氣旋耦合噴嘴噴霧特性研究

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(南京航空航天大學能源與動力學院，江蘇 南京 210016)

0 引言

隨著航空動力性能要求的不斷提高，燃燒室進口條件變得更加惡劣，如何實現極寬油氣條件下的高效穩定燃燒成為了當前先進燃燒室亟待解決的核心問題。駐渦燃燒室[1-2]正是基于此背景發展而來的。與常規旋流器式燃燒室相比，駐渦燃燒室結構簡單、貧富油極限寬、高空點火性能優越、能在更寬的油氣范圍內保持高燃燒效率和污染物排放量低等優點。

駐渦燃燒室主要包含凹腔和主流2部分，其中凹腔為值班區，實現火焰穩定和小功率工作，凹腔內油氣匹配特性對駐渦燃燒室的燃燒性能起到了關鍵作用，而噴嘴作為燃油霧化的主要部件，是決定凹腔內油氣匹配特性的一個重要因素。在駐渦燃燒室供油方案研究中，噴油桿[3]、蒸發管[4-7]和離心噴嘴[8-10]先后被研究人員用于凹腔供油，但是噴油桿霧化性能較差，噴油桿在起動時燃油蒸發速度太慢導致點火性能太差，離心噴嘴存在液滴撞向凹腔上壁面的問題，容易形成積碳，這對提高燃燒效率不利。

為解決這些問題，李明玉等[11-12]人設計出了一種氣旋耦合噴嘴用于凹腔供油。該噴嘴可以將燃油供入凹腔回流區的剪切層中，從而增強二次霧化、蒸發及摻混。實際上該噴嘴還具有可控制霧型的特點，可以通過控制結構及氣動參數來調節以獲得期望的霧型，而這種特點也是可以應用在普通的旋流燃燒室上。

對于噴嘴噴霧特性試驗研究大部分都是利用光學測試技術結合計算機技術，從物理上全面研究霧化過程。在離心噴嘴研究方面，研究人員更傾向于總結出結構參數與流量數、噴霧錐角及SMD等參數之間的經驗關系[13]；而對于空氣霧化噴嘴則更注重于噴霧特性的研究，探究對噴嘴的粒徑分布、液滴速度等隨著結構及氣動參數變化的規律[14-16]。

本文在前人的研究基礎上，利用工業相機和相位多普勒粒子分析儀(PDPA)對氣旋耦合噴嘴噴霧錐角和霧化粒徑進行了試驗研究，找出不同參數對氣旋耦合噴嘴噴霧特性的影響規律。

1 試驗模型、系統及參數

1.1 試驗模型

氣旋耦合噴嘴是在離心噴嘴的基礎上，增加了氣動襯套和預膜片2個重要結構，結構如圖1所示。氣動襯套和離心噴嘴外壁面組成了氣旋耦合噴嘴的助霧化空氣通道，空氣經由該空氣通道在離心噴嘴前端形成對沖射流，隨后流出氣旋耦合噴嘴。預膜片一般為矩形，并且為2片，上下平行放置，預膜片的主要作用是形成液膜和控制霧型。氣旋耦合噴嘴霧化過程示意如圖2所示。從離心噴嘴噴出的燃油一部分打在預膜片上并展開形成液膜，之后在助霧化空氣的作用下進一步破碎成小液滴，并且隨著助霧化空氣一起流出噴嘴；同時，沒有噴射在預膜片上的燃油則不受預膜片的控制，直接噴出。因此，在離心噴嘴和助霧化空氣的共同作用下，氣旋耦合噴嘴既具有離心噴嘴的霧化特征，也有氣動霧化噴嘴的霧化特征，并且還能達到控制霧型的效果。

