對(duì)撞式噴嘴在大氣環(huán)境中噴霧實(shí)驗(yàn)與數(shù)值模擬

王　婕,余永剛,劉　焜,2

(1.南京理工大學(xué) 能源與動(dòng)力工程學(xué)院,南京 210094;2.上海齊耀動(dòng)力有限公司,上海 201213)

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對(duì)撞式噴嘴在大氣環(huán)境中噴霧實(shí)驗(yàn)與數(shù)值模擬

王婕1,余永剛1,劉焜1,2

(1.南京理工大學(xué) 能源與動(dòng)力工程學(xué)院,南京 210094;2.上海齊耀動(dòng)力有限公司,上海 201213)

摘要:為了研究對(duì)撞式噴嘴在大氣環(huán)境中的噴霧特性,設(shè)計(jì)了對(duì)撞式噴嘴噴霧實(shí)驗(yàn)裝置。采用相位多普勒粒子動(dòng)態(tài)分析儀(PDA),測(cè)量了不同工況下含能液體模擬工質(zhì)霧化場(chǎng)液滴的特征參數(shù),獲得了不同噴射壓力下液滴索特爾平均直徑D32的分布規(guī)律以及噴霧場(chǎng)液滴軸向速度vz沿軸向和徑向的分布規(guī)律。在實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上,建立噴霧場(chǎng)二維非穩(wěn)態(tài)簡(jiǎn)化模型,氣相采用k-ε湍流模型,液滴破碎采用泰勒類(lèi)比破碎模型。結(jié)果表明:噴霧場(chǎng)從起始到統(tǒng)計(jì)穩(wěn)定的發(fā)展過(guò)程約需15 ms,液滴索特爾平均直徑D32的分布規(guī)律、軸向速度的計(jì)算值與實(shí)驗(yàn)結(jié)果基本吻合。

關(guān)鍵詞:液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī);對(duì)撞式噴嘴;霧化特性;數(shù)值模擬

液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)由于其性能和工作可靠性等方面的優(yōu)勢(shì),在航天領(lǐng)域具有廣泛的用途[1-3]。液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)有一個(gè)關(guān)鍵部件噴嘴直接影響發(fā)動(dòng)機(jī)的工作性能,而對(duì)撞式噴嘴通過(guò)兩股射流的對(duì)撞霧化,具有響應(yīng)快、能迅速混合和燃燒、易于制造的優(yōu)點(diǎn),是液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)常用的燃料噴射器。

針對(duì)對(duì)撞式噴嘴的霧化特性,國(guó)內(nèi)外學(xué)者展開(kāi)了一系列的研究。張蒙正等[4-5]用激光全息及圖像處理技術(shù),研究?jī)晒蓪?duì)撞射流的撞擊狀況及霧化性能,獲得了噴嘴的霧化性能參數(shù)。Anderson等人[6]對(duì)兩股射流的撞擊霧化特性進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究和數(shù)值模擬。在不同的流動(dòng)狀態(tài)和噴嘴結(jié)構(gòu)下,實(shí)驗(yàn)測(cè)量了液滴粒徑、液膜破裂的長(zhǎng)度和寬度、液膜表面波的結(jié)構(gòu),并利用線(xiàn)性穩(wěn)定性理論對(duì)液膜破碎進(jìn)行建模,對(duì)破碎長(zhǎng)度和液滴粒徑進(jìn)行了模擬計(jì)算。孫紀(jì)國(guó)等[7]用激光散射粒子儀和探針對(duì)一種40°撞擊角的對(duì)撞式噴嘴做了實(shí)驗(yàn)研究。結(jié)果表明,在一定的噴嘴壓降下,噴霧形狀為橢圓形,噴嘴壓降越大,離撞擊點(diǎn)越遠(yuǎn),霧化質(zhì)量越好。Bremond等[8]針對(duì)射流沖擊霧化,研究了從2個(gè)相同的圓柱形射流斜碰撞形成液膜及其破碎的過(guò)程特征,分析了液膜形狀、邊緣尺寸、流體速度場(chǎng)、液滴的形狀和尺寸大小等參數(shù)。Choo等[9]針對(duì)射流速度分布對(duì)2個(gè)沖擊射流形成液膜的速度和厚度做了研究,對(duì)于3種不同的射流速度,通過(guò)求解質(zhì)量、動(dòng)量和能量守恒方程對(duì)液膜的厚度和速度分布進(jìn)行預(yù)測(cè),并與實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比。Syed等[10]實(shí)驗(yàn)研究了對(duì)撞噴嘴霧化凝膠推進(jìn)劑,重點(diǎn)分析了噴嘴幾何形狀對(duì)霧化效果的影響。Baek等[11]研究了含有納米粒子凝膠材料對(duì)撞噴嘴的霧化特性,重點(diǎn)研究了不同射流速度對(duì)工質(zhì)霧化特性的影響。Avulapati等[12]實(shí)驗(yàn)研究了采用空氣輔助的方法對(duì)于對(duì)撞射流霧化特性的影響。把氣體射流引導(dǎo)到兩股液體射流撞擊點(diǎn)處以提升霧化效果,重點(diǎn)分析了液體粘度、表面張力、液體射流間的對(duì)撞角度、氣體噴射射流直徑對(duì)噴霧特性的影響。鄭剛等[13]研究了撞擊角度對(duì)于對(duì)撞式噴嘴霧化特性的影響,采用CLSVOF方法對(duì)對(duì)撞式噴嘴霧化過(guò)程進(jìn)行數(shù)值模擬。結(jié)果表明,撞擊角增加,液膜破碎長(zhǎng)度減小,液膜破碎程度和表面波幅值增加。

