压力式喷嘴在压力脉动下性能的研究

沈彦成，吴伟亮

● （上海交通大学 动力机械和工程教育部重点实验室，上海 200240）

压力式喷嘴在压力脉动下性能的研究

沈彦成，吴伟亮

● （上海交通大学 动力机械和工程教育部重点实验室，上海 200240）

以机械压力喷嘴为研究对象，应用 VOF模型对脉动压力下的喷嘴内部流场进行了数值模拟，分析了喷嘴在脉动压力下的流量、雾化角等特性。结果表明：脉动压力下瞬时流量和雾化角呈现相同频率的脉动，且平均流量基本在设计流量附近。流量的振幅随脉动频率的变化，呈现出先增大后减小的趋势，并在400Hz时达到最大值；入口压力与出口流量的相位差随频率的增大而增加，且近乎线性关系，脉动压力的幅值对相位差影响不大。

机械压力喷嘴；压力脉动；雾化角；流量

0 引言

狭义上的机械压力式喷嘴是指能将液体雾化的装置，这类装置在工农业生产中获得大量应用。机械压力式喷嘴包含多种种类，其中结构较简单的是单路压力喷嘴，因其压力损失小、雾化效果好，在多种设备，特别是燃烧设备中得到广泛应用。本文讨论对象就是这种结构类型的喷嘴。从应用情况看，迄今仅作为使液体雾化的器件喷嘴，在设计、计算中仅考虑其在给定压力下流量、雾化角、雾化粒径及分布等基本静态特性。实际燃烧装置中，由于各种因素可能导致喷嘴上下游压力会发生变化，如燃油泵叶片旋转作用、不稳定燃烧、航空器机动等，从而导致喷嘴工作性能发生改变，影响动力设备的运行，因此研究喷嘴在脉动压力下的性能对现实具有一定参考价值。特别是人们熟悉和掌握了喷嘴在脉动 压力下的性能后，不但可以以此改进燃烧设备工作性能，还有可能将喷嘴作为控制器件，对燃烧过程实施有目的的控制，并发展出新的燃烧方式。工作于动态压力下的喷嘴在工程中是很常见的现象，如在内燃机工作过程中燃油喷嘴就是以动态形式工作，对其雾化过程人们开展了大量研究工作。但这类喷嘴工作最大特点是脉冲式工作，其不在本文研究范畴之内。本文所指喷嘴脉动压力下的性能是指喷嘴在锅炉、燃气轮机等动力装置中上下游压力持续脉动下的性能，即喷嘴工作压力由足够的直流量和一定幅值交流量叠加而成，如图1所示

图1 喷嘴工作压力变化

俄罗斯学者Bazarov首先对喷嘴在脉压力下的性能进行了的研究，其在忽略流体粘性的前提下，通过理论推导得到机械压力喷嘴频率特性方程，并分析了喷嘴各输入、输出参数振幅和相位角的的关系[3]。文献[4]在继承 Bazarov思想的基础上考虑了粘性，分析了几何参数和工况参数对机械压力喷嘴相频特性和和幅频特性的影响。同时，也有一些学者通过实验的方法对喷嘴在脉动压力下的性能进行了研究。文献[5-6]测量了机械压力喷嘴在压力脉动下的瞬时流量。通过测量喷嘴出口的轴向速度和和油膜厚度的方法得到瞬时流量，轴向速度在喷嘴出口压力测得后通过理论推导的方法得到，油膜厚度通过电导法得到。但是，喷嘴在脉动压力下的性能试验研究由于流量脉动频率高，传感器无法达到如此高的响应灵敏度要求，因此直接进行试验有很大的困难。近年来，机械压力喷嘴的的数值计算逐渐发展成熟。如吴伟亮等人[7[8]运用CFD研究了各个几何参数对机械压力喷嘴性能的影响进行了分析，并与Abramovich理论及其优化理论进行了对比，突出了CCFD在机械压力喷嘴设计上的作用。也有运用CFD软件对机械压力喷嘴的在脉动压力下的性能进行研究。如文献[9-10]对二维轴对称旋转模型对单路压力嘴在脉动压力下的性能进行了数值模拟。

