双气流雾化喷嘴气流场的数值模拟

胡尧强， 陈永雄， 梁秀兵， 徐滨士， 李海军

(1. 装甲兵工程学院机械产品再制造国家工程研究中心， 北京 100072； 2. 装甲兵工程学院装备再制造技术国防科技重点实验室, 北京 100072; 3. 66222部队， 北京 102202)

双气流雾化喷嘴气流场的数值模拟

胡尧强1,2， 陈永雄1， 梁秀兵1， 徐滨士2， 李海军3

(1. 装甲兵工程学院机械产品再制造国家工程研究中心， 北京 100072； 2. 装甲兵工程学院装备再制造技术国防科技重点实验室, 北京 100072; 3. 66222部队， 北京 102202)

为分析辅助气流在双气流雾化喷嘴雾化燃油过程中所起的作用，以自行开发的一种用于高速燃气喷涂枪的双气流雾化喷嘴为例，运用计算流体动力学(Computatuinal Fluid Dynamics,CFD)模拟技术计算了该喷嘴气流场，分析了辅助气流对喷嘴气流场分布的影响规律。结果表明：辅助气流使气流喷射锥角和喷射锥空域都有所减小，气流场高速区扩大。这保证了喷嘴气流场结构的完整，增强了雾化效果，实现了雾化喷嘴在较大供气压力范围内的稳焰功能和优异的雾化性能。

高速燃气喷涂；计算流体动力学；雾化喷嘴

高速燃气喷涂是利用特定结构的喷嘴对燃料高效燃烧产生的高压燃气进行加速，进而实现对喷涂材料加热、加速的一类热喷涂技术。采用此技术制备的涂层具有结合强度高、结构致密和表面粗糙度低等优点[1-3]。在一些特定场合，采用以空气为助燃气、航空煤油为燃料的高速燃气喷涂技术，可大幅提高喷涂的安全性，降低系统运行成本。由于只有高效雾化的燃油才能在含氧量较低的空气里稳定燃烧，因此，实现煤油的高效雾化是保证煤油在空气中稳定燃烧进而获得高速燃气的重点和难点。基于此，笔者提出了一种雾化效力强、具有稳焰功能的双气流雾化喷嘴结构，利用计算流体动力学(Computatuinal Fluid Dynamics,CFD)模拟技术模拟了有、无辅助气流时的雾化喷嘴气流场，并分析了辅助气流的作用，以期为进一步分析辅助气流对喷嘴气流场的影响、优化喷嘴的结构提供指导。

1 数值建模

图1为双气流雾化喷嘴的结构原理图。其中：喷嘴由中心锥体和内、外套筒组成；内套筒与中心锥体构成主腔室，外套筒与内套筒构成副腔室，喷嘴工作时，主、副腔室均通入压缩空气；内套筒壁上附有进油孔，燃油从进油孔进入主腔室并在套筒壁面上铺展成油膜；主腔室的主气流对油膜进行加速，并将其带至喷口喷出，副腔室的辅助气流在喷口处与主气流及其携带的燃油相遇，发生剪切作用，将燃油破碎、雾化[4-5]。图1中：d1为中心锥体锥头直径；d2、d3分别为主腔室和副腔室出口直径；d4为主腔室入口直径;d5为油孔直径;α为中心锥体锥端夹角;β为主腔室出口张角;L为油孔与喷口距离;r1为油孔轴线与喷嘴轴线距离。

考虑到雾化喷嘴要装配至喷枪工作，且文中只模拟气流场，无需燃油的加入，因此计算域只取喷嘴装配至喷枪后气体流动空间剖面图的一半，且省去了进油孔结构。为更加明确地分析辅助气流的作用，对有、无辅助气流时的雾化喷嘴气流场均进行了模拟，其雾化喷嘴数理模型计算域如图2所示。在模拟计算过程中，将物理模型内压缩空气的流动简化为稳态湍流模型，空气视为理想气体，喷嘴主、副腔室及喷枪腔室内壁绝对光滑，忽略气体与外界的传热，将流动当作定常绝热等熵可压缩流处理[6-7]。