本文針對(duì)某含能液體模擬工質(zhì),采用相位多普勒粒子動(dòng)態(tài)分析儀(PDA),采集了對(duì)撞式噴嘴在大氣環(huán)境的霧化特性參數(shù),側(cè)重分析壓力變化對(duì)噴霧場(chǎng)霧滴軸向速度和平均粒徑等參數(shù)的影響,并在實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上建立簡(jiǎn)化的二維霧化場(chǎng)模型,對(duì)霧化過(guò)程進(jìn)行了數(shù)值模擬。

1噴霧實(shí)驗(yàn)裝置

為了研究對(duì)撞式噴嘴在大氣環(huán)境中的噴霧特性,設(shè)計(jì)了噴霧實(shí)驗(yàn)裝置,如圖1所示,由壓氣機(jī)、儲(chǔ)液箱、流量計(jì)、壓力表、PDA、噴嘴等組成。實(shí)驗(yàn)開(kāi)始先將模擬工質(zhì)注入儲(chǔ)液箱,調(diào)節(jié)壓氣機(jī)到指定實(shí)驗(yàn)壓力,再對(duì)PDA試驗(yàn)系統(tǒng)進(jìn)行手動(dòng)調(diào)焦。待噴霧穩(wěn)定后,用PDA系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)量,通過(guò)計(jì)算機(jī)輸出數(shù)據(jù)。

實(shí)驗(yàn)采用的對(duì)撞式噴嘴結(jié)構(gòu)如圖2所示,兩股射流間撞擊角2θ=30°,噴孔直徑d0=0.23 mm,中心距l(xiāng)0=3 mm。本次實(shí)驗(yàn)采用PDA實(shí)驗(yàn)系統(tǒng),該系統(tǒng)可以同時(shí)測(cè)量球形顆粒尺寸和速度,對(duì)霧化場(chǎng)無(wú)接觸、無(wú)干擾,粒徑測(cè)量范圍為0.5～200 μm,測(cè)量精度在1%以?xún)?nèi);速度測(cè)量范圍為-300～1 000 m/s,測(cè)量精度在0.1%以?xún)?nèi)。

圖2　對(duì)撞式噴嘴示意圖

坐標(biāo)軸確定方法如圖3所示,兩噴嘴連線(xiàn)中點(diǎn)為坐標(biāo)原點(diǎn)O,噴嘴出口方向?yàn)閦軸,與z軸垂直的平面是Oxy平面,在該平面內(nèi)與z軸相交且平行于噴嘴連線(xiàn)方向?yàn)閤軸方向,垂直于噴嘴連線(xiàn)方向?yàn)閥方向。r為測(cè)量點(diǎn)在Oxy平面投影到原點(diǎn)O的距離。

圖3　坐標(biāo)系示意圖

2實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

霧化工質(zhì)采用含能液體推進(jìn)劑模擬工質(zhì),粘度為1×10-3Pa·s,噴射壓力分別取2.2 MPa和2.6 MPa。噴射壓力為2.2 MPa與2.6 MPa下各截面液滴平均直徑D32的變化如圖4所示。索特爾平均直徑體現(xiàn)了液滴表面積和體積的相對(duì)大小,其值大小反映了液滴與周?chē)橘|(zhì)進(jìn)行熱質(zhì)交換的強(qiáng)弱。當(dāng)p=2.2 MPa時(shí),液滴平均直徑D32沿軸向先減小后逐步增加。當(dāng)p=2.6 MPa時(shí),液滴平均直徑D32逐步增加,當(dāng)軸向距離大于49.5 mm后,液滴平均直徑D32增加速率減小。這表明,隨著軸向距離的增加,液滴受到沿程阻力,速度減小,液滴發(fā)生聚合與二次碰撞的概率增加,使液滴的粒徑增加。p為2.6 MPa情況下的D32均小于p為2.2 MPa情況下的D32,壓力增加使液滴間相互碰撞作用力增大,液滴粒徑減小,這表明增大噴射壓力可以減小D32。

