结构参数对喷嘴性能影响的数值研究

刘国库，潘 刚，郑洪涛

（1.海军驻沈阳地区发动机专业军事代表室，沈阳110015；2.哈尔滨工程大学动力与能源工程学院，哈尔滨150001）

结构参数对喷嘴性能影响的数值研究

刘国库1，潘 刚2，郑洪涛2

（1.海军驻沈阳地区发动机专业军事代表室，沈阳110015；2.哈尔滨工程大学动力与能源工程学院，哈尔滨150001）

为了更好地了解离心式喷嘴的结构参数对其性能的影响，采用两相界面追踪流体体积方法（V olume O f Fluid，V O F）对离心式喷嘴内部的气液两相流动进行了数值模拟研究。结果表明：增大喷嘴旋流室直径与出口段直径比DS/D0，能够减小液膜厚度和喷雾锥角；增大旋流室长径比LS/DS，能够增大液膜厚度，减小喷雾锥角；增大出口段长径比L0/D0，会使液膜变薄，喷雾锥角减小；增大旋流室半锥角θS，会使液膜变厚，喷雾锥角减小。

离心式喷嘴；V O F；液膜厚度；喷雾锥角；燃气轮机；燃烧室

0 引言

由于结构简单，雾化效果好，离心式喷嘴被广泛应用于燃气轮机燃烧室中。目前，对于喷嘴性能的研究主要采用试验手段[1-2]。Ferreira等[3]对燃用重油的带有内混腔的两相流喷嘴进行了试验研究，探讨了影响该型喷嘴优化设计的主要参数及其数值；刘观伟等[4]研究了切向孔总面积对离心式喷嘴雾化特性的影响；王成军等[5]试验研究了压力对喷嘴雾化角的影响；陈俊等[6]试验研究了双路离心喷嘴的雾化油滴的速度场，得到了雾化油滴平均速度、脉动速度及湍流度的分布。

随着计算技术的进步，采用数值方法研究喷嘴性能得到了学者们的重视。其中越来越多的学者采用VOF模型来研究喷嘴内的流体流动情况。Mandal等[7]采用VOF模型对简单雾化喷嘴中的幂律流体流动进行了研究；Altimira等[8]利用VOF模型对扇形雾化喷嘴的特性进行了数值研究，得到了喷嘴内部结构对于流动以及液膜的生成和发展的影响规律；王国辉等[9]采用VOF法研究了喷嘴结构参数对雾化角的影响。

为了更好地了解离心式喷嘴结构参数对其性能的影响，本文采用VOF方法，考察了喷嘴旋流室直径与出口段直径比、旋流室长径比、喷嘴出口段长径比和旋流室半锥角对喷嘴液膜厚度和喷雾锥角的影响，为离心式喷嘴的设计提供理论指导。

1 喷嘴几何模型

通过建立1个简单的离心式喷嘴模型，改变喷嘴结构尺寸大小，考察结构参数对其性能的影响。喷嘴计算域如图1（a）所示。流体由均匀分布在旋流室顶部周围的4个进口进入到旋流室，流体在旋流室中进行旋转流动，然后经喷嘴出口段喷入到外部空间。从图中可见，为了研究喷嘴的性能，在喷嘴出口段下游选取了1个底面直径为20mm，高度为5mm的流域。喷嘴的相关结构参数如图1（b）所示。

图1 离心式喷嘴模型与结构参数

2 数理模型及数值条件

2.1 计算模型

2.1.1 湍流模型

在文献 [10]中，通过对比标准k-ε模型、RNG k-ε模型，以及Realizable k-ε模型3种湍流模型，发现采用RNG k-ε模型模拟的结果与试验结果符合得最好[11-12]。因此，在本文中采用RNG k-ε模型对喷嘴进行模拟。

2.1.2 2相流模型

由于液体和空气在喷嘴旋流室中同时存在，喷嘴内的流动是典型的气液两相流动。为捕捉自由界面形状，本文选用了VOF方法[5]对喷嘴内的流动进行了模拟。VOF方法的基本思想是使用1个标量场函数体积分数α(Volume Fraction)来表征第2相(水为第2相，空气密度低，为第1相)在计算网格中所占的体积分数。此方法可适用于任何2种不可压、不混合，且相互间的滑移可忽略的流体的计算。以空气和水作为模拟工质，当α=0时，表示网格内全部为空气；当α=1时，表示网格内全部为水；当α处于0～1之间（即交界面附近）时，表示网格内为两相混合物。VOF模型在模拟喷嘴内部流动方面已经得到了广泛应用，多数学者的研究结果已经表明该模型的准确性，如文献[13]通过与试验结果对比发现，VOF模型的计算值与试验值吻合良好，雾化锥角计算值与试验值比较见表1。

