微型燃气涡轮发动机喷嘴雾化性能研究-t_‰Wql.pdf

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1、第 2 7卷第 1 1 期 2 0 0 7年 1 1月 北 京 理 工 大 学 学 报 Tr a n s a c t i o n s o f B e i j i n g I n s t i t u t e o f Te c h n o l o g y Vo I 2 7 NO 1 1 NO V20 07 文章编号：1 0 0 1 0 6 4 5(2 0 0 7)1 1 0 9 5 2 0 4 微型燃气涡轮发动机喷嘴雾化性能研究 李聪，方蜀州，张平(北京理 工大学 宇航科学技术学院，北京 1 0 0 0 8 1)摘要：针 对微型燃气涡轮发动机喷嘴的雾化对燃烧室火焰稳 定性、温度分 布和燃烧效率 的

2、影响 对 某微型燃 气 涡轮发动机喷嘴的雾化情况进行 了数值模拟，并利用平面粒子图像测速仪(P I V)X 雾化流场进行了测试，并与数值 模拟结果进行相互验证 结果表明，实验结果与数值模拟 结果符合较好 该研究为微型燃气涡轮发 动机的喷嘴、燃 烧室设计及燃烧数值计算提供理论及试验基础 关键词：微型燃气涡轮发动机；雾化；数值模拟；粒子 图像测速仪(P I V)中图分类号：V2 3 1 2 3 文献标识码：A No z z l e S p r a y Ch a r a c t e r i s t i c s o f M i c r o-Tu r b i ne En g i n e s LI Co

3、n g，FANG S hu z h o u，ZHANG Pi ng (S c h o o l o f Ae r o s p a c e S c i e n c e a n d E n g i n e e r i n g，Be i j i n g I n s t i t u t e o f Te c h n o l o g y，B e ij i n g 1 0 0 0 8 1，Ch i n a)Ab s t r a c t：Th e n o z z l e s p r a y c h a r a c t e r i s t i c s of mi c r o-t u r bi ne e n gi

4、 n e s a f f e c t t h e s t a bi l i z a t i o n o f f l a me o f t h e c o mbu s t i o n c ha mbe r，t h e d i s t r i bu t i o n o f t e mp e r a t u r e，a n d t h e e f f i c i e nc y o f c o mb u s t i o n Th e a r t i c l e s i mu l a t e s t he s p r a y p r o c e s s i n a mi c r o t u r b i

5、ne e n g i ne，a nd me a s u r e s t h e s p r a y f l o w f i e l d u s i ng p a r t i c l e v e l o c i me t r yThe c a l c u l a t e d r e s u l t s a n d e x p e r i me nt a l r e s u l t s we r e c o mp a r e d wi t h e a c h o t he r，a n d i t s h o we d go o d c o n s i s t e nc i e s The s e

6、d a t a c a n p r o v i d e t h e o r e t i c a l a n d e x p e r i me n t a l f ou n d a t i o ns f o r t h e n o z z l e de s i gn，c o mb u s t i o n c ha mb e r d e s i g n a n d nu me r i c a l s i mu l a t i o n o f mi c r o t u r b i n e e n gi ne s Ke y wo r d s：mi c r o t u r bi n e e n gi n

7、e；a t o mi z a t i o n；nu me r i c a l s i mu l a t i o n；p a r t i c l e i ma g e v e l o c i me t r y (PI V)微型燃气涡轮发动机具有重量轻、功率大、推重 比高、噪音低等特点，在提高性能方面有着巨大的潜 力l 1 作为其关键部件 之一的燃烧室燃 料雾化喷 嘴，其雾化情况的好坏直接影响燃烧室火焰稳定性、温度分布和燃烧效率，所以对喷嘴的雾化情况进行 研究具有重要意义作者对某微型燃气涡轮发动机 喷嘴对水的雾化情况进行了数值模拟，利用平面粒 子图像测速仪(P I V)对雾化流场进行了测试，并与

8、数值模拟结果 进行 相互验证 该喷嘴基 本参 数如 下：采用的压力式喷嘴为单孔喷嘴，喷雾为空心锥 喷孔直径 d为 0 6 mm，喷射压力 P为 0 8 MP a，流 量 Q为 3 0 0 mL mi n 1 喷嘴雾化情况的数值计算 1 1 基本假 设 只计算喷雾的稳态过程，考虑重力和空气阻力 的影响；水 的密度 P为 9 9 7 5 6 k g m ，摩尔粘度 为 8 8 8 71 0 k g (m s)，温度 T为 2 9 3 K 1 2 控制方程 忽略气液相 间的质量传输，认 为液滴为球形，收稿 日期：2 0 0 7 0 41 9 基金项 目：国家部委预研项 目(0 8 0 1 0 5)作

