空气助力式喷嘴雾化实验及仿真

刘海丽，彭宣化，邢玉明，陈艺文

(1.北京航空航天大学航空科学与工程学院，北京100191；2.中国燃气涡轮研究院，四川江油621703)

1 引言

冰风洞结冰试验的关键在于喷雾系统设计。喷雾系统主要用来产生云雾水滴，控制水滴直径、液态水含量和云雾均匀区范围。其中，喷嘴是产生雾化水滴的基本单元，直接影响结冰试验效果。液滴平均体积直径(MVD)是影响结冰特性的主要参数，有研究者认为，MVD可简单有效地表征无冻雨云层中各尺寸液滴的撞击、收集特性[1]。由于喷嘴特性在一定程度上决定了云雾的液滴尺寸分布，MVD与分布又直接影响结冰的冰形、种类、质量等，因此对喷嘴地面试验的粒径研究有着重要意义。本文利用自行设计的空气助力式气动雾化喷嘴，对其雾化特性进行了实验研究，分析了喷嘴入口水压、气压等因素对液滴MVD的影响，并利用Fluent软件对喷雾外流场进行了三维数值仿真，对仿真结果与实验结果进行了对比。

2 地面喷雾实验

2.1 实验装置

喷雾实验的实验装置由雾化装置、气路系统、水路系统和测量系统等构成，如图1所示。喷雾实验装置的关键部分为自行设计的空气助力式气动雾化喷嘴，其结构示意及实物如图2所示。喷嘴主要尺寸为：混合室气体入口直径6×φ1mm，液体入口直径1×φ1mm，混合室长44 mm，直径12 mm，喷口直径8×φ1mm。其工作原理为，高压空气、水分别由不同通道进入喷嘴混合室，在混合室经湍流扩散充分混合形成气液混合物，再由喷口高速喷出，实现高效雾化功能。

图1 喷雾实验系统图Fig.1 Experiment system for spray

2.2 实验结果及分析

通过调节水路和气路控制阀，使水压分别为0.2 MPa、0.3 MPa、0.4 MPa时对应不同的气压，再通过调节喷嘴位置，使马尔文粒度测试仪距喷口轴向距离分别为50 mm、100 mm、150 mm、200 mm、300 mm时测量液滴粒径。本次实验共测得21组数据。

图3示出了不同水压、气压与粒径的关系。从图中可以看到，水压固定时，随着喷嘴入口气压的升高，喷雾液滴的粒径减小，雾化效果更好。这是因为喷射压差越大，液体从喷口喷出时的速度越大，空气对液膜的扰动作用就越大，于是液膜破碎得越细，形成的液滴颗粒越小。

图4为不同水压、气压时所测量的距离喷口100 mm处的喷雾液滴粒径分布图。从图4(a)、图4(b)可以看出，水压不变、水气之间压差增大后区域分布的最高百分比由58.0%升高到75.8%，液滴粒径分布的均匀性明显提高。图4(b)、图4(c)、图4(d)中粒径区域分布最高百分比分别为75.8%、83.2%、92.0%，水气之间压差不变的情况下，液滴的均匀性随喷嘴入口压力的增大而提高。

图5示出了喷雾液滴粒径沿喷口轴向的变化。从图中可以看出，随着距喷口轴向距离的增大，液滴粒径的变化趋势是先减小后增大。原因为，液滴刚从喷口喷出时速度较大且相对密集，互相碰撞产生二次破碎粒径减小；随着距喷口轴向距离的增大，液滴速度下降，加之重力的作用及颗粒本身的脉动，使得不同颗粒碰撞后出现聚合现象，从而导致液滴粒径变大[2]。从图中还可以看出，随着距喷口轴向距离的变化，液滴粒径的最小点并不固定，其随气压的增大距喷口的轴向距离变长。因为气压越大，气流速度越大，液滴的惯性越大，从加速到减速的过程越长。另外，虽然三条曲线的水压、气压不同，但水压与气压之间的压差不变，故其液滴粒径变化不大。从整体上看，高入口气压较低入口气压得到的雾化粒径小，雾化效果更好，但压力过高又会造成喷雾流场不稳定，液滴运动速度均匀性变差，与实际云雾规律不太相符[3]。从实验所测粒径尺寸上看，该气动雾化喷嘴能满足冰风洞试验中对液滴粒径(20 μm左右)的要求。