表1 雾化锥角计算值与试验值比较 （°）

2.2 网格划分

采用ANSYS ICEM软件对模型进行结构化网格划分。为了捕捉液膜厚度的细微变化，在喷嘴出口壁面处对网格进行了局部加密。文献[14]对具有相同结构的喷嘴模型进行了网格独立性验证，研究了40万和57万2种不同的网格，研究结果表明网格数为40万时已经独立。在计算条件允许的情况下，对网格进行了加密，最终网格数量约为95万，能够保证网格独立，具体网格如图2所示。

图2 计算域网格

2.3 边界条件

以水为工质对喷嘴的性能进行了考察，具体边界条件如下：

进口：4个进口均为速度进口，30 m/s，给定流动方向，使其沿壁面切向方向进入旋流室。第2相容积比率设置为1；

壁面：无滑移绝热壁面，采用标准壁面函数；

出口：出口外为大气环境，采用压力出口边界条件，第2相容积比率设置为0。

计算时，从某个进口初始化，喷嘴内液体初始体积分数为0。另外，时间步长设置成0.05 ms，每个时间步内迭代200次。

3 计算结果与分析

主要是考察了4种不同结构参数对喷嘴性能的影响，分别是喷嘴旋流室直径与出口段直径比DS/D0；旋流室长径比LS/DS；喷嘴出口段长径比L0/D0；旋流室半锥角θS。

3.1 DS/D0对喷嘴性能的影响

在考察不同DS/D0对喷嘴性能的影响时，保证DS·D0不变，这样就需要同时调整DS和D0，具体结构尺寸见表2。

表2 不同DS/D0时喷嘴的各结构参数mm

喷雾半锥角θ和液膜厚度t随DS/D0的变化曲线如图3所示。从图中可见，随DS/D0的增大，θ和t的变化趋势一致，均单调减小，Sakman等[15]也得到了相似的规律。在保证DS·D0不变的前提下，随着DS/D0的增大，旋流室直径DS与出口段直径D0之间的差值越来越大，流体从直径较大的旋流室流进直径较小的出口段，造成流体前后压差增大，使得出口处流体轴向速度增大，从而使得液膜厚度减小；Rizk[16]的研究结果也表明，增大DS或减小D0均可以减小油膜厚度；喷雾锥角与流体切向和轴向速度的比值正相关[15]，DS/D0的增大，使得流体轴向速度较切向速度增大显著，导致切向速度和轴向速度比值不断减小，Sakman[15]也发现了相同的现象，所以θ将逐渐变小。当DS/D0的值由2变为6时，θ降低7.8%，而t降低15.5%。这说明t对于DS/D0的变化更敏感。

图3 θ和t随DS/D0的变化曲线

3.2 LS/DS对喷嘴性能的影响

在考察不同LS/DS对喷嘴性能的影响时，以旋流室长度LS为变量，其他结构参数不变，具体结构尺寸见表3。

表3 不同LS/DS时喷嘴的各结构参数mm

喷雾半锥角θ和液膜厚度t随Ls/Ds的变化曲线如图4所示。从图中可见，随着旋流室长度的增大，出口处θ逐渐减小，t则随之增大，该趋势与Sakman[15]和Rizk[16]的研究结果一致。这主要是由于随着的LS/DS增大，即LS越长，喷嘴内摩擦流动损失增大，从而削弱了旋流室内和出口段的流体切向速度，导致出口处空心涡直径减小，液膜厚度变大。另外，由于喷嘴流量不变，空心涡直径变小（即液膜厚度变大），使得流体出口平均轴向速度降低。文献[16,17]指出，旋流室长度对流体切向速度的影响要大于其对轴向速度的影响，也就是说，随着旋流室长度的增大，流体切向速度和轴向速度都将降低，且切向速度减小得相对更快，因此出口喷雾半锥角逐渐减小。当LS/DS由0.6增加到1.5时，喷雾半锥角降低5%，而油膜厚度增加9.9%。

