燃油射流橫流穿透深度試驗和數值模擬

劉重陽，馮大強，鐘華貴，王秀蘭

燃油射流橫流穿透深度試驗和數值模擬

劉重陽，馮大強，鐘華貴，王秀蘭

(中國燃氣渦輪研究院，四川江油621703)

采用激光粒子成像測速儀(PIV)，試驗研究了不同動量比下燃油射流在橫向空氣流中的穿透深度特性。同時，采用數值計算方法，對射流穿透特性進行了模擬，并將試驗和計算結果，分別與已有的經驗關系式，及考慮氣動韋伯數影響修改后的關系式進行對比。結果表明：燃油射流上邊界深度與冪指數關系式較吻合；采用VOF兩相流模型能較準確地模擬出燃油射流的噴霧核心深度；修改后的關系式與不同燃油-空氣動量比范圍下的噴霧核心深度較吻合；燃油-空氣動量比和氣動韋伯數，是影響燃油射流橫流穿透深度的主要參數。

燃油射流；穿透深度；PIV；試驗；數值模擬；LPP低污染燃燒室

1 引言

燃油射流噴射進入橫流具有快速霧化和可控燃油分布的特點，對LPP(貧油預混預蒸發)燃燒室的污染排放及燃燒效率和燃燒穩定性有極其重要的影響，眾多研究者對此開展了大量的試驗分析和數值模擬研究。

研究者對射流軌跡、穿透深度及射流寬度非常重視。Schetz等[1]研究發現，最大穿透深度與橫流方向射流的動量大小相關。Chen[2]、Wu[3]等采用Mie散射和PDPA，通過大量試驗研究，獲得了一些經驗關系式來確定穿透深度和射流寬度，其中穿透深度與燃油-空氣動量比(q)、噴口直徑(d)和流向距離(x)關聯在一起。Tambe等[4]研究了液體粘度和氣動韋伯數對穿透深度的影響，獲得了射流軌跡的對數關系式。Rachner等[5]采用三維TRUST程序對煤油射流穿透深度和流動軌跡進行數值模擬，其結果與Mie散射試驗結果吻合較好。Khosla等[6]采用CFD-ACE商業軟件對Jet-A射流霧化過程進行模擬，發現穿透深度的模擬結果與Becker等[7]的試驗結果稍有差別，原因是CFD模型中沒有準確描述這種現象的機理。以上研究所采用的研究手段、流體介質和分析方法都不相同，獲得的結果差異也較大。

目前，國內對液體射流霧化機理的研究相對較少，尤其是對航空煤油的射流霧化特性研究更少，且鮮有報道。在LPP低污染燃燒模式中，這種燃油霧化特性對于降低污染排放具有重要影響。為此，本文開展了針對航空煤油在橫向空氣流中穿透深度的試驗和數值模擬研究，主要目的是研究不同氣動參數和射流參數對燃油射流橫流穿透深度的影響。

2 射流霧化試驗

2.1試驗設備和試驗件

試驗在中國燃氣渦輪研究院單頭部霧化噴嘴試驗器上進行，設備原理如圖1所示。壓縮空氣的進氣流量和供氣壓力通過調節電動進氣閥、放空閥來控制，經流量孔板測量流量后進入試驗段。試驗中所用燃油經進油閥和燃油流量計向試驗件供給。試驗件如圖2所示，空氣通道截面為40 mm×40 mm的矩形，測量段通道長170 mm，其上壁和兩側壁均布置有石英玻璃窗口，供光學測量儀器觀測射流。燃油射流噴孔的出口孔徑為?0.5 mm，噴口通過一接嘴壓緊固定在測量段底部壁面，出口端面與底壁內表面齊平。

燃油射流橫流霧化流場采用激光粒子成像測速儀(PIV)系統測量，光源由雙諧振脈沖式Nd:YAG激光器提供，測量原理如圖3所示。試驗中，將脈沖激光片光源入射到所測流場區域，通過PIV的CCD相機記錄粒子圖像，并通過數據傳輸將圖片數據存儲在計算機內。

