對撞式噴嘴在大氣環境中噴霧實驗與數值模擬

王　婕,余永剛,劉　焜,2

(1.南京理工大學 能源與動力工程學院,南京 210094;2.上海齊耀動力有限公司,上海 201213)

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對撞式噴嘴在大氣環境中噴霧實驗與數值模擬

王婕1,余永剛1,劉焜1,2

(1.南京理工大學 能源與動力工程學院,南京 210094;2.上海齊耀動力有限公司,上海 201213)

摘要:為了研究對撞式噴嘴在大氣環境中的噴霧特性,設計了對撞式噴嘴噴霧實驗裝置。采用相位多普勒粒子動態分析儀(PDA),測量了不同工況下含能液體模擬工質霧化場液滴的特征參數,獲得了不同噴射壓力下液滴索特爾平均直徑D32的分布規律以及噴霧場液滴軸向速度vz沿軸向和徑向的分布規律。在實驗基礎上,建立噴霧場二維非穩態簡化模型,氣相采用k-ε湍流模型,液滴破碎采用泰勒類比破碎模型。結果表明:噴霧場從起始到統計穩定的發展過程約需15 ms,液滴索特爾平均直徑D32的分布規律、軸向速度的計算值與實驗結果基本吻合。

關鍵詞:液體火箭發動機;對撞式噴嘴;霧化特性;數值模擬

液體火箭發動機由于其性能和工作可靠性等方面的優勢,在航天領域具有廣泛的用途[1-3]。液體火箭發動機有一個關鍵部件噴嘴直接影響發動機的工作性能,而對撞式噴嘴通過兩股射流的對撞霧化,具有響應快、能迅速混合和燃燒、易于制造的優點,是液體火箭發動機常用的燃料噴射器。

針對對撞式噴嘴的霧化特性,國內外學者展開了一系列的研究。張蒙正等[4-5]用激光全息及圖像處理技術,研究兩股對撞射流的撞擊狀況及霧化性能,獲得了噴嘴的霧化性能參數。Anderson等人[6]對兩股射流的撞擊霧化特性進行了實驗研究和數值模擬。在不同的流動狀態和噴嘴結構下,實驗測量了液滴粒徑、液膜破裂的長度和寬度、液膜表面波的結構,并利用線性穩定性理論對液膜破碎進行建模,對破碎長度和液滴粒徑進行了模擬計算。孫紀國等[7]用激光散射粒子儀和探針對一種40°撞擊角的對撞式噴嘴做了實驗研究。結果表明,在一定的噴嘴壓降下,噴霧形狀為橢圓形,噴嘴壓降越大,離撞擊點越遠,霧化質量越好。Bremond等[8]針對射流沖擊霧化,研究了從2個相同的圓柱形射流斜碰撞形成液膜及其破碎的過程特征,分析了液膜形狀、邊緣尺寸、流體速度場、液滴的形狀和尺寸大小等參數。Choo等[9]針對射流速度分布對2個沖擊射流形成液膜的速度和厚度做了研究,對于3種不同的射流速度,通過求解質量、動量和能量守恒方程對液膜的厚度和速度分布進行預測,并與實驗結果進行對比。Syed等[10]實驗研究了對撞噴嘴霧化凝膠推進劑,重點分析了噴嘴幾何形狀對霧化效果的影響。Baek等[11]研究了含有納米粒子凝膠材料對撞噴嘴的霧化特性,重點研究了不同射流速度對工質霧化特性的影響。Avulapati等[12]實驗研究了采用空氣輔助的方法對于對撞射流霧化特性的影響。把氣體射流引導到兩股液體射流撞擊點處以提升霧化效果,重點分析了液體粘度、表面張力、液體射流間的對撞角度、氣體噴射射流直徑對噴霧特性的影響。鄭剛等[13]研究了撞擊角度對于對撞式噴嘴霧化特性的影響,采用CLSVOF方法對對撞式噴嘴霧化過程進行數值模擬。結果表明,撞擊角增加,液膜破碎長度減小,液膜破碎程度和表面波幅值增加。

本文針對某含能液體模擬工質,采用相位多普勒粒子動態分析儀(PDA),采集了對撞式噴嘴在大氣環境的霧化特性參數,側重分析壓力變化對噴霧場霧滴軸向速度和平均粒徑等參數的影響,并在實驗的基礎上建立簡化的二維霧化場模型,對霧化過程進行了數值模擬。

1噴霧實驗裝置

為了研究對撞式噴嘴在大氣環境中的噴霧特性,設計了噴霧實驗裝置,如圖1所示,由壓氣機、儲液箱、流量計、壓力表、PDA、噴嘴等組成。實驗開始先將模擬工質注入儲液箱,調節壓氣機到指定實驗壓力,再對PDA試驗系統進行手動調焦。待噴霧穩定后,用PDA系統進行測量,通過計算機輸出數據。

