噴嘴內(nèi)流體的運(yùn)動。

3.1 模型建立與網(wǎng)格劃分

根據(jù)設(shè)計(jì)的噴嘴模型UG 中建立其內(nèi)部流道模型。根據(jù)前期的數(shù)值模擬試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)進(jìn)油道、彈簧及其支座等對流體壓力降的影響不大，因此數(shù)值對計(jì)模型進(jìn)行簡化。忽略進(jìn)油道、油慮和彈簧及其支座的影響。為了更加清晰的顯示從噴口噴出后的噴射角度，將噴口擴(kuò)張段擴(kuò)大成為一個長度為1mm，直徑為3mm 的圓柱形流場。故整個數(shù)值計(jì)算流體域?yàn)樾魇摇⒅惫芏魏屯獠苛鲌觯鐖D3（a）所示。

網(wǎng)格的劃分會影響計(jì)算的準(zhǔn)確性和效率。結(jié)構(gòu)性網(wǎng)格具有生成快、質(zhì)量好、計(jì)算快的優(yōu)點(diǎn)，非結(jié)構(gòu)性網(wǎng)格具有生成方便、適應(yīng)于幾何形狀復(fù)雜結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)[8]。考慮到旋流槽的結(jié)構(gòu)復(fù)雜，不能采用完全的結(jié)構(gòu)性網(wǎng)格，因此采用混合網(wǎng)格方法劃分網(wǎng)格。生成的網(wǎng)格如圖3（b）所示。

單元數(shù)量：817428 節(jié)點(diǎn)數(shù)量：168924

圖3 數(shù)值仿真的模型Fig.3 The Numerical Simulation Model

3.2 控制方程及邊界條件

流體流動的運(yùn)動狀態(tài)有兩種形式，即層流和湍流，一般用雷諾數(shù)Re 的大小作為判斷流體流動形式的標(biāo)準(zhǔn)[9]。對于圓柱液體破碎，雷諾數(shù)是十分重要的量綱參數(shù)，大雷諾數(shù)的液體湍流會大大增強(qiáng)霧化的效果[10]。對于圓管內(nèi)的流體流動，當(dāng)雷諾數(shù)Re≤2320時認(rèn)為流體是層流運(yùn)動狀態(tài)，當(dāng)2320＜Re≤13800 是半湍流過度狀態(tài)，當(dāng)Re＞13800 時認(rèn)為流體是完全湍流運(yùn)動狀態(tài)[11]。根據(jù)理想條件下流體連續(xù)性方程和伯努利方程估算速度，進(jìn)而求出雷諾數(shù)，作為迭代的初始值。

式中：ρ—燃油的密度，單位：kg/m3；do—截面的水力學(xué)直徑，對于不規(guī)則形狀可認(rèn)為是流體流通截面積與浸濕周長之比，單位：m；u—流體流動速度，單位：m/s；μ—航空煤油的動力粘性系數(shù)，μ=0.0024kg/（m·s）。

根據(jù)式（1）計(jì)算壓差0.1MPa、0.2MPa、0.3MPa、0.4MPa、0.4MPa、0.5MPa、0.6MPa、0.7MPa、0.8MPa 共8 種不同情況下的雷諾數(shù)，判斷8 種不同工況下的出口流動狀態(tài)均為湍流。由于噴嘴在工作時內(nèi)部流體與外界環(huán)境的溫差不大，可將整個系統(tǒng)視為絕熱系統(tǒng)。為了更精確模擬噴嘴內(nèi)的湍流旋流器內(nèi)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動，采用三維定常可壓縮黏性湍流流動N-S 方程和帶旋流修正的Realizable k-ε湍流模型。

式中：t—時間；ρ—流體密度；ux，uy，uz—流體沿著X、Y、Z 軸的速度分量。

不可壓縮流動沿X、Y、Z 方向的Navier-Stokes 動量方程：

X 方向：

Y 方向：

Z 方向：

一般地，si是小量，對于粘性為常數(shù)的不可壓縮si=0。為了使上述動量方程封閉，還需引入兩個方程，湍流動能k 和湍流動能耗散率ε 的微分方程：

k 方程：

ε 方程：

流場邊界條件設(shè)置：選擇壓力入口為入口邊界條件，壓力出口為出口邊界條件，出口壓力為常壓，其余邊界設(shè)置為壁面邊界條件，邊界面無滑移、無熱量交換，忽略重力的影響。燃油的物性參數(shù)由表1 給出，進(jìn)出口處的湍流強(qiáng)度大小按式（10）確定。

表1 燃油的物性參數(shù)Tab.1 The Physical Characteristics of Fuel

4 計(jì)算結(jié)果及分析

通過Fluent 軟件中VOF 兩相流隱式算法計(jì)算得出8 種不同壓差條件下旋流式噴嘴燃油流動的穩(wěn)態(tài)情況。出口處燃油的速度、流量和霧化錐角由表2 給出，不同壓差條件下燃油的速度、流量以及空氣回流速度的變化，如圖4 所示。

圖4 出口流動與壓差的關(guān)系Fig.4 The Relationship of Outlet Flow and Differential Pressure

由圖4 可以看出旋流式噴嘴出口處燃油速度和流量以及出口處空氣的回流速度都隨著進(jìn)出口壓差的增大而逐漸增大，但是燃油流量和速度的增長率隨著壓差的增長有所減小。這說明在壓差在（0.1～0.2）MPa 時，由于壓力較小，出口的速度和流量對壓差變化較為敏感，當(dāng)壓力從0.3MPa 逐漸升高時，噴嘴出口處的速度和流量增長基本不變，而空氣的回流速度在（0.3～0.5）MPa 內(nèi)增長率較小，說明壓差范圍內(nèi)空氣的回流速度較為穩(wěn)定。此外，燃油在旋流式噴嘴的霧化錐角與壓差成正相關(guān)。根據(jù)噴嘴的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)及工作條件限制，要求旋流式噴嘴的霧化錐角為70°，因此，進(jìn)出口壓差為0.3MPa 左右是最適宜的工作壓差，如表2 所示。

