环境条件对离心式喷嘴雾化性能的影响

刘爱虢，于浩洋，王 栋，刘 凯，陈 雷

（沈阳航空航天大学航空发动机学院，辽宁沈阳110136）

离心式雾化喷嘴在航空燃气轮机、地面燃气轮机及其他燃烧设备上得到了广泛的应用，这类喷嘴具有燃油流量调节范围宽、雾化质量好的特点，保证了燃烧室较好的点火性能和宽广的贫油熄火范围[1]。燃油受自身射流的不稳定性及其所喷入介质外阻力的共同作用被破碎为油滴[2]。燃油破碎过程受气动阻力、黏性力、液体的表面张力和惯性力等四种力的控制，雾化过程是雾化介质克服表面张力及黏性力的阻尼作用离散化为液滴的过程[3]。

对离心式燃油喷嘴，影响燃油雾化特性的因素除了喷嘴的结构参数和燃油本身的物理化学特性外，供油压差及喷嘴的工作环境等外部参数对雾化特性也会产生较大的影响[4]。李向荣等[5]在可变温度和压力的定容燃烧弹中进行了柴油的雾化蒸发特性实验研究。结果表明，喷油压差越大，燃油的贯穿距离、锥角和投影面积越大，显著蒸发的时刻不断提前，混合均匀性得到改善。陈晓东等[6]研究发现，随着气体密度的增加而减小的气液界面附近过渡区域中的平均速度分布是导致离心式喷嘴内液膜厚度增加的原因。王岩[7]对不同环境条件下的喷雾过程进行了分析。结果表明，随着环境压力的升高，更多的液态喷雾发生相变，有利于油气混合及燃烧。安彦召等[8]研究了环境空气密度对燃料喷雾特性的影响。结果发现，环境空气密度越高，喷雾前锋贯穿距离越短，喷雾锥角越大。徐威[9]对混合燃料喷雾特性进行研究的结果发现，随着喷油压差增大，雾化锥角有减小的趋势。王维[10]进行喷雾特性可视化实验发现，当提高环境压力时，虽然喷雾形态会变得粗短，但是因为气体量的增加，能够促进油气混合。环境温度的升高能够加快燃油雾化蒸发。霍伟业等[11]对航空煤油和单组分碳氢燃料正癸烷的雾化性能进行实验测试，发现当供油压力大于0.5 MPa 时两种燃料基本雾化完全，并得到了航空煤油和正癸烷在旋流中的雾化SMD 经验关系式。张亮等[12]对某型号压力喷嘴进行背压环境下的雾化特性实验研究发现，雾化锥角随背压的增加而减小，最终趋于稳定。G.Lamanna 等[13]研究了定容弹腔室内的压力对喷雾破碎过程的影响。结果发现，增加定容弹腔室内的压力会导致喷雾锥角增加和喷雾扩散的增强，达到更好的混合效果。S.H.Park 等[14]研究了环境温度对生物柴油喷雾特性的影响。结果发现，喷雾液滴主要聚集在喷雾轴线中心处，随着环境温度的升高，在喷雾轴线中心区域燃油蒸发的质量浓度增大，温度升高使小液滴蒸发速度增大。J.Manin 等[15]使用正十二烷燃料在高温高压条件下对柴油机喷雾器进行了实验。结果发现，当注入高温低压的环境中时，在气液交界面处液体燃料的液体表面张力对雾化效果仍然会产生影响。

在燃气轮机的实际工作过程中，燃烧室内的环境压力和温度会发生剧烈变化，环境压力和温度的变化会引起空气密度和动力黏度等物理参数的变化，进而影响燃油的雾化特性。目前，国内外学者虽然对离心式喷嘴雾化特性进行的研究较多，但是针对环境压力和环境温度对离心式喷嘴雾化特性影响进行的研究较少。为获得环境压力和环境温度对雾化特性的影响规律及影响机理，以便较全面地分析航空煤油在不同环境压力和环境温度下的雾化特性，本文通过数值模拟的方法，使用离心式雾化喷嘴研究了环境条件不同时燃油的速度分布、相分布、雾化锥角和液膜厚度等喷雾特性参数。

1 数值计算

本文研究的离心式喷嘴油路有三个旋流槽，旋流槽深度为0.51 mm，宽度为0.80 mm，槽与喷嘴轴方向的夹角为65°；旋流室直径为5.20 mm，粗糙度为3.2；喷口直径 1.02 mm，建立与实物喷嘴1∶1 的流体域模型，在喷口外流场取喷口下方圆柱形区域作为出口流域。在进行数值计算时，基于压力求解器进行稳态求解，选取VOF 方法，开启能量方程，采用Realizablek⁃ε模型对湍流特性进行模拟。

在流体域燃油入口边界设置燃油的喷注压力以及燃油温度，喷嘴入口压力设置为4.0 MPa，燃油相体积分数设置为1.0，入口温度设置为100 ℃。在空气进出口边界设置不同的环境压力以及环境温度，为获得雾化特性随环境温度、环境压力变化的曲线，未考虑发动机燃烧室内的实际工作情况，设置环境压力为 0.1、1.0、2.0、3.0 MPa，环境温度为－50、50、150、250、400 ℃，燃油相体积分数设置为 0。

2 数值模拟结果与分析

2.1 环境压力对雾化性能的影响

2.1.1 轴截面两相分布 在不同环境温度下，环境压力对轴截面的气液两相分布的影响相似。因此，仅研究－50、150、400 ℃的环境温度下环境压力对离心式喷嘴轴截面气液两相分布的影响，结果见图1。

