雙氣流霧化噴嘴氣流場的數(shù)值模擬

胡堯強(qiáng)， 陳永雄， 梁秀兵， 徐濱士， 李海軍

(1. 裝甲兵工程學(xué)院機(jī)械產(chǎn)品再制造國家工程研究中心， 北京 100072； 2. 裝甲兵工程學(xué)院裝備再制造技術(shù)國防科技重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 北京 100072; 3. 66222部隊(duì)， 北京 102202)

雙氣流霧化噴嘴氣流場的數(shù)值模擬

胡堯強(qiáng)1,2， 陳永雄1， 梁秀兵1， 徐濱士2， 李海軍3

(1. 裝甲兵工程學(xué)院機(jī)械產(chǎn)品再制造國家工程研究中心， 北京 100072； 2. 裝甲兵工程學(xué)院裝備再制造技術(shù)國防科技重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 北京 100072; 3. 66222部隊(duì)， 北京 102202)

為分析輔助氣流在雙氣流霧化噴嘴霧化燃油過程中所起的作用，以自行開發(fā)的一種用于高速燃?xì)鈬娡繕尩碾p氣流霧化噴嘴為例，運(yùn)用計(jì)算流體動力學(xué)(Computatuinal Fluid Dynamics,CFD)模擬技術(shù)計(jì)算了該噴嘴氣流場，分析了輔助氣流對噴嘴氣流場分布的影響規(guī)律。結(jié)果表明：輔助氣流使氣流噴射錐角和噴射錐空域都有所減小，氣流場高速區(qū)擴(kuò)大。這保證了噴嘴氣流場結(jié)構(gòu)的完整，增強(qiáng)了霧化效果，實(shí)現(xiàn)了霧化噴嘴在較大供氣壓力范圍內(nèi)的穩(wěn)焰功能和優(yōu)異的霧化性能。

高速燃?xì)鈬娡?；?jì)算流體動力學(xué)；霧化噴嘴

高速燃?xì)鈬娡渴抢锰囟ńY(jié)構(gòu)的噴嘴對燃料高效燃燒產(chǎn)生的高壓燃?xì)膺M(jìn)行加速，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對噴涂材料加熱、加速的一類熱噴涂技術(shù)。采用此技術(shù)制備的涂層具有結(jié)合強(qiáng)度高、結(jié)構(gòu)致密和表面粗糙度低等優(yōu)點(diǎn)[1-3]。在一些特定場合，采用以空氣為助燃?xì)?、航空煤油為燃料的高速燃?xì)鈬娡考夹g(shù)，可大幅提高噴涂的安全性，降低系統(tǒng)運(yùn)行成本。由于只有高效霧化的燃油才能在含氧量較低的空氣里穩(wěn)定燃燒，因此，實(shí)現(xiàn)煤油的高效霧化是保證煤油在空氣中穩(wěn)定燃燒進(jìn)而獲得高速燃?xì)獾闹攸c(diǎn)和難點(diǎn)?；诖耍P者提出了一種霧化效力強(qiáng)、具有穩(wěn)焰功能的雙氣流霧化噴嘴結(jié)構(gòu)，利用計(jì)算流體動力學(xué)(Computatuinal Fluid Dynamics,CFD)模擬技術(shù)模擬了有、無輔助氣流時(shí)的霧化噴嘴氣流場，并分析了輔助氣流的作用，以期為進(jìn)一步分析輔助氣流對噴嘴氣流場的影響、優(yōu)化噴嘴的結(jié)構(gòu)提供指導(dǎo)。