圖1 氣旋耦合噴嘴結構示意

圖2 霧化過程示意

1.2 試驗系統

試驗系統由3部分組成：液體供給系統、空氣供給系統和測量系統，如圖3所示。液體供給系統主要由氮氣瓶、穩壓罐、壓力傳感器和壓力表組成，試驗工質為水，利用減壓閥對穩壓罐內氣體壓力進行小梯度精準調節，從而保證了試驗過程中液相壓力穩定，壓力變化范圍為0.1～1.5 MPa。空氣供給系統主要有壓氣機、質量流量控制器、壓力傳感器、壓力表組成，由壓氣機供出固定體積流量的空氣，經過質量流量控制器來控制進入試驗段的空氣流量，多余的空氣通過質量流量控制器前的三通接頭流出。測量系統主要由片光源、高速相機、便攜式計算機和PDPA組成。試驗中，噴霧錐角與SMD分開測量。噴霧錐角的測量是將激光片光源通過噴嘴中心所在的截面，再使用便攜式計算機控制高速相機來拍攝噴霧的原始圖像。霧化粒徑則是利用PDPA，其原理是利用4束激光在噴霧場中相交于一點，4束激光由位于2個垂直平面的2束藍光和2束綠光組成，藍光與綠光形成明暗相間的干涉條紋，當粒子穿過4束激光的交點時，引起干涉條紋變化并產生多普勒信號，將接收到的多普勒信號經過放大，處理器通過處理不同探測器上多普勒信號的相位差來計算出粒子的直徑。

試驗段模型結構如圖4所示，由進氣管道、底座、氣旋耦合噴嘴以及油管組成。底座上有圓形凹槽用于安裝并固定氣動襯套，氣動襯套內為離心噴嘴，離心噴嘴后為一段油管，油管上部為一段螺紋與進氣管道連接，起到固定離心噴嘴和密封的作用。進氣管道下部為法蘭盤，固定在底座上，法蘭盤和底座中間加一層墊片來保證密封性，進氣管道的上部有2個空氣進口。

圖3 系統簡圖

圖4 試驗段模型結構

1.3 試驗參數

試驗選取空氣流量Q為40～140 L/min，中間每隔20 L/min選取一個工況點。為確定試驗工況，試驗前還需對離心噴嘴進行流量標定，得到的流量標定曲線如圖5所示。試驗中選取液相壓力0.6 MPa，1.0 MPa和1.4 MPa為工況點。

圖5 離心噴嘴流量標定曲線

2 數據處理方法

氣旋耦合噴嘴在不同相位噴霧錐角差別較大，因此試驗拍攝了噴嘴0°方向(平行于預膜片方向)和90°方向(垂直于預膜片方向)的霧型，并進行圖像處理后得到錐角大小如圖6所示的不同相位截面示意圖。利用MATLAB軟件將高速相機拍攝得到的原始圖像進行處理得到二值化圖像，再從二值化圖像中提取出油霧的邊界，然后從邊界圖像測得噴嘴的噴霧錐角，處理過程如圖7所示。

圖6 不同相位截面示意

圖7 噴霧圖像處理過程示意

評價噴嘴霧化粒徑有很多種方法，索泰爾平均直徑(SMD)是其中最常用的一種，其計算方法為

ni為液滴直徑為di的液滴數量。

氣旋耦合噴嘴霧化粒徑是利用PDPA來測量得到，測量原點位于噴嘴中心正下方30 mm處，并在0°方向每間隔2 mm選取一個測點。為確保PDPA測得的粒徑數據的有效性，重復性試驗是有必要的，本次試驗基于離心噴嘴，在液相壓力為1.0 MPa的狀態下做了多組重復性試驗，對噴嘴下游30 mm處SMD進行測量，得到的結果如圖8所示。圖8中橫坐標x為測點的徑向位置坐標，x=0對應噴嘴正下方的位置。如圖8 a所示為不同采樣粒子數目時測得的SMD數據，從圖中8可以看出，當采樣粒子數目大于等于5 000時得到的SMD數據隨粒子數目增加變化不明顯。因此取采樣5 000粒子數目，在液相壓力為1.0 MPa時對噴嘴下游30 mm處對不同時刻的SMD進行測量，得到結果如圖8b所示，相差最大處差值為1.7 μm，誤差在允許的范圍內，因此可以認為采樣5 000顆粒所得到的數據為有效數據。

圖8 噴嘴下游30 mm處SMD重復性試驗測量結果

3 試驗結果及分析

氣旋耦合噴嘴不同相位噴霧錐角及其變化規律差異較大，如圖9所示為液相壓力在1.0 MPa氣液比在0.35時氣旋耦合噴嘴不同相位噴霧錐角大小，此時0°方向噴霧錐角為42°，而90°方向為24°，由圖9可以看出，此工況條件下可以得到一個扁平的霧型。

