低韋伯數下燃油破碎性能模型參數影響研究

楊愛華，胡超，朱卓宇

（1.中國航發湖南動力機械研究所；2.直升機傳動技術重點實驗室，湖南 株洲 412002）

燃油破碎性能直接關系著空氣與燃油的混合程度，進而影響燃燒室性能如效率、點火性能及尾氣排放等。利用仿真方法，研究燃油破碎過程對了解燃燒室性能有著較大幫助。同時，不同的模型參數可能對燃油破碎性能有著較大影響，須對模型仿真參數影響性進行研究，以獲取更加符合實際的燃油破碎性能。本文根據試驗條件，利用FLUENT，建立了環境溫度壓力下的燃油破碎WAVE三維模型，并研究了低空氣韋伯數（＜180）條件下，模型參數對燃油破碎性能影響。

1 燃油破碎性能參數

在橫向空氣流中，燃油破碎過程包括兩個初始破碎和二次破碎兩個過程，見圖1。對于初始破碎過程，在低韋伯數和低燃油空氣動量流量比條件下，油柱破碎機制主導著液滴的形成；對于二次破碎過程，空氣動力作用在油柱表面，剪切力作用致使液滴從油柱表面撕裂。從初始破碎到二次破碎的過渡過程可能是由于壓力或者速度增加造成的。

主燃油噴嘴液態燃油破碎的主要性能可用液滴平均直徑（SMD）及滲透高度等參數來表示。

2 試驗條件

Leong 和 Hautman（2002）利用相位多普勒干涉法，在環境條件下進行燃油破碎試驗，并獲取了在不同條件下的體積流量、液滴速度和SMD。其試驗裝置包括燃油供給系統和空氣供給系統，燃油和空氣在方形腔內匯合。該試驗用油為Jet-A，噴孔直徑為0.762mm，燃油噴射速度為11.65m/s，空氣入口速度為69m/s。

3 模型參數敏感性

3.1 模型參數

模型常數B0和破碎時間常數B1是WAVE燃油破碎模型兩個重要模型參數。新形成的液滴半徑γ與父液滴快速增長的不穩定表面波的波長Λ成正比，見方程（1）。

此外父液滴半徑a變化速率與破碎時間τ、波長增長速度Ω有關，由方程（2）（3）計算得來。

Reitz（1987）推薦B0值為0.61。Liu（1993）推薦B1值為1.73。

在統一仿真條件下，通過改變一個參數，進而獲取該模型參數對燃油破碎的性能影響。模型參數選擇為12和2倍的B0和B1推薦值。

3.2 仿真模型

根據Leong 和 Hautman (2002)燃油破碎試驗，利用FLUENT，建立了燃油破碎三維仿真模型，見圖1。該計算區域包括約7百萬四面體網格，其中為更好地捕捉小液滴，破碎區域被局部加密，約1.8百萬四面體網格。

對于邊界條件設置，燃油入口設置為實心錐形式，空氣入口為質量流量入口，出口為壓力出口，同時仿真條件與試驗條件保持一致。

圖1 燃油破碎仿真模型示意圖

3.3 研究結果與分析

（1）SMD。B0和B1對液滴直徑和分布影響，見圖2。明顯地，B0對SMD影響較大，且B0越大，SMD越大，見圖2（a）；B1對SMD影響相對較小，見圖2（b）且當B0=0.30，B1=1.73時，仿真結果與試驗結果吻合度較好。

圖2 SMD隨距離Y的變化情況

（2）滲透高度。B0和B1對液滴滲透高度影響見圖3。明顯可以看出B0對液滴滲透高度比B1影響要高，且B0越大，液滴滲透高度越高，見圖3（a）；B1對液滴滲透高度影響相對較小，見圖3（b）。

圖3 滲透高度隨距離Y的變化情況

4 結語

本文研究了WAVE燃油破碎模型在低空氣韋伯數條件下（＜180），模型參數B0和B1對環境溫度壓力下的燃油破碎過程性能影響。通過選擇合理的模型參數值，建立了WAVE破碎三維模型，研究分析了模型參數對燃油破碎性能的影響，包括SMD和滲透高度，可以得出如下結論：

（1）B0比B1對燃油破碎性能SMD和滲透高度影響更大；

（2）B0值越大，SMD和滲透高度越大；B1值越大，滲透高度越高；

（3）空氣韋伯數小于180條件下，B0設置為0.30更加符合試驗結果。