1 數(shù)值建模

圖1為雙氣流霧化噴嘴的結(jié)構(gòu)原理圖。其中：噴嘴由中心錐體和內(nèi)、外套筒組成；內(nèi)套筒與中心錐體構(gòu)成主腔室，外套筒與內(nèi)套筒構(gòu)成副腔室，噴嘴工作時(shí)，主、副腔室均通入壓縮空氣；內(nèi)套筒壁上附有進(jìn)油孔，燃油從進(jìn)油孔進(jìn)入主腔室并在套筒壁面上鋪展成油膜；主腔室的主氣流對油膜進(jìn)行加速，并將其帶至噴口噴出，副腔室的輔助氣流在噴口處與主氣流及其攜帶的燃油相遇，發(fā)生剪切作用，將燃油破碎、霧化[4-5]。圖1中：d1為中心錐體錐頭直徑；d2、d3分別為主腔室和副腔室出口直徑；d4為主腔室入口直徑;d5為油孔直徑;α為中心錐體錐端夾角;β為主腔室出口張角;L為油孔與噴口距離;r1為油孔軸線與噴嘴軸線距離。

考慮到霧化噴嘴要裝配至噴槍工作，且文中只模擬氣流場，無需燃油的加入，因此計(jì)算域只取噴嘴裝配至噴槍后氣體流動空間剖面圖的一半，且省去了進(jìn)油孔結(jié)構(gòu)。為更加明確地分析輔助氣流的作用，對有、無輔助氣流時(shí)的霧化噴嘴氣流場均進(jìn)行了模擬，其霧化噴嘴數(shù)理模型計(jì)算域如圖2所示。在模擬計(jì)算過程中，將物理模型內(nèi)壓縮空氣的流動簡化為穩(wěn)態(tài)湍流模型，空氣視為理想氣體，噴嘴主、副腔室及噴槍腔室內(nèi)壁絕對光滑，忽略氣體與外界的傳熱，將流動當(dāng)作定常絕熱等熵可壓縮流處理[6-7]。

圖1 雙氣流霧化噴嘴原理圖

圖2 霧化噴嘴數(shù)理模型計(jì)算域

2 數(shù)值模擬結(jié)果與分析

2.1 噴嘴氣流場的基本特征

圖3為有、無輔助氣流時(shí)在6 bar供氣壓力下噴嘴氣流場的速度云圖，可知在2種情況下，噴嘴氣流場的分布存在相似特征：1)流出噴嘴的噴射氣流先向斜上方擴(kuò)展，而后向?qū)ΨQ軸處收攏，最后沿對稱軸向出口方向流動；2)氣流由擴(kuò)展到收攏的運(yùn)動路徑形成“弧狀”結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)內(nèi)部靠近對稱軸處有近似的“空化”結(jié)構(gòu)，“空化”與“弧狀”結(jié)構(gòu)之間的區(qū)域是低速回流區(qū)。圖4為噴嘴出口附近的氣流速度場矢量圖(在進(jìn)行數(shù)據(jù)處理時(shí)，利用“鏡像”功能將對稱軸上半部圖像“鏡像”到了下半部)，可清晰地看到低速回流區(qū)。低速回流區(qū)具有穩(wěn)定燃燒火焰的作用[8-10]。

由于液體的霧化主要在噴嘴出口附近完成，因此本文主要研究噴嘴出口附近氣流場的特性。氣流的噴射錐角和流動速度是反映此處流場特性的2個關(guān)鍵參數(shù)。氣流噴射錐角為2×(90°-θ)，其決定液體從噴嘴噴射后的散布程度，即決定可用來支持液體燃料燃燒的空域。氣流速度決定液體所受剪切力，氣流速度越大，液體受到的剪切力越大，霧化效果越好，有、無輔助氣流時(shí)氣流場的這些特征參數(shù)會有所不同。

