雙組元離心式噴嘴外噴嘴流動數(shù)值模擬分析

宋大亮,凌前程,章榮軍

(西安航天動力研究所，陜西 西安 710100)

0 引言

離心式噴嘴流場數(shù)值模擬研究伴隨計算流體力學(xué)而發(fā)展，數(shù)值模擬方法對于認識噴嘴流場結(jié)構(gòu)，揭示噴嘴的流動特點起到了很好的指導(dǎo)作用。隨著數(shù)值計算方法的發(fā)展及界面捕捉精度的提高，數(shù)值模擬方法在噴嘴流動特性研究方面得到了更廣泛的應(yīng)用。C．Dumouchel等人數(shù)值模擬研究離心式噴嘴的內(nèi)流場特性，計算結(jié)果中給出軸向和徑向速度分布，討論幾何形狀及入口壓力、雷諾數(shù)等條件對速度分布的影響[1]。S．M．Jeng數(shù)值模擬和試驗研究離心式噴嘴特性[2]，用ALE方法捕捉氣液界面，采用自適應(yīng)網(wǎng)格生成技術(shù)來使內(nèi)節(jié)點與自由表面很好的貼合。可知，基于無粘性假設(shè)的理論分析解低估液膜厚度而大大高估霧角。周立新數(shù)值模擬研究離心式噴嘴內(nèi)流場特性，其碩士論文數(shù)值模擬研究敞口離心式噴嘴內(nèi)流場特性[3]，博士論文數(shù)值模擬研究同軸離心式氣液噴嘴內(nèi)流場特性[4]，在國內(nèi)數(shù)值模擬研究離心式噴嘴特性方面做出開拓性的工作。岳明等使用CFD-ACE軟件數(shù)值模擬離心式噴嘴內(nèi)流場，應(yīng)用VOF方法捕獲氣液分界面，計算不同壓降下離心式噴嘴內(nèi)的氣液兩相流動狀況，研究不同壓降對噴嘴內(nèi)流動的影響[5]。文獻[6]對俄羅斯在數(shù)值模擬方面的研究做簡要介紹，一些研究者探索氣液同軸離心式噴嘴內(nèi)流場數(shù)值模擬，取得令人欣喜的成果。Xue Jian Qing在其博士論文中對離心式噴嘴進行全流場數(shù)值模擬研究，所建模型中用ALE方法捕捉氣液界面[7]。王凱運用數(shù)值模擬方法研究單組元噴嘴流動、充填特性[8]。這些研究基本是針對單組元離心式噴嘴流動特性，對工程中廣泛應(yīng)用的雙組元離心式噴嘴流動特性涉及較少。

本文針對雙組元離心噴嘴的外噴嘴流動特性開展研究，采用數(shù)值模擬方法，研究雙組元離心式噴嘴外噴嘴流動特性，研究外噴嘴流場結(jié)構(gòu)特點及內(nèi)噴嘴直徑、縮進長度對其流動特性的影響，獲得影響規(guī)律，為外噴嘴設(shè)計、使用提供指導(dǎo)。

1 數(shù)學(xué)模型

1.1 模型假設(shè)及控制方程

離心式噴嘴流動可描述為液體從切向孔進入旋流室，在離心力的作用形成旋轉(zhuǎn)液膜，在噴嘴軸線附近形成低壓區(qū)，低壓區(qū)對外面的氣體產(chǎn)生抽吸作用，從而使得軸線附近氣體由噴嘴外面向噴嘴內(nèi)流動。噴嘴流場是氣液兩相流動，這一點是模型的核心，決定模型的計算方法，是噴嘴流場數(shù)值模擬的難點，同時認為氣液兩相互不滲透，存在明顯的氣液分界面。噴嘴流場可以認為液相區(qū)體積彈性模量較大，氣相區(qū)流場的壓強變化很小，符合不可壓流動假設(shè)。已有的研究成果表明，噴嘴流場處于湍流流態(tài)，湍流是一種高度復(fù)雜的不規(guī)則流動。湍流中流體的各物理參數(shù)隨時間、空間而隨機變化。綜上，噴嘴流場基本假設(shè)可描述為：

1)流場分為氣相區(qū)、液相區(qū)，氣液兩相存在明顯的分界面；

2)噴嘴流場中的氣、液兩相流體均是粘性流體；

3)噴嘴流場處于湍流流態(tài)；

4)不可壓流動假設(shè)。

基于以上假設(shè)，建立噴嘴流場數(shù)學(xué)模型，控制方程見表1。噴嘴流場控制方程包括連續(xù)性方程、動量方程、k方程、ω方程及容積分數(shù)方程。湍流模型選擇了基于SST模型的k-ω方程模型，該模型考慮了湍流剪切力的傳輸，可以精確的預(yù)測流動的開始和負壓力梯度條件下流體的分離量，模型相關(guān)參數(shù)見文獻[9-10]。