圖4　霧化液滴平均直徑D32沿軸向的變化規(guī)律

噴射壓力分別為2.2 MPa和2.6 MPa,不同液滴索特爾平均直徑D32的數(shù)目分布P如圖5所示?？梢钥闯?2種壓力下大部分液滴直徑集中在52～68 μm范圍內(nèi),隨著壓力的增大,液滴索特爾平均直徑D32在44 μm以下數(shù)目減少。在p=2.2 MPa時(shí),液滴D32在68～100 μm之間的數(shù)目與在52～68 μm間的數(shù)目相當(dāng)。p=2.6 MPa時(shí),索特爾平均直徑大于68 μm的數(shù)目是液滴索特爾平均直徑在52～68 μm之間的60%。隨著壓力的增大,在44～68 μm間的液滴數(shù)目增加,2.6 MPa情況比2.2 MPa情況下液滴D32數(shù)目整體增加10.7%,這說(shuō)明隨著噴射壓力的增加,射流動(dòng)量也增大,大氣環(huán)境中空氣擾動(dòng)加劇,液滴在下游發(fā)生二次碰撞的概率增加,液滴索特爾平均直徑往減小的方向發(fā)展,霧化液滴尺寸分布均勻。

圖6給出了噴射壓力為2.6 MPa下霧化場(chǎng)液滴軸向速度沿軸向和徑向的分布特性。液滴軸向速度u沿軸向先增加后減小,在79.7 mm和102 mm截面處,隨著徑向距離的增加,液滴軸向速度整體變化趨勢(shì)相同,都是逐漸減小,這是由于液滴往下游發(fā)展,有2股射流碰撞產(chǎn)生能量損失以及沿程阻力的存在,導(dǎo)致液滴速度逐步衰減。在r<17.5 mm之處,79.7 mm橫截面上的液滴軸向速度大于102 mm橫截面處的液滴軸向速度;r>17.5 mm時(shí),102 mm橫截面處的液滴軸向速度大于79.7 mm橫截面處液滴的軸向速度。

圖5　大氣中各測(cè)點(diǎn)的液滴平均直徑D32數(shù)目分布

3簡(jiǎn)化模型及數(shù)值模擬

3.1物理模型

針對(duì)對(duì)撞式噴嘴的特點(diǎn),對(duì)噴霧過(guò)程做出如下簡(jiǎn)化假設(shè):

①將對(duì)撞射流噴霧場(chǎng)近似作為二維氣液兩相流場(chǎng)處理;

②噴霧過(guò)程中液滴為離散相,不考慮重力的作用;

③氣相采用k-ε湍流模型;

④液滴破碎采用泰勒類(lèi)比破碎模型,液滴曳力選球形,計(jì)算過(guò)程中不考慮液滴變形。

3.2數(shù)學(xué)模型

3.2.1氣相控制方程

質(zhì)量守恒方程為

(1)

動(dòng)量守恒方程為

(2)

湍流模型采用k-ε模型,k方程為

(3)

ε方程為

(4)

式中:μt為湍流粘性系數(shù),Gk是由平均速度梯度引起的湍動(dòng)能k的生成項(xiàng);Gb是由浮力產(chǎn)生的湍動(dòng)能k的生成項(xiàng);YM為在可壓縮湍流中脈動(dòng)擴(kuò)張的貢獻(xiàn);C1ε,C2ε,C3ε為經(jīng)驗(yàn)常數(shù);σk和σε分別是與湍動(dòng)能k和耗散率ε對(duì)應(yīng)的Prandtl數(shù)。

3.2.2離散相控制方程

液滴的作用力平衡方程在笛卡爾坐標(biāo)系下的形式(i方向)為

(5)

式中:Fd(v-vd)為液滴的單位質(zhì)量曳力;v為氣相速度;vd為液滴速度;Fi為i方向上的其他作用力。

3.3幾何模型與網(wǎng)格劃分

利用Gambit對(duì)對(duì)撞式噴嘴在大氣環(huán)境中的噴射霧化進(jìn)行二維建模,噴嘴尺寸如圖2所示,大氣環(huán)境中幾何模型如圖7所示,計(jì)算區(qū)域?yàn)?00 mm×150 mm,總網(wǎng)格數(shù)約120 000個(gè),在噴嘴附近處氣液相互作用比較激烈,對(duì)這一區(qū)域網(wǎng)格做了加密處理。

圖7　大氣環(huán)境中幾何模型

3.4數(shù)值模擬結(jié)果與分析

對(duì)噴射壓力為2.6 MPa時(shí)的對(duì)撞式噴嘴在大氣環(huán)境中的霧化特性進(jìn)行數(shù)值模擬,霧化場(chǎng)液滴粒徑分布隨時(shí)間變化如圖8所示。

