壓力式噴嘴在壓力脈動下性能的研究

沈彥成，吳偉亮

● （上海交通大學 動力機械和工程教育部重點實驗室，上海 200240）

壓力式噴嘴在壓力脈動下性能的研究

沈彥成，吳偉亮

● （上海交通大學 動力機械和工程教育部重點實驗室，上海 200240）

以機械壓力噴嘴為研究對象，應用 VOF模型對脈動壓力下的噴嘴內部流場進行了數值模擬，分析了噴嘴在脈動壓力下的流量、霧化角等特性。結果表明：脈動壓力下瞬時流量和霧化角呈現相同頻率的脈動，且平均流量基本在設計流量附近。流量的振幅隨脈動頻率的變化，呈現出先增大后減小的趨勢，并在400Hz時達到最大值；入口壓力與出口流量的相位差隨頻率的增大而增加，且近乎線性關系，脈動壓力的幅值對相位差影響不大。

機械壓力噴嘴；壓力脈動；霧化角；流量

0 引言

狹義上的機械壓力式噴嘴是指能將液體霧化的裝置，這類裝置在工農業生產中獲得大量應用。機械壓力式噴嘴包含多種種類，其中結構較簡單的是單路壓力噴嘴，因其壓力損失小、霧化效果好，在多種設備，特別是燃燒設備中得到廣泛應用。本文討論對象就是這種結構類型的噴嘴。從應用情況看，迄今僅作為使液體霧化的器件噴嘴，在設計、計算中僅考慮其在給定壓力下流量、霧化角、霧化粒徑及分布等基本靜態特性。實際燃燒裝置中，由于各種因素可能導致噴嘴上下游壓力會發生變化，如燃油泵葉片旋轉作用、不穩定燃燒、航空器機動等，從而導致噴嘴工作性能發生改變，影響動力設備的運行，因此研究噴嘴在脈動壓力下的性能對現實具有一定參考價值。特別是人們熟悉和掌握了噴嘴在脈動 壓力下的性能后，不但可以以此改進燃燒設備工作性能，還有可能將噴嘴作為控制器件，對燃燒過程實施有目的的控制，并發展出新的燃燒方式。工作于動態壓力下的噴嘴在工程中是很常見的現象，如在內燃機工作過程中燃油噴嘴就是以動態形式工作，對其霧化過程人們開展了大量研究工作。但這類噴嘴工作最大特點是脈沖式工作，其不在本文研究范疇之內。本文所指噴嘴脈動壓力下的性能是指噴嘴在鍋爐、燃氣輪機等動力裝置中上下游壓力持續脈動下的性能，即噴嘴工作壓力由足夠的直流量和一定幅值交流量疊加而成，如圖1所示

圖1 噴嘴工作壓力變化

俄羅斯學者Bazarov首先對噴嘴在脈壓力下的性能進行了的研究，其在忽略流體粘性的前提下，通過理論推導得到機械壓力噴嘴頻率特性方程，并分析了噴嘴各輸入、輸出參數振幅和相位角的的關系[3]。文獻[4]在繼承 Bazarov思想的基礎上考慮了粘性，分析了幾何參數和工況參數對機械壓力噴嘴相頻特性和和幅頻特性的影響。同時，也有一些學者通過實驗的方法對噴嘴在脈動壓力下的性能進行了研究。文獻[5-6]測量了機械壓力噴嘴在壓力脈動下的瞬時流量。通過測量噴嘴出口的軸向速度和和油膜厚度的方法得到瞬時流量，軸向速度在噴嘴出口壓力測得后通過理論推導的方法得到，油膜厚度通過電導法得到。但是，噴嘴在脈動壓力下的性能試驗研究由于流量脈動頻率高，傳感器無法達到如此高的響應靈敏度要求，因此直接進行試驗有很大的困難。近年來，機械壓力噴嘴的的數值計算逐漸發展成熟。如吳偉亮等人[7[8]運用CFD研究了各個幾何參數對機械壓力噴嘴性能的影響進行了分析，并與Abramovich理論及其優化理論進行了對比，突出了CCFD在機械壓力噴嘴設計上的作用。也有運用CFD軟件對機械壓力噴嘴的在脈動壓力下的性能進行研究。如文獻[9-10]對二維軸對稱旋轉模型對單路壓力嘴在脈動壓力下的性能進行了數值模擬。

不難看出，由于機械壓力噴嘴的旋流室內區域狹小，邊界層相對厚度大，液體粘性對噴嘴旋流室內部流場存在很大影響，因此研究噴嘴動力學特性時忽略液體粘性可能對計算結果帶來較大誤差。同樣，考慮到噴嘴內流道結構和尺度，采用軸對稱假設也會引入誤差。在本研究工作中，完全考慮液體粘性和流道細微結構對流場的影響，對機械壓力噴嘴三維內流場進行了CFD計算，分析了噴嘴瞬時流量、霧化角隨同脈動壓力頻率和振幅的變化規律，并對瞬時流量進行了幅頻、相頻特性分析。