圖9 液相壓力1.0 MPa、氣液比為0.35時噴霧錐角

3.1 噴霧錐角及其變化規律

圖10～圖12分別為液相壓力在0.6 MPa，1.0 MPa及1.4 MPa時，氣旋耦合噴嘴0°方向和90°方向噴霧錐角隨氣液比變化規律曲線。在氣液比較小時，0°方向噴霧錐角明顯大于90°方向，此時可以得到扁平的霧型，隨著氣液比的增加，在不同液相壓力下，0°與90°方向噴霧錐角的大小關系也不同。在液相壓力較小(0.6 MPa)時，當氣液比大于0.66，90°方向的噴霧錐角開始大于0°方向，在氣液比為1.10時二者間差值最大，90°方向噴霧錐角比0°方向大10°。在液相壓力為1.0 MPa時，當氣液比增加至0.69，90°方向與0°方向噴霧錐角基本相等，隨著氣液比繼續增加，二者間差值保持在2°以內。當液相壓力增加至1.4 MPa，0°方向噴霧錐角始終大于90°方向，但是隨氣液比增加二者間差距減小，當氣液比為0.89時二者間差值最小，0°方向的噴霧錐角比90°方向大5°。

圖10 液相壓力為0.6 MPa不同相位噴霧錐角

圖11 液相壓力為1.0 MPa不同相位噴霧錐角

圖12 液相壓力為1.4 MPa不同相位噴霧錐角

如圖13所示，對比了同相位在不同液相壓力下噴霧錐角隨氣液比的變化規律。由圖13可以看出，0°方向與90°方向噴霧錐角的變化規律具有較大差異，隨著氣液比的增加，0°方向噴霧錐角受氣液比影響較小，而90°方向噴霧錐角則呈現出明顯的先增大后略有減小的規律。

在氣旋耦合噴嘴0°相位，噴霧沒有受到預膜片的限制，噴霧錐角與離心噴嘴自身的特性一致，由圖13a中可以看出，隨著液相壓力增加，噴霧錐角有明顯增加。在氣旋耦合噴嘴90°相位，液體顆粒打在預膜片上聚集形成液膜，隨后在氣流的作用下在預膜片的邊界脫落并破碎，因此該方向噴霧錐角受氣流影響較大。盡管液相壓力不同，但是90°方向噴霧錐角均呈現出先增大后減小的趨勢。空氣經由預膜片之間的通道流出后會先發生一定程度的膨脹并向下游運動，與周圍靜止空氣之間相互作用，在兩側產生剪切層，將外部空氣卷吸到射流中，隨著氣液比的增加，氣體膨脹作用增強，在氣流作用下噴霧錐角增大；當空氣流量增加到一定程度，氣體的膨脹作用達到極限，但在氣流慣性的作用下，剪切層的卷吸作用增強，外部空氣向射流運動增強，從而壓制霧型，使得噴霧錐角略有變小。從圖13b中還可以看出，液相壓力越大，90°相位達到最大噴霧錐角的氣液比越小，最大噴霧錐角也越小。

圖13 不同液相壓力下噴霧錐角隨氣液比變化規律

3.2 霧化粒徑及其分布規律

圖14～圖16為不同液相壓力下，噴嘴下游30 mm處SMD分布。從圖14～圖16中可以看出，氣旋耦合噴嘴的SMD分布在徑向上總的來看是由中間向兩邊增加，即氣旋耦合噴嘴具有離心噴嘴的霧化特征。隨著液相壓力的增加，霧化粒徑逐漸減小。當液相壓力較小時，霧化粒徑受氣液比的影響較大，氣液比越大，霧化粒徑越小，當液相壓力增加，霧化粒徑受氣液比影響逐漸減弱。

圖14 0.6 MPa下游30 mm處SMD分布

圖15 1.0 MPa下游30 mm處SMD分布

圖16 1.4 MPa下游30 mm處SMD分布

韋伯準則[17]對于液滴在氣流作用下的破碎方面得到了廣泛認同，即液滴所受氣動力與表面張力比值達到臨界之后液滴開始變形破碎。由韋伯數定義

可知在相同條件下，要達到臨界韋伯數，速度平方的倒數(1/U2)與液滴尺寸成正比。

如圖14所示為液相壓力0.6 MPa時SMD的徑向分布，由圖14中可以看出，氣液比越大，SMD減小并且沿徑向分布越平緩。在液相壓力較小的情況下，顆粒尺寸較大，需要達到臨界韋伯數所需要的速度不高，因此氣的作用比較明顯，隨著氣液比的增加，氣動霧化的效果越強，使噴嘴呈現出氣動霧化噴嘴的特性，霧化粒徑沿徑向分布變得平緩，當氣液比達到1.54時，SMD最大值與最小值相差不到7 μm。