圖8　霧化場(chǎng)液滴粒徑分布序列圖

由圖可見(jiàn),兩股射流在撞擊點(diǎn)相撞后,繼續(xù)沿軸向和徑向發(fā)展,形成以撞擊點(diǎn)為頂點(diǎn)的錐形霧化場(chǎng),錐形外部有飛濺的細(xì)小液滴,當(dāng)t>15 ms時(shí)霧化場(chǎng)參數(shù)達(dá)到統(tǒng)計(jì)穩(wěn)態(tài)。

噴嘴噴射壓力為2.6 MPa時(shí)對(duì)撞式噴嘴霧化場(chǎng)液滴沿軸向截面的液滴索特爾平均直徑D32的模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖9所示。由圖可見(jiàn),液滴D32數(shù)值模擬結(jié)果趨勢(shì)與實(shí)驗(yàn)結(jié)果相同,平均誤差為6.53%。

圖10給出了噴嘴噴射壓力為2.6 MPa時(shí)對(duì)撞式噴嘴霧化場(chǎng)液滴u沿軸向和在102 mm截面處沿徑向的數(shù)值模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果。液滴沿軸向的軸向速度的數(shù)值模擬結(jié)果比實(shí)驗(yàn)結(jié)果要小,平均偏小5.9%。在102 mm截面處,液滴軸向速度數(shù)值模擬結(jié)果發(fā)展趨勢(shì)與實(shí)驗(yàn)結(jié)果基本一致,液滴軸向速度沿徑向逐漸減小,是射流能量損失造成的。數(shù)值模擬與實(shí)驗(yàn)結(jié)果有偏差,一部分是因?yàn)閲婌F過(guò)程是一個(gè)三維過(guò)程,把它簡(jiǎn)化為二維過(guò)程帶來(lái)的偏差;另一部分是因液滴碰撞破碎與聚合模型以及初始條件設(shè)定產(chǎn)生的誤差。

圖9　液滴D32數(shù)值模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果軸向分布比較

圖10　液滴軸向速度數(shù)值模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果沿軸向和徑向分布對(duì)比

4結(jié)論

綜合本文實(shí)驗(yàn)與數(shù)值模擬結(jié)果,得出如下結(jié)論:

①隨著噴射壓力的增加,液滴間相互碰撞作用力增大,液滴索特爾平均直徑D32減小,噴射壓力在2.6 MPa時(shí),液滴索特爾平均直徑D32沿軸向的增加速度小于噴射壓力為2.2 MPa時(shí)液滴索特爾平均直徑D32的增加速度。

②在一定的截面上,測(cè)量點(diǎn)離中心軸越遠(yuǎn),液滴軸向速度越小,由于液滴往下游發(fā)展,有兩股射流碰撞產(chǎn)生能量損失以及沿程阻力的存在,導(dǎo)致液滴速度逐步衰減。

③數(shù)值模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果吻合較好,平均誤差在5.9%～6.5%之間,說(shuō)明本文采用的理論模型和數(shù)值模擬方法是可行的。

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Experiment and Simulation Studies on Impinging Nozzle in Atmospheric Environment

WANG Jie1,YU Yong-gang1,LIU Kun1,2

(1.School of Energy and Power Engineering,Nanjing University of Science and Technology,Nanjing 210094,China;2.Shanghai MicroPowers Co.Ltd,Shanghai 201213,China)

Abstract:To study the spray characteristics of impinging nozzle in atmospheric environment,the experiment device of impinging nozzle was designed.The distribution characteristics of the spray parameters in the spray field under different conditions were measured with PDA system.Sauter mean diameter(D32)and axial velocity(vz)along the axial and radial direction were gained under different injection pressures.Based on the experiment results,the two-dimensional unsteady simplified model was established.The gas phase was simulated by usingk-εturbulence model,and Taylor analogy breakup model was used in simulating droplets’breakup.The results show that the time of the spray field being statistically stable takes about 15 ms.The simulated results ofD32andvzagree well with the experimental data.

Key words:liquid-propellant rocket engine;impinging nozzle;spray characteristic;numerical simulation

收稿日期:2015-12-02

基金項(xiàng)目:教育部博士點(diǎn)基金項(xiàng)目(20113219110024)

作者簡(jiǎn)介:王婕(1992- ),女,碩士研究生,研究方向?yàn)楹懿牧系撵F化。E-mail:13770831835@163.com。 通訊作者:余永剛(1963- ),男,教授,研究方向?yàn)楹懿牧系撵F化與燃燒。E-mail:yonggangy@21cn.com。

中圖分類(lèi)號(hào):V434

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A

文章編號(hào):1004-499X(2016)02-0047-06