1 物理模型及網格

本文中的研究對象為如圖2所示的機械壓力噴嘴。流體由旋流槽1流入噴嘴，經旋轉運動在旋流室2中形成緊貼壁面的旋轉液膜,最后通過噴口3噴出。由于旋轉液膜具有很高的切向速度，噴口軸線附近會形成局部低壓區，從而對噴嘴出口處的環境氣體形成抽吸作用，在噴嘴軸線附近形成氣錐。因此，機械壓力噴嘴內的流動為狹小空間內的氣液兩相流動。

圖2 機械壓力噴嘴的結構

應用網格劃分軟件對計算域進行非結構化網格的劃分。在噴嘴的噴口軸線附近區域進行網格加密，使數值計算結果能較好的捕捉氣液分界面。計算域從噴嘴進口向上游延伸10倍直徑長度，這樣在上游給定總壓邊界條件下，在噴嘴入口處得到接近實際的速度分布。

圖3為噴嘴的計算域。

圖3 機械壓力噴嘴的計算域

2 數學模型

2.1 VOF方法

如前所述，壓力噴嘴內的流動為氣液兩相分層流動，即氣液兩相之間存在明顯的邊界，對于此類問題，相界面的捕捉是數值求解的關鍵，本文在求解中使用VOF方法。

VOF方法適用于兩相間不相互滲透，兩相間具有明顯邊界且滑移可忽略的不可壓流動。本文中，空氣的壓力變化不大，因此可以作為不可壓流體處理。

在VOF方法中，引入液相容積比f。

其中：νl和νg分別是計算網格中液相和氣相的體積。因此網格控制體中均為液體時，f=1，均為氣體時f=0，且0≤f≤1。因為f是可以輸運的守恒量，滿足無源輸運方程，即：

此方程同基本的質量、動量守恒方程聯立求解。計算不考慮物理相變。

在VOF方法中，根據相函數f的分布構造相界面，從而得到氣相和液相的分布。

2.2 湍流模型

本文采用RNGk-ε模型，該模型可更好處理流線彎曲程度較大的流動，因此能較好地模擬本文問題中出現的強渦旋流動。

2.3 表面張力模型

在CFD計算中，表面張力被當做是控制單元表面上的動量源項，控制單元表面上微弱的變形都會引起表面張力的變化。因此氣液分界面捕捉不準確、曲率計算精度低等都會引起數值誤差的放大。如果要減小這種誤差，計算中應使用雙精度，這樣會減小曲率計算中的舍入誤差及更好的捕捉氣液分界面，但是雙精度會降低計算的經濟性。同時考慮到對于噴嘴內部分層流動，表面張力相對于慣性力等可忽略不計，因此在計算中忽略表面張力。

2.4 邊界條件和初始條件

計算模擬常溫下噴嘴在脈動壓力下的工作性能。液體工作介質為水，且計算中水和空氣的溫度為 25℃。噴嘴出口為靜壓邊界條件，壓力等于 1atm；噴嘴入口為總壓脈動邊界，壓力大小為P，其表達式為：

其中：Pave為總壓脈動的平均值，計算中取值為1.0MPa；δ為壓力脈動量的幅值；f為壓力脈動量的頻率。

為了給上述非定常過程提供初始流場，同時也為了給噴嘴的脈動壓力下的性能提供一個對比分析的依據，因此先進行定常計算，其入口為總壓邊界條件，壓力大小為定值1.0MPa。

3 結果與討論

圖4和圖5分別是定常計算結果。在噴口附近的沿軸線橫截面的絕對壓力分布圖和氣相-液相分布圖。圖片表明噴嘴內部存在氣液分界面清晰的空氣錐。

圖4 軸向橫截面靜壓分布圖

圖5 軸向橫截面液相-氣相分布圖

計算表明，當噴嘴工作壓力中存在正弦變化的脈動分量時，噴嘴瞬時流量也出現同樣頻率的脈動量，如圖6所示。

圖6 脈動壓力幅值0.1MPa，頻率200Hz工況下瞬時流量

機械壓力噴嘴在不同的壓力脈動頻率和幅值下瞬時流量將發生改變，為更好反映這種影響，引入平均流量這個概念。平均流量是指噴嘴在在壓力脈動的條件下工作時，在壓力脈動一個周期內的平均流量，其表達式為：

其中：Gave為平均流量；T為脈動周期；t為時間。

噴嘴在脈動壓力工作條件下，其流量特性有可能改變，會與設計流量有一定的偏差，而這會顯著的影響燃燒的性能。因此引入相對平均流量，以與設計流量進行對比分析：

其中G0為設計流量，也就是噴嘴在穩定的額定工作壓力下的流量，在這里即為穩態計算得到的流量。

由圖7知，脈動壓力下噴嘴的平均流量與設計流量相差在5%之內，壓力脈動頻率和幅值對其平均流量存在一定的影響，且這種影響是非線性的。在200Hz附近，噴嘴的平均流量較多的偏離設計流量，且隨著脈動壓力幅值的增大，噴嘴的平均流量更多得偏離設計流量。