圖3 噴嘴氣流場速度云圖

圖4 噴嘴出口附近的氣流速度場矢量圖

2.2 2種結(jié)構(gòu)噴嘴氣流場對比分析

圖5、6分別為不同供氣壓力下有、無輔助氣流時(shí)噴嘴氣流速度場分布?？梢钥闯觯?)有輔助氣流作用時(shí)，3種供氣壓力下噴嘴氣流場結(jié)構(gòu)完整；2)在供氣壓力為4 bar時(shí)，無輔助氣流作用時(shí)，流場“弧狀”結(jié)構(gòu)、“空化”結(jié)構(gòu)及回流區(qū)內(nèi)的速度等值線數(shù)目較有輔助氣流時(shí)稀少且與弧狀結(jié)構(gòu)以外氣流速度差值??；3)有輔助氣流時(shí)，噴嘴出口處氣流最高速度較無輔助氣流時(shí)低，但氣流場的高速區(qū)范圍比無輔助氣流時(shí)大(有輔助氣流時(shí)氣流場云圖的深色區(qū)域比無輔助氣流時(shí)氣流場云圖的面積大)；4)輔助氣流在副腔室內(nèi)的整體速度比主氣流在主腔室內(nèi)的整體速度要高，高速輔助氣流的作用是高速區(qū)擴(kuò)大的原因之一。在工程實(shí)際應(yīng)用中，由于設(shè)備的限制和降低運(yùn)行成本的考慮，不可能無限制地靠增大供氣壓力來提高氣流速度，因此輔助氣流的這種作用就顯得十分必要。

圖7為氣流場中徑向位置為0.005 5 m的水平直線上的速度分布?？芍?)該直線上在橫坐標(biāo)為-0.001～0范圍內(nèi)無輔助氣流時(shí)的氣流速度較大，橫坐標(biāo)為-0.01～-0.001范圍內(nèi)有輔助氣流時(shí)的氣流速度較大；2)有輔助氣流時(shí)，噴嘴出口附近“弧狀”結(jié)構(gòu)內(nèi)氣流噴射速度可達(dá)220 m/s，高速區(qū)的擴(kuò)大可以增強(qiáng)霧化效果。

圖5 不同供氣壓力下有輔助氣流時(shí)噴嘴氣流速度場分布

圖6 不同供氣壓力下無輔助氣流時(shí)噴嘴氣流速度場分布

圖7 流場中徑向位置為0.005 5 m的水平直線上的速度分布

表1為不同壓力有、無輔助氣流時(shí)噴嘴氣流場的特征參數(shù)，其中：噴射錐空域用圖5、6中水平白線所指縱坐標(biāo)值(即噴射錐底面圓半徑)表示。由表1可知：1)輔助氣流使噴射錐角、噴射空域和氣流最高速度都有所減小，結(jié)合圖5、6可知其同時(shí)使氣流場的高速區(qū)擴(kuò)大；2)上述作用在供氣壓力較低和較高時(shí)更明顯，供氣壓力為4、6 bar時(shí)兩者最高速度之差、噴射錐角之差、噴射錐底面圓半徑之差更大。這種作用可使噴嘴氣流場在不喪失回流區(qū)的前提下，獲得更高的噴口附近氣流整體速度，從而保證了噴嘴的穩(wěn)焰作用和其對燃油的高效霧化效果。

輔助氣流對燃油的剪切作用促進(jìn)了從主腔室噴出油膜的破裂，再結(jié)合出口附近更大的高速區(qū)域，煤油的霧化更加充分。一般情況下，回流區(qū)的尺寸越大，燃燒越穩(wěn)定，但由于在噴涂過程中不僅要保證燃燒的穩(wěn)定，還要兼顧燃燒的效率，因此，只有高效快速的燃燒才能保證迅速產(chǎn)生大量的高能、高壓燃?xì)?，才能得到高速的燃?xì)?。盡管輔助氣流會使回流區(qū)略有減小，但也會使煤油霧化更加充分，從而使高速燃?xì)獾漠a(chǎn)生得以實(shí)現(xiàn)。

表1 不同供氣壓力噴嘴模型氣流場特征參數(shù)

注：表內(nèi)數(shù)值“/”左側(cè)為有輔助氣流時(shí)，右側(cè)為無輔助氣流時(shí)。

3 噴嘴霧化試驗(yàn)