9、者简介：李聪(1 9 8 1 一)，男，博士生，E ma i l：l c t d 1 6 3 c o rn；方蜀州(1 9 6 8 一)，男，教授，博士生导师 维普资讯 http:/ 科技论坛:w w w.t e c h-d o m a i n.c o m第 1 1期 李聪等：微型燃气 涡轮发动机喷嘴雾化性能研究 9 5 3 不考虑液滴 间的相 互作用，流场 中存在两相流动，其控制方程为 气 相：+3 G g。3 T。3 x。3 y。a z +H (1)O X Y z 液相：t+3x+=Hg (2)a。av。az、。其 中 H=一 Hi=一(0，F x，V y，F ，“+硼+q 1)，下标 g

10、，1 分别表示气相和液相；U ，E ，F ，G 为通常物理 意义的矩阵；F x，V y，F 分别 为 相间阻力 F沿z，Y，z方向的分量；q l 为相间传热 1 3 液滴破碎模型 计算 中采用韦伯数判断模型(R D模型)，该模 型由 R e i t z 和 D i w a k a r 提出f 2 ，其思想是针对每一 个液团和每一个时间微段，计算其韦伯数(We)，据 此判断破 裂过程、生存 时 间和 新生液 滴直径 当 We 6 0时，油 团发 生变形；当 We0 5 R e 时，会分裂出新液滴，但 自身不会完全破裂 1 4 湍流模型 通过计算，此喷雾 过程 中雷诺数 为 1 0 2 5 1 0

11、 在高雷诺数的情况 下，最 一 e R NG模 型与 标准 七 一 e模型具有相 同的形式，但在方程中出现一 个新的附加生成项，当流动快速畸变时该项显著增 大，在一定程度上改善了对复杂湍流问题的模拟结 果I 4 ，所以计算中选择 k-e R NG模型该模型把 湍流视为受随机力驱动 的输运过程，通过频谱分析 消去其中的小尺度涡并将其影响合并到涡粘性 中 1 5 计算结果 图 1是雾化粒子 的速度矢量分布情况，可以看 出，液滴出口速度为 1 7 7 3 m s 由射流力学知，射 流以初始速度出射后，与周 围静止 空气间形成速度 不连续的间断面，这些间断面是不稳定的，必定产生 波动，并发展成漩涡，从

12、而引起紊动这样就会把周 围处于静止的空气卷吸到射流 中，形成射流 的卷吸 现象I 6 J 随着紊动的发展，被卷 吸并与射流一起运 动的空气不断增多，射流边界逐渐 向两侧扩张另 外，由于空气与射流的掺混，相应地产生了对射流的 阻力，使射流边缘部分流速降低 雾化角是判断喷嘴雾化效果的重要指标通过 计算可知，当其雾化角为 6 0。时，雾化很均匀，喷嘴 具有很好的雾化效果 缀 图 1 流 场 粒 子 透 度 矢 量不 意 图 Fig 1 Di a g r a m o f v e lo c i t y v e c t o r 2 喷嘴雾化情况 的测量 采用 P I V(p a r t i c l e i

13、 ma g i n e v e l o c i me t r y)系统进 行测量 P I v利用激光成像原理，通过高分辨力的 C C D数码相机对所测流场进行瞬时拍摄记录，所记 录的图像不仅可以得到雾化粒子分布形态，经过 图 像处理分析后，还可 以得到整个流场的粒子速度分 布等信息 2 1 测量装置及相关参数 P I V 系统：Ya g激 光器，同步 器，高 速 C C D相 机，计算机 微型涡喷发动机 喷雾 系统：微型柱塞泵，流量 计，调压阀，电磁阀，压力表，喷嘴，台架 测 量 中 的 相 关 参 数：双 脉 冲 激 光 波 长 为 1 0 6 4 n m；激光脉冲能量为 1 2 0 m J

14、；激光脉冲宽度为 1 7 n s；双脉冲激光时间间隔 f为 1 0 5 0肚 s，可调；C C D相机分辨率为 1 2 0 0 1 6 0 0像素 2 2 测 试结果 P I V拍摄的是经过 喷嘴中心平 面上 的粒子 图 像，喷雾为空心锥，所以 图像 中心部分速度值 比较 小 z Y坐标如 图2所示 图 2为流场粒子速度矢量分布图，图 3为喷雾 的流线图 从图中可以看出，喷嘴雾化均匀，雾化情 况 良好，可以明显地辨别出喷雾的初始段和主体段 雾化角为 6 5。，喷嘴出 口速度 为 1 9 4 0 m s，速度分 布也符合射流理论；流线的疏密程度和分布也较均 匀，可以清楚地看 出液滴的运动轨迹，喷