不难看出，由于机械压力喷嘴的旋流室内区域狭小，边界层相对厚度大，液体粘性对喷嘴旋流室内部流场存在很大影响，因此研究喷嘴动力学特性时忽略液体粘性可能对计算结果带来较大误差。同样，考虑到喷嘴内流道结构和尺度，采用轴对称假设也会引入误差。在本研究工作中，完全考虑液体粘性和流道细微结构对流场的影响，对机械压力喷嘴三维内流场进行了CFD计算，分析了喷嘴瞬时流量、雾化角随同脉动压力频率和振幅的变化规律，并对瞬时流量进行了幅频、相频特性分析。

1 物理模型及网格

本文中的研究对象为如图2所示的机械压力喷嘴。流体由旋流槽1流入喷嘴，经旋转运动在旋流室2中形成紧贴壁面的旋转液膜,最后通过喷口3喷出。由于旋转液膜具有很高的切向速度，喷口轴线附近会形成局部低压区，从而对喷嘴出口处的环境气体形成抽吸作用，在喷嘴轴线附近形成气锥。因此，机械压力喷嘴内的流动为狭小空间内的气液两相流动。

图2 机械压力喷嘴的结构

应用网格划分软件对计算域进行非结构化网格的划分。在喷嘴的喷口轴线附近区域进行网格加密，使数值计算结果能较好的捕捉气液分界面。计算域从喷嘴进口向上游延伸10倍直径长度，这样在上游给定总压边界条件下，在喷嘴入口处得到接近实际的速度分布。

图3为喷嘴的计算域。

图3 机械压力喷嘴的计算域

2 数学模型

2.1 VOF方法

如前所述，压力喷嘴内的流动为气液两相分层流动，即气液两相之间存在明显的边界，对于此类问题，相界面的捕捉是数值求解的关键，本文在求解中使用VOF方法。

VOF方法适用于两相间不相互渗透，两相间具有明显边界且滑移可忽略的不可压流动。本文中，空气的压力变化不大，因此可以作为不可压流体处理。

在VOF方法中，引入液相容积比f。

其中：νl和νg分别是计算网格中液相和气相的体积。因此网格控制体中均为液体时，f=1，均为气体时f=0，且0≤f≤1。因为f是可以输运的守恒量，满足无源输运方程，即：

此方程同基本的质量、动量守恒方程联立求解。计算不考虑物理相变。

在VOF方法中，根据相函数f的分布构造相界面，从而得到气相和液相的分布。

2.2 湍流模型

本文采用RNGk-ε模型，该模型可更好处理流线弯曲程度较大的流动，因此能较好地模拟本文问题中出现的强涡旋流动。

2.3 表面张力模型

在CFD计算中，表面张力被当做是控制单元表面上的动量源项，控制单元表面上微弱的变形都会引起表面张力的变化。因此气液分界面捕捉不准确、曲率计算精度低等都会引起数值误差的放大。如果要减小这种误差，计算中应使用双精度，这样会减小曲率计算中的舍入误差及更好的捕捉气液分界面，但是双精度会降低计算的经济性。同时考虑到对于喷嘴内部分层流动，表面张力相对于惯性力等可忽略不计，因此在计算中忽略表面张力。

2.4 边界条件和初始条件

计算模拟常温下喷嘴在脉动压力下的工作性能。液体工作介质为水，且计算中水和空气的温度为 25℃。喷嘴出口为静压边界条件，压力等于 1atm；喷嘴入口为总压脉动边界，压力大小为P，其表达式为：

其中：Pave为总压脉动的平均值，计算中取值为1.0MPa；δ为压力脉动量的幅值；f为压力脉动量的频率。

为了给上述非定常过程提供初始流场，同时也为了给喷嘴的脉动压力下的性能提供一个对比分析的依据，因此先进行定常计算，其入口为总压边界条件，压力大小为定值1.0MPa。

3 结果与讨论

图4和图5分别是定常计算结果。在喷口附近的沿轴线横截面的绝对压力分布图和气相-液相分布图。图片表明喷嘴内部存在气液分界面清晰的空气锥。

图4 轴向横截面静压分布图

图5 轴向横截面液相-气相分布图

计算表明，当喷嘴工作压力中存在正弦变化的脉动分量时，喷嘴瞬时流量也出现同样频率的脉动量，如图6所示。

图6 脉动压力幅值0.1MPa，频率200Hz工况下瞬时流量

机械压力喷嘴在不同的压力脉动频率和幅值下瞬时流量将发生改变，为更好反映这种影响，引入平均流量这个概念。平均流量是指喷嘴在在压力脉动的条件下工作时，在压力脉动一个周期内的平均流量，其表达式为：