隨著液相壓力的增加，顆粒尺寸減小，由韋伯準則可知，液體顆粒進一步破碎所需要的速度要求更高，因此，液相壓力越高離心噴嘴的作用就越明顯，液體顆粒的尺寸受氣液比影響越小。如圖15所示為液相壓力為1.0 MPa時的SMD分布，此時在不同氣液比時，液體顆粒尺寸變化不明顯，總體上相差不到5 μm，SMD最小值基本上在25μm左右。

圖16為液相壓力在1.4 MPa時噴嘴下游30 mm處的SMD分布，除了氣液比ALR=0.30以及ALR=0.44的2條曲線，其余曲線變現的規律與液相壓力為1.0 MPa時的SMD具有相同的規律。這是由于此時液相壓力大，離心噴嘴原本產生的液體顆粒粒徑很小，由韋伯準則可知，若要達到更小的霧化粒徑，需要的助霧化空氣的速度要求更高，然而當氣液比較小時，助霧化空氣的速度顯然是不足的，加之液滴間的粘合作用使得中間區域的顆粒尺寸相對于兩側有上升趨勢，因此出現了如圖所示的“W”形的分布情況，中間部分的SMD基本上在27 μm左右，與1.0 MPa時的粒徑接近，這也能夠驗證這一說法。隨著氣液比增加，霧化能力增強，SMD分布再次呈現出了離心噴嘴的特征。

由圖16可以看出，氣旋耦合噴嘴的SMD分布特征隨氣液比變化規律與離心噴嘴的初始粒徑大小有關，當液相壓力小，離心噴嘴霧化粒徑較大 時，氣液比越大，則呈現出氣動霧化噴嘴的特征越強，離心噴嘴的特征越弱；當液相壓力大，離心噴嘴自身霧化粒徑較小時，SMD分布在氣液比越大時反而呈現出離心噴嘴特征越強。

圖17為液相壓力為1 MPa時，不同氣液比的噴霧中軸向位置的SMD分布。在不同氣液比中，沿程的SMD變化表現出相似的規律，在兩側SMD較大處，從上游至下游SMD逐漸減小，但是在中間SMD較小的區域，SMD沿程逐漸增大。液體顆粒向下游移動的過程中，一方面在空氣的作用下進一步霧化尺寸減小，另一方面，在氣流的作用下霧型受到壓縮，液體顆粒進一步混合，出現中間部分SMD增大而兩側SMD減小，使得SMD分布變得均勻，當氣液比增加時，氣流速度更大，使得這一過程發展更快，使得SMD的分布更為均勻，這一點從圖17中也可以看出。

圖17 液相壓力為1 MPa時軸向SMD分布

4 結束語

通過對試驗中不同氣液比條件下對氣旋耦合噴嘴噴霧特性的影響規律研究，可以得出以下結論。

a.氣旋耦合噴嘴不同相位噴霧錐角變化規律差異較大，0°相位噴霧錐角基本上不受氣液比影響，變化規律與離心噴嘴一致；90°相位受氣液比影響較大，在不同液相壓力下隨氣液比的增加，噴霧錐角先增大后略有減小。

b.氣旋耦合噴嘴90°相位達到最大噴霧錐角對應的氣液比與液相壓力有關，液相壓力越大，最大錐角對應的氣液比越小，最大錐角的值也越小。

c.在相同的軸向位置，氣旋耦合噴嘴SMD分布基本上是中間較小，兩側較大；噴嘴中間部分的霧化粒徑沿著軸向逐漸增大，兩側則沿軸向逐漸減小。

d.氣旋耦合噴嘴霧化粒徑大小與離心噴嘴的初始霧化粒徑有關，當液相壓力較低時，初始霧化粒徑較大，隨著氣液比的增加霧化粒徑減小，并且SMD沿徑向分布變得更加均勻；隨著液相壓力增大，初始粒徑減小，霧化粒徑受氣液比影響減弱。