15、雾的扩散趋 势；同时沿扩散边界粒子速度值逐渐减小 维普资讯 http:/ 科技论坛:w w w.t e c h-d o m a i n.c o m北 京 理 工 大 学 学 报 第 2 7卷 2 0 0 1 5 0 暑 1 0 0 5 0 0 5 0 1 0 0 1 5 0 2 0 0 2 5 0 3 0 0 3 5 0 x mm 图 2 流场速度矢量分布 图 Fig 2 Di s t r ib u t io n o f v e l o c i t y v e c t o r 2 0 0 1 5 0 暑 1 0 0 5 0 O 5 O 1 O O 图 3 Fi g 3 1 5 O 20 0 2

16、 5 0 3 0 0 3 5 0 x mm 喷嘴雾化流线 图 S t r e a ml i n e o f s p r a y 3 结果分析 通过计算数据和测试数据的对 比可以看出，计 算结果与测试结果符合得较好 通过对喷雾各个区 域的分析，可以得到如下结果 喷嘴出 口 坐标 0 1 0 mm 的 区域为喷雾 的初始段(图 2所示)，也称为势流核心 区(P C区)喷雾刚扩散，开始形 成空心锥，在这个 区域 中 x 坐 标相同处速度大小基本相同，且分布均匀、左右对 称图 4 a 为距喷嘴 坐标 1 0 mm处的速度计算结 果和测试结果对比图，计算结果为 1 6 8 8 m s，测试 结果为 1

17、7 2 0 1 9 2 0 m s 在喷嘴出口 坐标为 1 01 2 0 mm处是喷 雾的主体 段(图 2所 示)，处 于轴对 称衰减 区(A D 区)，该阶段喷雾充分雾化，形成了明显的空心锥，同 时在雾化边界及轴线附近出现 比较明显的涡，图 4 b 为其离喷嘴 坐标 4 0 m m 处速度计算结果和测试 结果对比图，可以看出，速度分布左右对称测试结 果在边界 z=5 0 1 T i m 处，速度 h：7 6 m s；z=7 0 mm处速度达到最大 h：9 4 8 m s，然后速度 逐渐减小，到轴 线 z=0 c m处，速度 h减到最小 2 0 4 m s 这是由于射流 的卷 吸作用，所 以边

18、界上 的速度比边界内区域速度稍小；同时由于喷嘴为空 心锥雾化，所以中间速度最小 x mm(a)y=l O mm处速度对比 x m m (b)y=4 0 mm处速度对比 图 4 喷嘴出 口横 向速度 t，h 对 比图 F i g 4 Co n t r a s t o f t r a n s v e r s e v e l o c i t y o f s p r a y 在喷雾边界上，选取 2 0个点，得到边界上的 速度梯度图 5 为：3 0。时(为喷雾边界与轴线 的夹角)的边界线上的速度对比图，测试结果为速度 b从 1 9 2 0 m s 减小到 3 1 4 m s 原因是在喷雾边 界，液滴与空

19、气掺混形成漩涡，漩涡向下运动时，会 出现一种合并成对的现象，称之为漩涡配对，在漩涡 配对过程中，周围空气被卷吸到射流里，漩涡合并以 后，射流断面随之扩大，液滴速度减低 圭 善 图 5口=3 0。时 边界 线 上 速厦 对 比图 Fig 5 C o n t r a z t o f v e l o c i t y i n =3 0 在喷嘴出 口 坐标 9 0 mm 以下，整个流场 喷雾速度变化不大，测试结果为整个区域 内速度 的范围为 2 2 03 0 4 m s，这是 因为在这个 区域，影响液滴的重力与空气阻力达到一个平衡状 态，此 时速度基本稳定 轴线速度分布如图 6所示，因为喷雾为空心 锥，