其中：Gave为平均流量；T为脉动周期；t为时间。

喷嘴在脉动压力工作条件下，其流量特性有可能改变，会与设计流量有一定的偏差，而这会显著的影响燃烧的性能。因此引入相对平均流量，以与设计流量进行对比分析：

其中G0为设计流量，也就是喷嘴在稳定的额定工作压力下的流量，在这里即为稳态计算得到的流量。

由图7知，脉动压力下喷嘴的平均流量与设计流量相差在5%之内，压力脉动频率和幅值对其平均流量存在一定的影响，且这种影响是非线性的。在200Hz附近，喷嘴的平均流量较多的偏离设计流量，且随着脉动压力幅值的增大，喷嘴的平均流量更多得偏离设计流量。

图7 喷嘴的相对平均流量

雾化角是除流量外喷嘴的又一重要特性参数。根据定义，机械压力式喷嘴雾化角的计算公式为：

其中：Vθ、Vz分别为位于喷嘴出口贴壁处边界层外的监测点在柱坐标下切向和轴向分速度；u、v、w分别为监测点在直角坐标系下的分速度，其中w为喷嘴的喷射方向。如图8所示，当喷嘴工作压力中存在正弦变化的脉动分量时，喷嘴瞬时雾化角也表现出同样频率的脉动。

为更好了解喷嘴脉动压力下的响应特性，了解喷嘴的流量振幅随脉动压力频率的变化，定义相对于设计流量的相对振幅为：

其中：GA为流量振幅。

图8 脉动压力幅值0.1MPa，频率200Hz下瞬时雾化角

图9显示，在不同脉动压力幅值下，机械压力喷嘴呈现出相似的幅频特性。在100Hz～400Hz频率内，机械压力喷嘴的脉动幅值迅速增大，并在400Hz附近达到最大值；超过 400Hz，随着脉动频率的增大，脉动幅值缓慢下降。流量脉动幅值随着压力脉动幅值的增加而单调增加。

图9 机械压力喷嘴的流量幅频特性曲线

图10 机械压力喷嘴的流量相频特性曲线

如图10所示，喷嘴的入口压力与出口流量之间存在相位差，具体是指同一时刻入口脉动压力与出口瞬时流量间相位角的差值，该差值反映了出口瞬时流量变化滞后于脉动压力变化的程度，其数值与管道长度有关。对于多个喷嘴的燃烧装置，可通过计算得到各个喷嘴的相位差，进而调节和控制整个喷雾系统。由图10还可知，相位差随频率的增大而增加，且近乎线性关系，脉动压力的幅值对相位差影响不大。

4 结论

1）在正弦脉动压力下，机械压力喷嘴的瞬时流量和雾化角也呈现出相同频率的正弦脉动。

2）喷嘴的平均流量与设计流量相差在5%以内。压力脉动频率和幅值对其时均流量都存在一定的影响，且这种影响是非线性的。

3）在不同脉动压力幅值下，机械压力喷嘴呈现相似的幅频特性。在100Hz～400Hz频率内，脉动幅值随着频率的增大而增大；当频率超过400Hz时，随频率的增加，脉动幅值不断减少。流量脉动幅值随压力脉动幅值的增加而单调增加。

4）出口流量与入口压力的相位差随频率的增大而增加，且近乎线性关系，此时脉动压力的幅值对相位差影响不大。

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Research on Performance of Simplex Swirl Atomizer Under Pulsating Pressure Condition

SHEN Yan-cheng,WU Wei-liang
(Shanghai Jiao Tong University Key Laboratory of Power Machinery and Ministry Education,Shanghai 200240,China)

Numerical simulation of internal flow of the simplex swirl atomizer is carried out by using VOF model.The change of spray angle and flow mass is analyzed under pulsating pressure condition.The results show the spray angle and flow mass fluctuate at the same frequency with the pulsating pressure.The average flow mass approximates the designed flow mass.The amplitude of the mass flow first increases and then decreases with the increase of the frequency,and reach the maximum value at 400Hz.The phase difference between outlet flow mass and inlet pressure increases linearly with the pressure frequency increasing,and the fluctuating pressure amplitude has little effect on the phase difference.

simplex-swirl atomizer; pressure fluctuation ; spray angle; flow mass

V434

A

沈彦成（1988-），男，硕士研究生。研究方向：燃气轮机燃烧器性能。