图1 双气流雾化喷嘴原理图

图2 雾化喷嘴数理模型计算域

2 数值模拟结果与分析

2.1 喷嘴气流场的基本特征

图3为有、无辅助气流时在6 bar供气压力下喷嘴气流场的速度云图，可知在2种情况下，喷嘴气流场的分布存在相似特征：1)流出喷嘴的喷射气流先向斜上方扩展，而后向对称轴处收拢，最后沿对称轴向出口方向流动；2)气流由扩展到收拢的运动路径形成“弧状”结构，该结构内部靠近对称轴处有近似的“空化”结构，“空化”与“弧状”结构之间的区域是低速回流区。图4为喷嘴出口附近的气流速度场矢量图(在进行数据处理时，利用“镜像”功能将对称轴上半部图像“镜像”到了下半部)，可清晰地看到低速回流区。低速回流区具有稳定燃烧火焰的作用[8-10]。

由于液体的雾化主要在喷嘴出口附近完成，因此本文主要研究喷嘴出口附近气流场的特性。气流的喷射锥角和流动速度是反映此处流场特性的2个关键参数。气流喷射锥角为2×(90°-θ)，其决定液体从喷嘴喷射后的散布程度，即决定可用来支持液体燃料燃烧的空域。气流速度决定液体所受剪切力，气流速度越大，液体受到的剪切力越大，雾化效果越好，有、无辅助气流时气流场的这些特征参数会有所不同。

图3 喷嘴气流场速度云图

图4 喷嘴出口附近的气流速度场矢量图

2.2 2种结构喷嘴气流场对比分析

图5、6分别为不同供气压力下有、无辅助气流时喷嘴气流速度场分布。可以看出：1)有辅助气流作用时，3种供气压力下喷嘴气流场结构完整；2)在供气压力为4 bar时，无辅助气流作用时，流场“弧状”结构、“空化”结构及回流区内的速度等值线数目较有辅助气流时稀少且与弧状结构以外气流速度差值小；3)有辅助气流时，喷嘴出口处气流最高速度较无辅助气流时低，但气流场的高速区范围比无辅助气流时大(有辅助气流时气流场云图的深色区域比无辅助气流时气流场云图的面积大)；4)辅助气流在副腔室内的整体速度比主气流在主腔室内的整体速度要高，高速辅助气流的作用是高速区扩大的原因之一。在工程实际应用中，由于设备的限制和降低运行成本的考虑，不可能无限制地靠增大供气压力来提高气流速度，因此辅助气流的这种作用就显得十分必要。

图7为气流场中径向位置为0.005 5 m的水平直线上的速度分布。可知：1)该直线上在横坐标为-0.001～0范围内无辅助气流时的气流速度较大，横坐标为-0.01～-0.001范围内有辅助气流时的气流速度较大；2)有辅助气流时，喷嘴出口附近“弧状”结构内气流喷射速度可达220 m/s，高速区的扩大可以增强雾化效果。

图5 不同供气压力下有辅助气流时喷嘴气流速度场分布

图6 不同供气压力下无辅助气流时喷嘴气流速度场分布

图7 流场中径向位置为0.005 5 m的水平直线上的速度分布

表1为不同压力有、无辅助气流时喷嘴气流场的特征参数，其中：喷射锥空域用图5、6中水平白线所指纵坐标值(即喷射锥底面圆半径)表示。由表1可知：1)辅助气流使喷射锥角、喷射空域和气流最高速度都有所减小，结合图5、6可知其同时使气流场的高速区扩大；2)上述作用在供气压力较低和较高时更明显，供气压力为4、6 bar时两者最高速度之差、喷射锥角之差、喷射锥底面圆半径之差更大。这种作用可使喷嘴气流场在不丧失回流区的前提下，获得更高的喷口附近气流整体速度，从而保证了喷嘴的稳焰作用和其对燃油的高效雾化效果。