20、所以轴线上液滴速度变化很快，速度以类似幂函 维普资讯 http:/ 科技论坛:w w w.t e c h-d o m a i n.c o m第 1 1 期 李聪等：微 型燃气 涡轮发动机喷嘴雾化性能研究 9 5 5 数规律衰减 图 6 喷嘴轴线速度 对 比图 Fi g 6 Co n t r a s t o f v e l o c i t y i n a x e s 雾化角实验结果为 6 5。，与计算结果 6 0。相 比 相差 5。，原因是 在实验结果的后处理过程 中，喷雾 边界的界定受到一些“噪点”的影响所致 4 结论 通过对微型燃气涡轮发动机燃烧室喷嘴雾化情 况进行模拟计算和实验验证，得到了

21、整个喷雾流场 的速度矢量、涡量及流线图等数据 这些数据将为 以后微型涡轮发动机燃烧室的设计及燃烧室中燃烧 情况的数值模拟提供一定的理论及实验支持 通过对计算与测试结果的比较可以看 出，计 算和测试结果相差不大，数值计算 比较准 确地表征 了喷嘴的雾化情况，计算过程中湍流模型、液滴破碎 模型等的选择为以后同类型喷嘴计算模拟提供一定 的参考 当微型燃 气涡轮发动机 喷嘴雾化角为 6 0。时，雾化粒子分布均 匀，整个雾化流场呈轴对 称形 状，流场的情况基本符 合射 流的规律，雾 化效果很 好，其工作压力、流量等都符合 MT E中喷嘴的设计 要求，可以作为 MT E中喷嘴的设计依据 数值模拟及实验过程

22、中喷射介质选取为水，当喷射 介 质为 油时，因为 油的 粘度 比水 大，根据 S i mmo n s 提出来的索尔太平均直径方程，当其他情 况不变时，随着雾化介质粘度的增大，雾化粒径也随 之增大，从而整体雾化效果可能会变差 整个流场速度计算值 比实验值偏小，有一定的 误差，原因是计算过程 中对 一些情况进行 了理想化 假设，计算过程中产生误差所致 参考文献：1 梁德 旺，黄国平 厘米级微型 涡轮 喷气 发动机 主要 研究 进展 J 、燃气涡轮试验与研究，2 0 0 4，1 7(2)：91 3 Li a n g De wa n g，Hu a n g Gu o p i ng Re c e n t

23、d e v e l o pme nt a nd k e y t e c h n i q u e s o f mi c r o-t u r b i n e i n c e n t i me t e r s i z e J G a s Tu r b i n e E x p e r i me n t a n d Re s e a r c h，2 0 0 4，1 7(2)：91 3(i n C h i n ese)2 刘金武，杨靖 直喷式发动机 喷雾模型研 究进展 J 内 燃机工程，2 0 0 5，2 6(1)：8 1 8 4 Li u J i n wu，Ya n g J i n g De v e l

24、 o p me n t o f s p r a y mo d e l i n d i r e c t i n j e c t i o n e n g i n e s J C h i n e s e I n t e r n a l C o mb u s t io n E n g i n e E n g i n e e ri n g，2 0 0 5，2 6(1)：8 1 8 4、(i n C h i n ese)3 Mo h a mma d P F，Na sse r AA n u me r i c a l mode l f o r f l o w s i mu l a t io n i n s p

25、 r a y n o z z l es，A I A A-2 0 0 4 1 1 5 6 R S 1 ：AI A A，2 0 0 4 4 冉景煜，张力、渐 扩切 向槽 角度对低压燃油雾化喷嘴流 动特性 影响的数值研 究 J 、中国电机工程 学报，2 0 0 6，2 6(1)：4 55 0 Ra n J i n g y u，Z h a n g L i、Nu me ri c a l i n v e s t i g a t i o n o n fl o w c ha r a c t e r i s t i c o f o i l a t o mi z e d n o z z l e wi t h mi

26、 c r o-e xp a n de d t a n g e n t c h a n n e l a t l o w e r p r e s s u r e J C S E E，2 0 0 6，2 6 (1)：4 5 5 0(i n C h i n ese)5 B od l e E，G 6 k a l p Z S Mode l i n g o f t h e b r e a k u p o f l i q u i d o xy g e n d r o pl e t s f o r a p p l i c a t i o n i n a c r y o ge ni c r o c k e t e ng i ne s i m u l a t i o n c o d e，AI A A-2 0 0 2 4 0 3 1 R S 1 ：AI A A，2 00 2 6 Hu u P TN u me ri c a l s i mu l a t i o n o f l i q u i d j e t a t o miz a t i o n i n c l u d i n g，A I A A一 2 0 0 5 3 9 7 3 R S 1 ：AI AA，2 0 0 2 (责任编辑：刘雨)维普资讯 http:/ 科技论坛:w w w.t e c h-d o m a i n.c o m