圖7 噴嘴的相對平均流量

霧化角是除流量外噴嘴的又一重要特性參數。根據定義，機械壓力式噴嘴霧化角的計算公式為：

其中：Vθ、Vz分別為位于噴嘴出口貼壁處邊界層外的監測點在柱坐標下切向和軸向分速度；u、v、w分別為監測點在直角坐標系下的分速度，其中w為噴嘴的噴射方向。如圖8所示，當噴嘴工作壓力中存在正弦變化的脈動分量時，噴嘴瞬時霧化角也表現出同樣頻率的脈動。

為更好了解噴嘴脈動壓力下的響應特性，了解噴嘴的流量振幅隨脈動壓力頻率的變化，定義相對于設計流量的相對振幅為：

其中：GA為流量振幅。

圖8 脈動壓力幅值0.1MPa，頻率200Hz下瞬時霧化角

圖9顯示，在不同脈動壓力幅值下，機械壓力噴嘴呈現出相似的幅頻特性。在100Hz～400Hz頻率內，機械壓力噴嘴的脈動幅值迅速增大，并在400Hz附近達到最大值；超過 400Hz，隨著脈動頻率的增大，脈動幅值緩慢下降。流量脈動幅值隨著壓力脈動幅值的增加而單調增加。

圖9 機械壓力噴嘴的流量幅頻特性曲線

圖10 機械壓力噴嘴的流量相頻特性曲線

如圖10所示，噴嘴的入口壓力與出口流量之間存在相位差，具體是指同一時刻入口脈動壓力與出口瞬時流量間相位角的差值，該差值反映了出口瞬時流量變化滯后于脈動壓力變化的程度，其數值與管道長度有關。對于多個噴嘴的燃燒裝置，可通過計算得到各個噴嘴的相位差，進而調節和控制整個噴霧系統。由圖10還可知，相位差隨頻率的增大而增加，且近乎線性關系，脈動壓力的幅值對相位差影響不大。

4 結論

1）在正弦脈動壓力下，機械壓力噴嘴的瞬時流量和霧化角也呈現出相同頻率的正弦脈動。

2）噴嘴的平均流量與設計流量相差在5%以內。壓力脈動頻率和幅值對其時均流量都存在一定的影響，且這種影響是非線性的。

3）在不同脈動壓力幅值下，機械壓力噴嘴呈現相似的幅頻特性。在100Hz～400Hz頻率內，脈動幅值隨著頻率的增大而增大；當頻率超過400Hz時，隨頻率的增加，脈動幅值不斷減少。流量脈動幅值隨壓力脈動幅值的增加而單調增加。

4）出口流量與入口壓力的相位差隨頻率的增大而增加，且近乎線性關系，此時脈動壓力的幅值對相位差影響不大。

[1]Huang Y,Yang V.Dynamics and stability of lean-premixed swirl-stabilized combustion [J].Progress in Energy and Combustion Science,2009,35(4):293-364.

[2]Lefebvre A H,Ballal D R,Bahr D W.Gas turbine combustion:alternative fuels and emissions[M].Boca Raton,FL:CRC Press,2010.

[3]Bazarov V G.Liquid Injector Dynamics [M].Moscow,1979.

[4]楊立軍,張向陽,高芳,等.液體噴嘴在脈動壓力下的性能數值模擬[J].航空動力學報,2004 (19):866-872.

[5]Khil T,Kim S,Cho S,et al.Quantifying the variation of the mass flow rate generated in a simplex swirl injector by pressure fluctuation[J].AIAA Paper,2008,4849:2008.

[6]Khil T,Kim S,Cho S,et al.Quantification of the transient mass flow rate in a simplex swirl injector[J].Measurement Science and Technology,2009,20(7):075405.

[7]徐剛,吳偉亮.旋流式噴嘴內流場的數值模擬 [J].能源技術,2008,29(3):129-132.

[8]Hinckel J N,Villa Nova H F,Bazarov V G.CFD analysis of swirl atomizers [C]// 44th AIAA/ASME/SAE/ASEE Joint Propulsion Conference and Exhibit,2008.

[9]富慶飛,楊立軍,屈元元,等.敞口型液體機械壓力噴嘴在脈動壓力下的性能數值模擬[J].Journal of Aerospace Power,2010,25(9):497-500.

[10]Rizk N K,Lefebvre A H.Internal flow characteristics of simplex swirl atomizers[J].Journal of Propulsion and Power,1985,1(3):193-199.

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

沈彥成（1988-），男，碩士研究生。研究方向：燃氣輪機燃燒器性能。