2.2試驗結果與分析

分別選取兩個空氣進口流速和三個燃油射流速度進行試驗，具體參數見表1。表中Ua為空氣速度，Maa為空氣馬赫數，Uf為燃油速度，Gf為燃油流量，Rea為空氣雷諾數，We為氣動韋伯數。試驗采用國產RP-3航空煤油，其密度ρf=780 kg/m3，動力粘度μf= 0.001 3 kg/(m·s)，表面張力σf=0.024 N/m。試驗件進口空氣常溫、常壓，燃油常溫。

圖4為各試驗方案下燃油射流在橫向空氣流中的穿透和破碎霧化照片。圖中，橫流空氣由右側流入，燃油射流在橫向氣流作用下向氣流流動的下游方向彎曲。這是因為在射流迎風面，橫向流動氣流的氣動力作用產生一相對高壓區，而在射流逆風面產生一相對低壓區。隨著氣流向下游流動，射流液柱逐漸被離散成不同尺寸液滴，且大尺寸液滴位于射流軌跡的上邊界，射流下方液滴相對較小。這是由于在氣流剪切作用下，燃油射流的迎風面和逆風面都出現表面波動，沿著射流方向幅度不斷加大，在射流的迎風面產生柱狀破裂，在背風面發生表面破裂，而表面破裂產生的顆粒尺寸小于柱狀破裂。

圖1 試驗設備原理圖Fig.1 Schematic diagram of test rig

圖2 試驗件結構簡圖Fig.2 Structural scheme of specimen

圖3 試驗測量原理圖Fig.3 The measurement principle of test

目前，關于直射式噴嘴的射流深度主要有兩種定義[8]：一是指直射式噴嘴在其下游某一位置油霧濃度分布最大處(噴霧核)與直射式噴嘴所在平面的垂直距離；二是指液霧分布的上邊界。從圖上可看出，不同工況下燃油射流的兩種穿透深度均不相同。為便于與國外已有研究結論對比，采用測試系統自帶的DaVis 7.1軟件，在CCD相機所攝圖片上，沿氣流流動方向手工取噴霧核和液霧上邊界的坐標用以確定射流穿透深度，圖5給出了取點示例。然后繪制出不同試驗方案下燃油射流穿透深度沿流動方向的變化曲線，并與已有經驗關系式比較，如圖6所示。此外，考慮到手工取點存在一定誤差，為說明試驗結果的非偶然性，及驗證試驗結果的可重復性，每個方案選取兩幅圖片結果用于對比分析。

表1 試驗參數Table 1 Test parameters

圖4 燃油射流橫流霧化試驗結果Fig.4 Test results of the fuel injection in cross-flow

圖5 射流穿透深度坐標取點示例Fig.5 The coordinate choice demonstration of jet penetration depth

對比各方案射流上邊界深度，試驗結果與Wu等使用PDPA測試方法獲得的冪指數軌跡關系式較吻合，與Chen和Tambe等獲得的關系式偏差較大；對比噴霧核深度，試驗結果與三個經驗關系式均有較大偏差。綜合圖4和圖6看，We相同時，燃油射流的上邊界深度和噴霧核深度均隨q的增加而增大，射流的偏轉角隨q的增大而減小；相同燃油射流進口速度條件下，燃油射流穿透深度隨We的增大而減小，射流的偏轉角隨We的增加而增大；對于q＜2的Case 5，燃油射流基本上是貼著底部壁面流動；對于q＞15的Case 2和Case 4，射流偏轉角度較小，霧化后的大粒徑液滴基本上都碰到了頂部壁面。

3 數值模擬

3.1數值方法

根據試驗情況，在GAMBIT軟件中對試驗件進行簡化并建模，采用結構化六面體網格對流體域進行網格劃分。為更精確地模擬射流液柱破裂細節，將射流液柱可能到達區域網格細化。網格模型見圖7，單元總數842 025，空氣流向為z軸正向。