實驗采用的對撞式噴嘴結構如圖2所示,兩股射流間撞擊角2θ=30°,噴孔直徑d0=0.23 mm,中心距l0=3 mm。本次實驗采用PDA實驗系統,該系統可以同時測量球形顆粒尺寸和速度,對霧化場無接觸、無干擾,粒徑測量范圍為0.5～200 μm,測量精度在1%以內;速度測量范圍為-300～1 000 m/s,測量精度在0.1%以內。

圖2　對撞式噴嘴示意圖

坐標軸確定方法如圖3所示,兩噴嘴連線中點為坐標原點O,噴嘴出口方向為z軸,與z軸垂直的平面是Oxy平面,在該平面內與z軸相交且平行于噴嘴連線方向為x軸方向,垂直于噴嘴連線方向為y方向。r為測量點在Oxy平面投影到原點O的距離。

圖3　坐標系示意圖

2實驗結果與分析

霧化工質采用含能液體推進劑模擬工質,粘度為1×10-3Pa·s,噴射壓力分別取2.2 MPa和2.6 MPa。噴射壓力為2.2 MPa與2.6 MPa下各截面液滴平均直徑D32的變化如圖4所示。索特爾平均直徑體現了液滴表面積和體積的相對大小,其值大小反映了液滴與周圍介質進行熱質交換的強弱。當p=2.2 MPa時,液滴平均直徑D32沿軸向先減小后逐步增加。當p=2.6 MPa時,液滴平均直徑D32逐步增加,當軸向距離大于49.5 mm后,液滴平均直徑D32增加速率減小。這表明,隨著軸向距離的增加,液滴受到沿程阻力,速度減小,液滴發生聚合與二次碰撞的概率增加,使液滴的粒徑增加。p為2.6 MPa情況下的D32均小于p為2.2 MPa情況下的D32,壓力增加使液滴間相互碰撞作用力增大,液滴粒徑減小,這表明增大噴射壓力可以減小D32。

圖4　霧化液滴平均直徑D32沿軸向的變化規律

噴射壓力分別為2.2 MPa和2.6 MPa,不同液滴索特爾平均直徑D32的數目分布P如圖5所示。可以看出,2種壓力下大部分液滴直徑集中在52～68 μm范圍內,隨著壓力的增大,液滴索特爾平均直徑D32在44 μm以下數目減少。在p=2.2 MPa時,液滴D32在68～100 μm之間的數目與在52～68 μm間的數目相當。p=2.6 MPa時,索特爾平均直徑大于68 μm的數目是液滴索特爾平均直徑在52～68 μm之間的60%。隨著壓力的增大,在44～68 μm間的液滴數目增加,2.6 MPa情況比2.2 MPa情況下液滴D32數目整體增加10.7%,這說明隨著噴射壓力的增加,射流動量也增大,大氣環境中空氣擾動加劇,液滴在下游發生二次碰撞的概率增加,液滴索特爾平均直徑往減小的方向發展,霧化液滴尺寸分布均勻。

圖6給出了噴射壓力為2.6 MPa下霧化場液滴軸向速度沿軸向和徑向的分布特性。液滴軸向速度u沿軸向先增加后減小,在79.7 mm和102 mm截面處,隨著徑向距離的增加,液滴軸向速度整體變化趨勢相同,都是逐漸減小,這是由于液滴往下游發展,有2股射流碰撞產生能量損失以及沿程阻力的存在,導致液滴速度逐步衰減。在r<17.5 mm之處,79.7 mm橫截面上的液滴軸向速度大于102 mm橫截面處的液滴軸向速度;r>17.5 mm時,102 mm橫截面處的液滴軸向速度大于79.7 mm橫截面處液滴的軸向速度。

圖5　大氣中各測點的液滴平均直徑D32數目分布

3簡化模型及數值模擬

3.1物理模型

針對對撞式噴嘴的特點,對噴霧過程做出如下簡化假設:

①將對撞射流噴霧場近似作為二維氣液兩相流場處理;

②噴霧過程中液滴為離散相,不考慮重力的作用;

③氣相采用k-ε湍流模型;

④液滴破碎采用泰勒類比破碎模型,液滴曳力選球形,計算過程中不考慮液滴變形。

3.2數學模型

3.2.1氣相控制方程

質量守恒方程為

(1)

動量守恒方程為

(2)

湍流模型采用k-ε模型,k方程為

(3)

ε方程為

(4)

式中:μt為湍流粘性系數,Gk是由平均速度梯度引起的湍動能k的生成項;Gb是由浮力產生的湍動能k的生成項;YM為在可壓縮湍流中脈動擴張的貢獻;C1ε,C2ε,C3ε為經驗常數;σk和σε分別是與湍動能k和耗散率ε對應的Prandtl數。