辅助气流对燃油的剪切作用促进了从主腔室喷出油膜的破裂，再结合出口附近更大的高速区域，煤油的雾化更加充分。一般情况下，回流区的尺寸越大，燃烧越稳定，但由于在喷涂过程中不仅要保证燃烧的稳定，还要兼顾燃烧的效率，因此，只有高效快速的燃烧才能保证迅速产生大量的高能、高压燃气，才能得到高速的燃气。尽管辅助气流会使回流区略有减小，但也会使煤油雾化更加充分，从而使高速燃气的产生得以实现。

表1 不同供气压力喷嘴模型气流场特征参数

注：表内数值“/”左侧为有辅助气流时，右侧为无辅助气流时。

3 喷嘴雾化试验

为了检验模拟结果，本文利用HiSpec5型高速摄像系统(如图8所示)，对设计的双气流雾化喷嘴在6 bar供气压力时的喷雾形态进行了拍摄，曝光频率为600 帧/s。喷雾某一瞬间照片如图9所示，可知：1)喷射锥角为72°，与模拟结果的76°相近；2)照片中被锥形亮区包围的浅色区域是由于该处煤油比较稀薄造成的，而此区域的煤油浓度低是由于喷嘴结构中的中心锥体作用形成了喷雾的低速回流区。油雾的这种“中空”的锥形分布特征与CFD模拟的结果一致，说明了模拟结果的有效性。

图8 试验所用高速摄像系统

图9 喷雾高速摄像照片

4 结论

1) 本文对有、无辅助气流时雾化喷嘴气流场进行了模拟，发现二者具有相似特征：从出口喷射而出的气流先向斜上方扩展，再收敛至对称轴处，因扩展和收敛造成的“弧形”结构中有一近似的“空化”结构，“空化”结构与“弧形”轮廓之间形成了低速回流区，低速回流区的存在具有稳定火焰的作用。

2) 在雾化过程中，辅助气流可以增强气流对煤油的剪切力，同时使气流喷射锥角、喷射锥空域和气流最高速度有所减小，但气流场的高速区范围显著扩大，可以保证喷雾结构的完整并增强雾化效果，使得雾化喷嘴可以在较大的供气压力范围内实现对煤油的高效雾化和对火焰的稳定。

3) 辅助气流的作用通过本文的研究可以定性的确定，只是为喷嘴结构优化提供了方向。下一步，可以就辅助气流与主气流的流量比在哪种范围内喷嘴的雾化效果较理想进行研究。

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(责任编辑: 尚菲菲)

Numerical Simulation of the Gas Flow Field for a Double-gas Flow Atomizing Nozzle

HU Yao-qiang1,2, CHEN Yong-xiong1, LIANG Xiu-bing1, XU Bin-shi2, LI Hai-jun3

(1. National Engineering Research Center for Mechanical Products Remanufacturing, Academy of Armored Force Engineering, Beijing 100072, China；2.National Defense Key Laboratory for Remanufacturing Technology, Academy of Armored Force Engineering, Beijing 100072, China; 3. Troop No.66222 of PLA,Beijing 102202, China)

To analyze the assistant gas flow’s role in the process of atomizing fuel oil by double gas flow atomizing nozzel, the air flow field of the double gas flow atomizing nozzle which has been developed for high speed gas spraying independently is computed to analyze the assistant gas flow’s influence to the air flow field through Computational Fluid Dynamics(CFD). It is found that assistant gas minifies the cone angle and spraying area of spraying airflow, enlarges the high-speed field to make sure the air flow field’s structure intact and enhance atomizing property of the nozzle. These make the double gas flow nozzle steady flame and get superior oil spray under a wide range of gas inlet pressure.

high speed gas spraying; Computational Fluid Dynamics(CFD); atomizing nozzle

1672-1497(2015)05-0102-05

2015-07-04

国家自然科学基金资助项目(51375492)

胡尧强(1990-)，男，硕士研究生。

TG174.4

A

10.3969/j.issn.1672-1497.2015.05.021