在FLUENT中分別對6個試驗方案進行模擬。湍流模擬選用標準k-ε模型，近壁區域模擬采用標準壁面函數。選用VOF模型模擬橫向氣流與燃油射流間的相互作用及相間截面的追蹤。壓力速度耦合采用SIMPLE算法，壓力插值使用Body Force Weighted格式，體積分數方程采用Geo-Reconstruct格式離散。使用FLUENT材料庫中的液態C12H23代替RP-3航空煤油，空氣進口和燃油射流進口均設置為速度進口邊界，模型出口設置為壓力出口邊界，采用二階迎風格式進行離散求解。

圖6 燃油射流穿透深度試驗結果與經驗關系式的對比Fig.6 The comparison between the test results of fuel jet penetration and empirical relationship

圖7 網格模型Fig.7 Grid model

3.2結果與分析

圖8所示為從流場中分離出來的體積分數在0.001～1.000間的燃油液體的濃度分布，可反映射流運動軌跡和霧化的大概效果。從圖上可明顯看出，燃油射流液柱在距噴口不遠處就被空氣流撕裂，并從液柱上分離出一個個流體微團，但射流液柱開始被氣流撕裂的位置距噴口出口的高度在不同工況下各不相同，射流沿程的運動軌跡和深度也差別較大。進口Ua相同時，隨著Uf的增大(q增大)，液柱被撕裂的起始高度增加，從液柱上分離出的微團增多，射流彎曲程度變小；Uf相同時，隨著q的增大(Ua減小)，液柱被撕裂的起始高度增加，射流彎曲程度變小，液滴脫落數也相應增加。

圖8 燃油射流軌跡計算結果Fig.8 Computational results of fuel jet trajectory

在圖8所示的燃油射流軌跡上沿流動方向手工取上邊界點坐標，繪制出燃油射流穿透深度隨z坐標的變化曲線，并與已有經驗關系式比較，結果如圖9所示。結合圖8可看出：除Case 2的計算結果與Wu的關系式相對較吻合外，其余各方案的計算結果與三個經驗關系式相比差別都較大；Ua或We相同時，射流穿透深度隨q的增加而增大；Uf相同時，射流穿透深度隨q的增加或Ua的減小而增大。

圖9 燃油射流穿透深度計算結果與經驗關系式的對比Fig.9 The comparison between the computation results of fuel jet penetration and empirical relationship

從上述分析看，數值模擬與試驗所得結論一致，q和We是影響燃油射流在橫向空氣流中穿透深度的重要參數。

4 分析

從上述試驗和數值結果的對比分析看，除Wu的冪指數關系式與燃油射流霧化的上邊界深度較吻合外，Chen等的關系式均與試驗和計算結果偏差較大。原因主要有：①測試技術上有差異，如PDPA測試結果高于投影成像儀測量結果，因為投影成像儀對液滴密度非常敏感，會忽略一些區域的少數粒子[8]，而本文使用的是PIV測試方法；②邊界層的影響，噴口與底部壁面齊平和噴口平面高于底部壁面的射流穿透深度存在差異；③未考慮其它參數對射流穿透深度的影響[9]，Chen等的關系式中只考慮了q對穿透深度的影響，而沒有考慮We和μ等參數。

因此，文獻[9]將We引入Chen等的三個關系式中，即在原有關系式中均乘上因子We-0.088，用以研究We對燃油射流穿透深度的影響。修改后的公式為：

(1)Chen等

(2)Wu等

將試驗和數值模擬得到的燃油射流穿透深度，與修改后的三個關系式進行綜合對比，結果見圖10，其中圖10(g)、圖10(f)只用了result1的試驗結果。可見：①各狀態由數值模擬得到的燃油射流穿透深度與試驗獲得的噴霧核心深度吻合較好，而與射流上邊界的穿透深度相差較大，這是因為數值計算中采用的數學模型還存有一定不足，用現有模型無法模擬出射流的二次霧化和離散效果，只能模擬出燃油射流核心流的運動軌跡。②不考慮燃油射流的上邊界深度，對于q＞15的Case 2和Case 4，修改后的Wu關系式與兩種結果較吻合；對于2＜q＜15的Case 1、Case 3和Case 6，修改后的Chen和Tambe關系式與兩種結果吻合較好；對于q＜2的Case 5，修改后的Tambe關系式與兩種結果較吻合。③從圖10 (g)～圖10(f)的橫向對比看，燃油射流穿透深度隨q的增加而增大，射流偏轉角隨之減小；在相同We條件下，燃油射流穿透深度隨q的增加而增大，射流偏轉角變化趨勢相反；在相同q條件下，燃油射流穿透深度隨We的增加而略有降低，但相差不大。