表2 噴嘴出口流動和噴射錐角Tab.2 The Outflow and Atomization Angle

由于各工況下的流動特性相近，只是在數(shù)值上存在差異。以工作壓差為0.3MPa 為例對旋流式噴嘴的內(nèi)外流場模擬結(jié)果進(jìn)行說明。

圖5 對稱截面的燃油分布圖Fig.5 The Oil Distribution in Symmetric Section

通過模擬獲得燃油—空氣兩相的分布，其中燃油的分布，如圖5 所示。左側(cè)深色代表燃油，右側(cè)深色代表空氣。由圖可以看出燃油通過入口后經(jīng)過旋流器的旋流后在旋流室內(nèi)與空氣開始混合并形成錐狀，此時燃油液膜在空氣的作用下開始破裂，于是在軸線方向上開始形成空心錐，然而此時燃油與空氣的混合還不夠充分，形成的空心錐的角度較小且處于不斷發(fā)展的狀態(tài)。當(dāng)燃油與空氣流動到旋流式噴嘴的直線段時，由于流道直徑的突減小，燃油的速度突然增大使燃油與空氣的相對運(yùn)動速度也隨之增大，此時，燃油與空氣混合加劇，使得燃油空心錐的角度逐漸增大并趨于一個固定角度，形成了一個較為穩(wěn)定的空心錐，然而由于內(nèi)部流場邊界對燃油和空氣的混合存在限制，燃油的霧化過程還并未完全形成。當(dāng)燃油從噴口高速噴出進(jìn)入外部流場后，在噴口附近形成沿噴嘴軸線方向?yàn)檩S的圓柱狀分布。燃油的體積分?jǐn)?shù)逐漸減小，燃油在外部流場進(jìn)一步霧化，這是由于在外部流場中燃油與空氣混合沒有了空間的限制使得氣液兩相混合更加充分，因此外部流場內(nèi)霧化錐角不變。

圖6 對稱截面的速度分布圖Fig.6 The Velocity Profile of the Symmetric Section

根據(jù)圖6 所示，在旋流式噴嘴的內(nèi)部，氣液兩相的壓力沿軸線方向（X 軸）逐漸降低，在旋流室和噴嘴直線段流體域內(nèi)，存在一個圓柱狀的低壓區(qū)，這是由于流經(jīng)旋流切向槽的旋流作用后，燃油被甩在旋流室的內(nèi)壁上，而旋流室是一個漸縮結(jié)構(gòu)，使得燃油一直緊貼內(nèi)壁，當(dāng)燃油流動到旋流室末端時已獲得較大的速度，并繼續(xù)沿著內(nèi)壁面流動至噴口噴出，因此在旋流室和噴嘴直線段中心形成一低壓區(qū)，低壓區(qū)的存在會使得外部空氣倒流進(jìn)入噴嘴內(nèi)部，這可以從圖6（b）中對稱截面內(nèi)的軸向速度看出。空氣倒流更有利于空氣與燃油的混合，從而提升霧化質(zhì)量。由圖6 可知流體在整個流場內(nèi)的軸向速度、徑向速度和切向速度均為對稱分布，其中軸向速度和切向速度大小相差不大，圖中軸向速度、環(huán)向速度和切向速度速度的數(shù)值的正負(fù)性表示速度的方向相反，這可以從速度矢量圖（e）、（f）看出。

圖7 不同截面處的切向速度和徑向速度Fig.7 The Radial Velocity and Tangential Velocity at Different Interfaces

結(jié)合圖7 可以看出，燃油的環(huán)向速度和切向速度在對稱截面內(nèi)并不是軸對稱分布，而是沿軸線中心對稱分布，這是由于旋流槽是沿軸線方向中心對稱分布度，使得燃油噴出后的速度也是中心對稱分。旋流室內(nèi)部、噴嘴出口和外流場三個垂直于軸線截面內(nèi)的徑向速度和切向速度的分布，可以發(fā)現(xiàn)徑向速度和切向速度的分布在不同位置是不斷變化的，越靠近外部，其沿著截面分布越均勻，這說明燃油從噴嘴內(nèi)部到外部流場的過程中霧化程度越來越好，如圖7 所示。

5 結(jié)論

（1）運(yùn)用VOF 兩相流方法和Realizable k-ε 模型對旋流式噴嘴進(jìn)行數(shù)值模擬噴嘴霧化，模擬效果較好。當(dāng)供油壓力為0.3MPa 時的霧化角度為70.2°，是適合此旋流式噴嘴工作條件的適宜供油壓力。（2）旋流式噴嘴內(nèi)外部流場中燃油的軸向速度沿軸線方向軸對稱分布，徑向速度和切向速度沿軸線方向在不同位置為均為中心對稱分布，但在內(nèi)外流場不同位置的分布均勻程度不同，隨著油向外部流場噴射，速度分布更均勻，霧化效果更好。（3）旋流式噴嘴的流速和霧化錐角會隨供油壓力的增大而增大，速度的增長率隨供油壓力越來越小，霧化錐角在（0.2～0.4）MPa 內(nèi)變化較小。這為后續(xù)噴嘴結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)奠定了基礎(chǔ)。