由图1 可以看出，在同一环境温度下，当保持喷油压力不变而环境压力低于1.0 MPa 时，燃油雾化效果很好；当保持喷油压力不变而逐渐增大环境压力时，燃油雾化效果明显减弱。这是因为：当环境压力增加时与喷油压力的压差减小，因此燃油初动能减小，一方面燃油自身的不稳定性减弱，另一方面燃油与高密度气体介质之间的相互作用减弱，喷出的燃油不易破碎。

2.1.2 喷雾锥角 引用文献[16—17]的方法获得半喷雾锥角值，函数定义如下：

式中，β为半喷雾锥角，（°）；vx、vy、vz分别为喷嘴出口面x=0 直线上的切向、轴向、径向速度，m/s。

将油膜区节点的速度值代入式（1）后取平均值，得到模拟的半喷雾锥角。环境压力对喷雾锥角（2β）的影响如图2 所示。由图2 可以看出，在同一环境温度下，喷雾锥角随环境压力的增大而增大，说明当环境压力增加时燃油遇到高压下高密度介质，向下喷射受阻，轴向速度下降，径向和切向速度必然增大，因此喷雾锥角随之增大。当喷嘴所处的环境压力为1.0 MPa、环境温度为150 ℃时，喷雾锥角反而比环境压力为1.0 MPa、环境温度为50 ℃时大，此时喷嘴的压差还是占据主导作用，环境温度变化对喷嘴雾化效果的影响还不明显，而且燃油温度（100 ℃）处于50～150 ℃，此时正在经历一个由压力占据主导作用逐步向温度占据主导作用过渡的阶段，所以产生了雾化锥角波动这样的情形。

2.1.3 油膜厚度分布 环境压力对喷嘴出口处油膜厚度的影响如图3 所示。由图3 可以看出，喷嘴出口处油膜厚度随环境压力的升高而变厚，说明环境压力的升高不利于油膜的破碎和燃油雾化；在同一环境温度下，随着环境压力的升高，油膜厚度变厚的趋势逐渐减小。

2.2 环境温度对雾化性能的影响

2.2.1 喷雾锥角分布 环境温度对喷雾锥角（喷嘴出口处锥角）的影响如图4 所示。由图4 可以看出，当环境压力为0.1 MPa 时，因喷油压差较大且占主导作用，雾化效果很好，环境温度虽增加，但并无明显变化；在较高的同一环境压力下，随着环境温度的增大，液滴蒸发作用加强，再加上气体介质密度减小，气体介质与液滴相互作用增强，两个独立因素共同作用使喷雾锥角呈现下降趋势。由图4 还可以看出，在－50 ℃的环境温度下，环境压力为0.1 MPa 和 3.0 MPa 时的喷雾锥角差约 10°；在 400 ℃的环境温度下，环境压力0.1 MPa 和3.0 MPa 时的喷雾锥角差仅为约5°，可见环境温度的增大能减弱喷油压差减小给喷雾锥角带来的影响。

2.2.2 轴截面两相分布 在不同的环境压力下，环境温度对轴截面气液两相分布的影响相似，当环境压力为0.1 MPa 时，气液两相分布（见图1）因喷油压差较大，雾化效果很好，环境温度增加时燃油雾化效果并无明显变化。因此，下面仅列举环境压力为1.0、2.0、3.0 MPa 时，不同环境温度下离心式喷嘴轴截面的气液两相分布情况，结果如图5 所示。

从图5 可以看出，在同一喷油压差下逐渐增大环境温度时，燃油雾化效果明显增强，这是因为环境温度的增加，一方面使高密度气体介质密度变小，液滴与气体介质动量交换有所增强，燃油与气体之间的相互作用有所增大；另一方面，环境温度的持续增加使气体黏度增大，与液滴相互作用时使液滴更容易破碎；更为重要的是，环境温度的增加，促进了燃油的雾化蒸发。

2.2.3 轴截面温度分布 由于不同环境压力下环境温度对轴截面的温度分布影响相似，本文仅列举环境压力为0.1、3.0 MPa 时，不同环境温度下离心式喷嘴轴截面的温度分布情况，结果如图6 所示。由图6 可以看出，在同一喷油压差下，当逐渐增大环境温度时，燃油与空气间的热量扩散明显增强，促进燃油雾化蒸发，燃油在喷雾场更多以气态分布为主；当环境温度一定时，增大环境压力，温度场变化很明显，雾化效果明显减弱，燃油在喷雾场更多以液态分布为主。

2.2.4 喷嘴出口油膜厚度 喷嘴出口处油膜厚度随环境温度变化曲线如图7 所示。从图7 可看出，喷嘴出口处油膜厚度总体上随环境温度的升高而变薄，说明环境温度的升高有利于燃油雾化；在高环境压力下，环境温度对油膜厚度的影响明显。由图7 还可以看出，在－50 ℃的环境温度下，环境压力0.1MPa 和 3.0 MPa 时油膜厚度差为 0.03 mm；在 400 ℃的环境温度下，环境压力0.1 MPa 和3.0 MPa 的油膜厚度差仅为0.13×10－1mm。可见，环境温度的增大能减弱喷油压差减小带来的不利的雾化影响。

3 结 论

当环境温度不变、环境压力增大时，气体密度增大，气液间相互作用减弱，破碎发生在离喷嘴更近的地方，油膜变厚，且因油滴纵向发展受到阻碍喷雾锥角变大；当喷油压差很大时，提高环境温度，环境压力占主导因素，环境温度对雾化效果影响并不明显；当喷油压差较小时，提高环境温度，环境温度的作用慢慢提高，空气黏度增大，液滴受热蒸发，油膜厚度减小，喷雾锥角变小，对雾化效果影响明显。