表1 控制方程組

1.2 邊界條件及網(wǎng)格劃分

典型雙組元離心噴嘴結(jié)構(gòu)如圖1所示，外噴嘴液流試驗時通常安裝堵頭，模擬內(nèi)噴嘴對外噴嘴流動特性的影響，數(shù)值模擬時考慮了堵頭對流場的影響。離心式噴嘴通過若干個切向孔引入燃料或氧化劑，從流場結(jié)構(gòu)上看，離心式噴嘴流場具有對稱性，噴嘴流場數(shù)值模擬可以取計算域的一部分進行，使用ICEM CFD進行網(wǎng)格劃分。噴嘴切向入口給定流量，壁面設(shè)置為無滑移邊界條件，將出口的一部份空間區(qū)域納入計算模型，直接模擬噴霧錐角，出口給定為開放式邊界條件。

圖1 噴嘴三維模型

2 結(jié)果與討論

2.1 外噴嘴流場數(shù)值模擬

液流試驗以水為介質(zhì)，為將數(shù)值模擬結(jié)果與試驗結(jié)果對比，數(shù)值模擬也以水為介質(zhì)，液流試驗時安裝了模擬堵頭，數(shù)值模擬時考慮了堵頭的影響。圖2為外噴嘴流場數(shù)值模擬結(jié)果，從壓力場云圖看，噴嘴流阻損失主要在切向孔入口段。數(shù)值模擬結(jié)果給出了完整的錐形液膜形狀，噴嘴出口處液膜厚度小于內(nèi)外噴嘴之間的間隙，在噴嘴外部形成了逐漸減薄的錐形液膜。內(nèi)噴嘴與外噴嘴所形成間隙的出口處的液相是充滿的，不存在氣相。從速度矢量看，液膜切向速度較大，而氣相切向速度較小。

圖2 外噴嘴流場典型數(shù)值模擬結(jié)果

為對比分析，對無內(nèi)噴嘴時的流場進行了數(shù)值模擬分析，結(jié)果如圖3所示。無內(nèi)噴嘴時，在離心力作用下，噴嘴內(nèi)部形成低壓區(qū)，氣相沿噴嘴軸線向噴嘴內(nèi)部流動，與液相接觸的氣體，隨液膜向噴嘴外部流動，從而在噴嘴內(nèi)部形成氣相回流區(qū)。由于無內(nèi)噴嘴的約束，旋流室內(nèi)大部分區(qū)域液膜厚度相對于存在內(nèi)噴嘴時有所增加。這顯示出噴嘴設(shè)計時內(nèi)噴嘴的直徑選擇是非常關(guān)鍵的，需要選擇合適的內(nèi)噴嘴直徑以盡量減小其對外噴嘴流動特性的影響。

通過數(shù)值模擬可以直接給出噴嘴壓降、噴霧錐角，與液流試驗結(jié)果對比情況如圖4所示，試驗結(jié)果為噴嘴批生產(chǎn)過程積累的典型試驗數(shù)據(jù)，噴霧錐角與試驗值相比偏差4.2%、噴嘴壓降與試驗值相比偏差6.4%，數(shù)值模擬結(jié)果與試驗結(jié)果偏差較小，可以用于指導(dǎo)噴嘴設(shè)計。數(shù)值模擬結(jié)果給出，相對于無內(nèi)噴嘴時，噴嘴壓降升高、噴嘴霧化錐角有所減小。安裝了內(nèi)噴嘴后，旋流室內(nèi)摩擦損失增加，導(dǎo)致噴嘴壓降升高，噴嘴能量損失增加對噴嘴霧化錐角產(chǎn)生影響，致使其有所減小。

以往的研究中較少關(guān)注內(nèi)噴嘴對外噴嘴流動特性的影響，對于雙組元離心式噴嘴的外噴嘴設(shè)計，文獻[11]給出了基于阿伯拉莫維奇噴嘴計算方法，使用相干系數(shù)進行修正。眾多研究結(jié)果表明，阿伯拉莫維奇噴嘴計算方法可以準確預(yù)測噴注壓降、霧化錐角的變化趨勢，但是通常會低估噴注壓降、高估霧化錐角，并且誤差較大。在此基礎(chǔ)上修正的噴嘴計算方法可能在噴嘴設(shè)計過程中形成較大偏差，影響噴嘴設(shè)計工作。在噴嘴設(shè)計過程中運用數(shù)值模擬方法指導(dǎo)設(shè)計，可以更為準確的確定噴嘴結(jié)構(gòu)，降低設(shè)計反復(fù)的風(fēng)險。