图6、图7分别示出了气液比(流入喷嘴的气流和液流的质量之比，ALR)与喷嘴入口气压和液滴粒径的关系。从图中可以看出，当气液比一定时，液滴粒径随着水压的增加呈下降趋势；当水压一定时，气液比随着气压的增大而增大，但增大的趋势随着水压的增加而减弱，并且液滴粒径随着气压和气液比的升高而减小。这一实验结果与空气雾化喷嘴的雾化性能机理理论一致[4]。

3 喷嘴外流场数值仿真

3.1 喷雾流场几何模型及网格划分

根据实验中喷雾锥角及所测距喷口轴向距离的需要，建立底面直径为100 mm、高为300 mm的圆柱体模型，其网格总数为760 853，如图8所示。

3.2 仿真数学模型

喷雾过程中，将气体流场设为连续项，假定喷雾流场中的气相为不可压非稳态湍流流动，并可忽略其粘性。湍流模型采用标准k-ε模型输运方程，且不考虑用户自定义的源项及浮力项[5]。

将喷雾过程中的液相水滴看作离散项，采用三维不可压非稳态雷诺时均N-S方程。在拉格朗日坐标系下，假设液滴颗粒为球形，通过积分拉氏坐标系下颗粒作用力微分方程求解离散相颗粒轨迹。

3.3 仿真结果及分析

选择Fluent软件中提供的空气辅助雾化模型，并选择液滴聚合及WAVE破碎模型；在液滴颗粒模型中选择液滴随机游走模型[6]。整个计算过程中，通过SIMPLEC算法求解压力速度耦合，采用分离式求解法求解控制方程，使用二阶非定常流动进行计算。

以入口气压0.3 MPa、水压0.2 MPa为初始条件进行仿真，仿真结果及与实验结果的比较如图9所示。从图中可以看出，实验测量结果与仿真趋势一致，但在距喷口轴向距离约300 mm处仿真液滴粒径明显小于实验值。原因为，由于仿真所选液滴破碎模型的限制，使得碰撞后聚合的颗粒比实际的少。但误差在允许范围内，说明所用的流场仿真方法合理有效，可以用此方法对冰风洞试验云雾流场进行仿真预测。

4 结论

(1)喷嘴入口水压在0.2～0.4 MPa范围内时，喷雾液滴的粒径随气压的升高而减小，即随压差的增大而减小；液滴的均匀性随着压差的增大和入口压力的增大而提高。

(2)同一工况下，在距喷口轴向距离50～300 mm范围内，液滴粒径随着距喷口轴向距离的增大先减小后增大；水压与气压之间的压差不变时，液滴粒径变化不大。

(3)喷嘴入口水压在0.2～0.4 MPa范围内且气压一定时，水压越高，气液比越小，液滴粒径越大。

(4)该气动雾化喷嘴能满足冰风洞试验中对液滴粒径的要求。

(5)仿真结果与实验结果比较吻合，本文所用仿真方法可用于冰风洞试验云雾流场的仿真预测。

[1]Kind R J，Potapczuk M G，Feo A，et al.Experimental and Computational Simulation of In-Flight Icing Phenomena[J].Progress in Aerospace Sciences，1998，34：257—345.

[2]曹建明.喷雾学[M].北京：机械工业出版社，2005.

[3]甘晓华.航空燃气轮机燃油喷嘴技术[M].北京：国防工业出版社，2006：62—65.

[4]王贞涛，岑旗钢，罗惕乾.双流体喷嘴雾化特性实验[J].化学工程，2010，38(2)：26—30.

[5]阎 超.计算流体力学方法及应用[M].北京：北京航空航天大学出版社，2006.

[6]Fluent Inc.Fluent 6.3 User’s Guide[M].Lebanon：Fluent Inc.，2006.