图4 θ和t随LS/DS的变化曲线

3.3 L0/D0对喷嘴性能的影响

在考察不同L0/D0对喷嘴性能的影响时，以出口段长度L0为变量，其他结构参数不变，具体结构尺寸见表4。

表4 不同L0/D0时喷嘴的各结构参数mm

θ和t随L0/D0的变化曲线如图5所示。从图中可见，随着出口段L0/D0的增大，出口处θ和t均呈减小趋势。该趋势与文献[15-16]中得到的趋势相同。说明增加喷嘴出口段的长度有利于燃油的雾化，但不利于将燃油喷射到更广阔的空间。当L0/D0由0.3增大到1.5时，θ降低10.3%，t降低5.7%。说明喷雾锥角对于L0/D0的变化更加敏感。

图5 θ和t随L0/D0的变化曲线

3.4 θS对喷嘴性能的影响

在考察不同旋流室锥角θS对喷嘴性能的影响时，其他结构参数不变，具体结构尺寸见表5。

表5 不同θS时喷嘴的各结构参数mm

θ和t随θS的变化曲线如图6所示。从图中可见，随着θS的增大，θ逐渐减小，出口处t逐渐增大。当θS由30°增大到90°时，θ降低7.4%，而t则升高12.2%。这是因为旋流室与喷嘴出口段的连接部位存在拐角，拐角处存在回流区，旋流室锥角的变化影响了回流区的大小和位置，从而影响了旋流室内流体的轴向速度大小，进而影响出口处流体的轴向速度，因此θ和t发生了变化。这与文献[18]的结论相吻合。

图6 θ和t随θS的变化曲线

3.5 喷嘴内部流动分析

喷嘴内的流线和气/液两相分布如图7所示。从图中可见，喷嘴入口上方和下方壁面附近均存在1个低速回流区，这与文献[14]发现的现象一致。由于液体在喷嘴内做螺旋运动，喷嘴中轴线附近的压力小于外界空气压力，在压差的作用下外界空气沿喷嘴轴线方向进入喷嘴内部，运动到喷嘴顶端壁面后返回，顺着气/液分界面流出喷嘴。空气的流动使得液体在喷嘴内的不同位置处，紧贴内壁的液膜厚度不同，在喷嘴出口处液膜的厚度最薄，这有利于液体的雾化。

图7 喷嘴内的气/液2相和流线分布

4 结论

基于RNG k-ε和VOF模型对简单离心式喷嘴模型内部流动进行了研究，重点考察了喷嘴几何参数对于液膜厚度和喷雾锥角的影响，主要为旋流室直径与出口段直径比DS/D0，旋流室长径比LS/DS，喷嘴出口段长径比L0/D0，旋流室半锥角θS4种参数。在所研究的工况范围内，得到主要结论如下：

（1）增大DS/D0或L0/D0，喷嘴出口处液膜厚度和喷雾锥角均减小。

（2）增大LS/DS或θS，喷嘴出口处液膜厚度均增大，喷雾锥角均减小。

（3）针对以上4种参数，在相同的条件下，喷雾锥角对L0/D0的敏感性要高于液膜厚度，而对于其余3种参数，其敏感性均低于液膜厚度。

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（编辑：张宝玲）

Numerical Investigation for Effect of Structural Parameters on Nozzle Performance

LIU Guo-ku1,PAN Gang2,ZHENG Hong-tao2
（1.Naval Consumer Representative Office of Engine in Shenyang,Shenyang 110015,China; 2.College of Power and Energy Engineering,Harbin Engineering University,Harbin 150001,China）

In order to investigate effect of structural parameters on nozzle performance,the gas-liquid two-phase flow of swirl atomizer was simulated by VOF interface tracking method.The simulation results show that increasing of DS/D0leads to the decrease of film thickness and spray cone angle.Increasing of LS/DSincreases film thickness and decreases spray cone angle.Increasing of L0/D0results in the decrease of film thickness and spray cone angle.Increasing of θSincreases film thickness and decreases spray cone angle.

swirl atomizer；VOF；film thickness；spray cone angle；gas turbine；combustor

TK16

A

10.13477/j.cnki.aeroengine.2015.05.006

2014-12-06 基金项目：燃气轮机工程研究项目资助

刘国库（1978），男，工程师，从事舰用燃气轮机、航空发动机故障诊断、测试、维修与全寿命保障技术研究工作；zhuchongwei412@163.com。

刘国库，潘刚，郑洪涛.结构参数对喷嘴性能影响的数值研究 [J].航空发动机，2015，41（5）：28-32.LIU Guoku，PAN Gang，ZHENG Hongta.Numerical investigation for effect ofstructural parameters on nozzle performance[J].Aeroengine，2015，41（5）：28- 32.