3.2.2離散相控制方程

液滴的作用力平衡方程在笛卡爾坐標系下的形式(i方向)為

(5)

式中:Fd(v-vd)為液滴的單位質量曳力;v為氣相速度;vd為液滴速度;Fi為i方向上的其他作用力。

3.3幾何模型與網格劃分

利用Gambit對對撞式噴嘴在大氣環境中的噴射霧化進行二維建模,噴嘴尺寸如圖2所示,大氣環境中幾何模型如圖7所示,計算區域為200 mm×150 mm,總網格數約120 000個,在噴嘴附近處氣液相互作用比較激烈,對這一區域網格做了加密處理。

圖7　大氣環境中幾何模型

3.4數值模擬結果與分析

對噴射壓力為2.6 MPa時的對撞式噴嘴在大氣環境中的霧化特性進行數值模擬,霧化場液滴粒徑分布隨時間變化如圖8所示。

圖8　霧化場液滴粒徑分布序列圖

由圖可見,兩股射流在撞擊點相撞后,繼續沿軸向和徑向發展,形成以撞擊點為頂點的錐形霧化場,錐形外部有飛濺的細小液滴,當t>15 ms時霧化場參數達到統計穩態。

噴嘴噴射壓力為2.6 MPa時對撞式噴嘴霧化場液滴沿軸向截面的液滴索特爾平均直徑D32的模擬結果與實驗結果如圖9所示。由圖可見,液滴D32數值模擬結果趨勢與實驗結果相同,平均誤差為6.53%。

圖10給出了噴嘴噴射壓力為2.6 MPa時對撞式噴嘴霧化場液滴u沿軸向和在102 mm截面處沿徑向的數值模擬結果與實驗結果。液滴沿軸向的軸向速度的數值模擬結果比實驗結果要小,平均偏小5.9%。在102 mm截面處,液滴軸向速度數值模擬結果發展趨勢與實驗結果基本一致,液滴軸向速度沿徑向逐漸減小,是射流能量損失造成的。數值模擬與實驗結果有偏差,一部分是因為噴霧過程是一個三維過程,把它簡化為二維過程帶來的偏差;另一部分是因液滴碰撞破碎與聚合模型以及初始條件設定產生的誤差。

圖9　液滴D32數值模擬結果與實驗結果軸向分布比較

圖10　液滴軸向速度數值模擬結果與實驗結果沿軸向和徑向分布對比

4結論

綜合本文實驗與數值模擬結果,得出如下結論:

①隨著噴射壓力的增加,液滴間相互碰撞作用力增大,液滴索特爾平均直徑D32減小,噴射壓力在2.6 MPa時,液滴索特爾平均直徑D32沿軸向的增加速度小于噴射壓力為2.2 MPa時液滴索特爾平均直徑D32的增加速度。

②在一定的截面上,測量點離中心軸越遠,液滴軸向速度越小,由于液滴往下游發展,有兩股射流碰撞產生能量損失以及沿程阻力的存在,導致液滴速度逐步衰減。

③數值模擬結果與實驗結果吻合較好,平均誤差在5.9%～6.5%之間,說明本文采用的理論模型和數值模擬方法是可行的。

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Experiment and Simulation Studies on Impinging Nozzle in Atmospheric Environment

WANG Jie1,YU Yong-gang1,LIU Kun1,2

(1.School of Energy and Power Engineering,Nanjing University of Science and Technology,Nanjing 210094,China;2.Shanghai MicroPowers Co.Ltd,Shanghai 201213,China)

Abstract:To study the spray characteristics of impinging nozzle in atmospheric environment,the experiment device of impinging nozzle was designed.The distribution characteristics of the spray parameters in the spray field under different conditions were measured with PDA system.Sauter mean diameter(D32)and axial velocity(vz)along the axial and radial direction were gained under different injection pressures.Based on the experiment results,the two-dimensional unsteady simplified model was established.The gas phase was simulated by usingk-εturbulence model,and Taylor analogy breakup model was used in simulating droplets’breakup.The results show that the time of the spray field being statistically stable takes about 15 ms.The simulated results ofD32andvzagree well with the experimental data.

Key words:liquid-propellant rocket engine;impinging nozzle;spray characteristic;numerical simulation

收稿日期:2015-12-02

基金項目:教育部博士點基金項目(20113219110024)

作者簡介:王婕(1992- ),女,碩士研究生,研究方向為含能材料的霧化。E-mail:13770831835@163.com。 通訊作者:余永剛(1963- ),男,教授,研究方向為含能材料的霧化與燃燒。E-mail:yonggangy@21cn.com。

中圖分類號:V434

文獻標識碼:A

文章編號:1004-499X(2016)02-0047-06