5 結論

(1)用激光粒子成像測速儀測量，能捕捉到燃油射流在橫向氣流中的霧化和射流穿透深度特征。

(2)采用VOF兩相流模型，能較準確地模擬出燃油射流的噴霧核心深度。

(3)試驗獲得的燃油射流上邊界深度，與Wu等的冪指數形式經驗關系式較吻合；修改后的三個關系式，分別與不同燃油-空氣動量比范圍下的噴霧核心深度較吻合。

(4)燃油-空氣動量比和氣動韋伯數，是影響燃油射流穿透深度的主要參數。

圖10 燃油射流穿透深度與關系式的綜合比較Fig.10 The comprehensive comparison between the two results and relationship

[1]Schetz J A，Padhye A.Penetration and Breakup of Liquids in Subsonic Airstreams[J].AIAA Journal，1977，15(10)：1385-1390.

[2]Chen T H，Smith C R，Schommer D G.Multi-Zone Behav?ior of Transverse Liquid Jet In High Speed Flow[R].AIAA 93-0453,1993.

[3]Wu P K，Kirkendall K A，Fuller R P，et al.Spray Trajecto?ries of Liquid Fuel Jets in Subsonic Cross Flows[C]//.7thInternational Conference on Liquid Atomization and Spray Systems.Korea，1997.

[4]Tambe S B，Jeng S M.Liquid Jets in Subsonic Crossflow [R].AIAA 2005-731，2005.

[5]Rachner M，Becher J，Hassa C，et al.Modelling of the At?omization of a Plain Liquid Fuel Jet in Crossflow at Gas Turbine Conditions[J].Aerospace Science and Technolo?gy，2002：495—506.

[6]Khosla S，Crocker D S.CFD Modeling of the Atomization of Plain Liquid Jets in Cross Flow for Gas Turbine Applica?tions[R].ASME GT2004-54269，2004.

[7]Becker J，Hassa C.Breakup and Atomization of a Kero?sene Jet in Crossflow at Elevated Pressure[J].Atomization and Sprays，2002，11：49—67.

[8]林宇震，許全宏，劉高恩.燃氣輪機燃燒室[M].北京：國防工業出版社，2008.

[9]Stenzler J N，Lee J G，Santavicca D A.Penetration of Liq?uid Jets In A Crossflow[R].AIAA 2003-1327，2003.

Numerical Simulation and Experimental Analysis of the Penetration Depth of Fuel Jet in Cross-Flow

LIU Chong-yang，FENG Da-qiang，ZHONG Hua-gui，WANG Xiu-lan
(China Gas Turbine Establishment，Jiangyou 621703，China)

The Particle Image Velocity(PIV)was used to test and study the penetration characteristics of fu?el jet in air cross-flow under different fuel-air momentum ratio conditions.Furthermore,the numerical sim?ulation was applied to model the jet penetration characteristics,then the comparison were performed be?tween the test and computation results and the empirical expressions as well as the modified formula which the aerodynamic Weber number was calculated.The results indicate that the upper surface depth of fuel jet agrees well with the exponential correlation;the VOF model can be used to exactly simulate the penetration depth of spray core;the modified expressions coincide with the penetration depth of spray core with differ?ent fuel-air momentum ratio;the fuel-air momentum ratio and aerodynamic Weber number are the primary parameters that affect the penetration depth of fuel jet in cross-flow.

fuel jet；penetration depth；PIV；experiment；numerical simulation；LPP low emission combustor

V231.3

A

1672-2620(2013)05-0016-07

2013-04-01；

2013-07-22

航空科學基金自由探索類(2007ZB2401)

劉重陽(1980-)，男，江蘇徐州人，碩士，高級工程師，主要從事燃燒室數值模擬與試驗技術研究。