為了檢驗(yàn)?zāi)M結(jié)果，本文利用HiSpec5型高速攝像系統(tǒng)(如圖8所示)，對設(shè)計(jì)的雙氣流霧化噴嘴在6 bar供氣壓力時(shí)的噴霧形態(tài)進(jìn)行了拍攝，曝光頻率為600 幀/s。噴霧某一瞬間照片如圖9所示，可知：1)噴射錐角為72°，與模擬結(jié)果的76°相近；2)照片中被錐形亮區(qū)包圍的淺色區(qū)域是由于該處煤油比較稀薄造成的，而此區(qū)域的煤油濃度低是由于噴嘴結(jié)構(gòu)中的中心錐體作用形成了噴霧的低速回流區(qū)。油霧的這種“中空”的錐形分布特征與CFD模擬的結(jié)果一致，說明了模擬結(jié)果的有效性。

圖8 試驗(yàn)所用高速攝像系統(tǒng)

圖9 噴霧高速攝像照片

4 結(jié)論

1) 本文對有、無輔助氣流時(shí)霧化噴嘴氣流場進(jìn)行了模擬，發(fā)現(xiàn)二者具有相似特征：從出口噴射而出的氣流先向斜上方擴(kuò)展，再收斂至對稱軸處，因擴(kuò)展和收斂造成的“弧形”結(jié)構(gòu)中有一近似的“空化”結(jié)構(gòu)，“空化”結(jié)構(gòu)與“弧形”輪廓之間形成了低速回流區(qū)，低速回流區(qū)的存在具有穩(wěn)定火焰的作用。

2) 在霧化過程中，輔助氣流可以增強(qiáng)氣流對煤油的剪切力，同時(shí)使氣流噴射錐角、噴射錐空域和氣流最高速度有所減小，但氣流場的高速區(qū)范圍顯著擴(kuò)大，可以保證噴霧結(jié)構(gòu)的完整并增強(qiáng)霧化效果，使得霧化噴嘴可以在較大的供氣壓力范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)對煤油的高效霧化和對火焰的穩(wěn)定。

3) 輔助氣流的作用通過本文的研究可以定性的確定，只是為噴嘴結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供了方向。下一步，可以就輔助氣流與主氣流的流量比在哪種范圍內(nèi)噴嘴的霧化效果較理想進(jìn)行研究。

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(責(zé)任編輯: 尚菲菲)

Numerical Simulation of the Gas Flow Field for a Double-gas Flow Atomizing Nozzle

HU Yao-qiang1,2, CHEN Yong-xiong1, LIANG Xiu-bing1, XU Bin-shi2, LI Hai-jun3

(1. National Engineering Research Center for Mechanical Products Remanufacturing, Academy of Armored Force Engineering, Beijing 100072, China；2.National Defense Key Laboratory for Remanufacturing Technology, Academy of Armored Force Engineering, Beijing 100072, China; 3. Troop No.66222 of PLA,Beijing 102202, China)

To analyze the assistant gas flow’s role in the process of atomizing fuel oil by double gas flow atomizing nozzel, the air flow field of the double gas flow atomizing nozzle which has been developed for high speed gas spraying independently is computed to analyze the assistant gas flow’s influence to the air flow field through Computational Fluid Dynamics(CFD). It is found that assistant gas minifies the cone angle and spraying area of spraying airflow, enlarges the high-speed field to make sure the air flow field’s structure intact and enhance atomizing property of the nozzle. These make the double gas flow nozzle steady flame and get superior oil spray under a wide range of gas inlet pressure.

high speed gas spraying; Computational Fluid Dynamics(CFD); atomizing nozzle

1672-1497(2015)05-0102-05

2015-07-04

國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51375492)

胡堯強(qiáng)(1990-)，男，碩士研究生。

TG174.4

A

10.3969/j.issn.1672-1497.2015.05.021