圖4 數(shù)值模擬結(jié)果與試驗結(jié)果對比

2.2 內(nèi)噴嘴直徑對外噴嘴流動特性的影響

內(nèi)噴嘴占據(jù)了原噴嘴的氣渦部分，對外噴嘴流動特性造成干擾，在此通過數(shù)值模擬方法研究內(nèi)噴嘴直徑變化時外噴嘴流動特性變化規(guī)律，分析結(jié)果如圖5所示，橫坐標是噴嘴直徑變化序列，在基準噴嘴基礎(chǔ)上增加、減小內(nèi)噴嘴直徑。通過數(shù)值模擬獲得，隨內(nèi)噴嘴直徑增大，外噴嘴壓降增大、噴霧錐角減小。隨內(nèi)噴嘴直徑增大，外噴嘴液膜受到的干擾越大，導(dǎo)致外噴嘴的流阻損失增大。離心式噴嘴噴霧錐角與液膜的周向速度/軸向速度之比相關(guān)，隨著內(nèi)噴嘴直徑增大，流動間隙減小，流量一定時軸向速度會增大。隨噴嘴流阻損失增大，液膜的周向速度減小。定性分析上噴霧錐角也是減小的，數(shù)值模擬分析結(jié)果是合理的。為保證噴嘴狀態(tài)一致性，需要控制內(nèi)外噴嘴間隙，保證噴嘴間隙在較小的范圍內(nèi)變化。

雙組元離心式噴嘴設(shè)計時按內(nèi)噴嘴直徑不大于外噴嘴出口處氣渦直徑的原則設(shè)計，從數(shù)值模擬結(jié)果看，按這一原則設(shè)計的噴嘴可以較好的平衡噴嘴壓降、噴霧錐角的關(guān)系。

圖5 內(nèi)噴嘴直徑對外噴嘴流動特性的影響

2.3 內(nèi)噴嘴長度對外噴嘴流動特性的影響

內(nèi)噴嘴長度變化時，外噴嘴受干擾程度不同，在此通過數(shù)值模擬方法研究內(nèi)噴嘴長度變化對噴嘴流動特性的影響，分析結(jié)果如圖6所示。在一定范圍內(nèi)，內(nèi)噴嘴長度對噴嘴流動特性基本無影響，內(nèi)噴嘴長度進一步增加時，噴嘴流阻損失減小、噴霧錐角增大。之所以出現(xiàn)隨內(nèi)噴嘴長度增加，噴嘴流阻損失減小、噴霧錐角增大，與液膜厚度變化有一定關(guān)系，前文數(shù)值模擬結(jié)果給出，隨著內(nèi)噴嘴長度增加，噴嘴出口液膜厚度呈增厚趨勢，等同于減小內(nèi)噴嘴直徑的作用，所以出現(xiàn)圖6所示規(guī)律。所分析噴嘴在設(shè)計時控制內(nèi)噴嘴直徑小于外噴嘴氣渦直徑，從數(shù)值模擬結(jié)果看，按這一原則設(shè)計的噴嘴，變化內(nèi)噴嘴長度外噴嘴流動特性雖有影響，但變化范圍很小。

圖6 內(nèi)噴嘴長度對外噴嘴流動特性的影響

3 結(jié)論

本文通過數(shù)值模擬方法研究雙組元離心式噴嘴外噴嘴流動特性，通過研究認為：

1)本文采用CFX軟件對雙組元離心式噴嘴的外噴嘴流動特性進行數(shù)值模擬分析，數(shù)值模擬獲得的離心式噴嘴流動特性與試驗結(jié)果偏差較小，CFX軟件可以準確的分析離心式噴嘴流動特性。

2)內(nèi)噴嘴對外噴嘴流場形成干擾，使用常規(guī)噴嘴設(shè)計方法設(shè)計雙組元離心式噴嘴外噴嘴時存在一定的偏差，使用常規(guī)設(shè)計方法初步計算噴嘴結(jié)構(gòu)，通過數(shù)值模擬方法進一步詳細設(shè)計是較好的設(shè)計方法，可以有效的降低設(shè)計反復(fù)的風(fēng)險。

3)內(nèi)噴嘴直徑、縮進長度對外噴嘴流動特性會有一定的影響，有必要通過數(shù)值模擬方法研究具體結(jié)構(gòu)噴嘴的影響程度，并確定控制范圍，以控制產(chǎn)品狀態(tài)一致性。

4)噴嘴設(shè)計時控制內(nèi)噴嘴直徑不大于外噴嘴出口氣渦直徑，按此原則初步確定雙組元離心噴嘴方案，結(jié)合數(shù)值模擬詳細流場分析，可以確定最優(yōu)噴嘴結(jié)構(gòu)。