对撞式喷嘴在大气环境中喷雾实验与数值模拟

王　婕,余永刚,刘　焜,2

(1.南京理工大学 能源与动力工程学院,南京 210094;2.上海齐耀动力有限公司,上海 201213)



对撞式喷嘴在大气环境中喷雾实验与数值模拟

王婕1,余永刚1,刘焜1,2

(1.南京理工大学 能源与动力工程学院,南京 210094;2.上海齐耀动力有限公司,上海 201213)

摘要:为了研究对撞式喷嘴在大气环境中的喷雾特性,设计了对撞式喷嘴喷雾实验装置。采用相位多普勒粒子动态分析仪(PDA),测量了不同工况下含能液体模拟工质雾化场液滴的特征参数,获得了不同喷射压力下液滴索特尔平均直径D32的分布规律以及喷雾场液滴轴向速度vz沿轴向和径向的分布规律。在实验基础上,建立喷雾场二维非稳态简化模型,气相采用k-ε湍流模型,液滴破碎采用泰勒类比破碎模型。结果表明:喷雾场从起始到统计稳定的发展过程约需15 ms,液滴索特尔平均直径D32的分布规律、轴向速度的计算值与实验结果基本吻合。

关键词:液体火箭发动机;对撞式喷嘴;雾化特性;数值模拟

液体火箭发动机由于其性能和工作可靠性等方面的优势,在航天领域具有广泛的用途[1-3]。液体火箭发动机有一个关键部件喷嘴直接影响发动机的工作性能,而对撞式喷嘴通过两股射流的对撞雾化,具有响应快、能迅速混合和燃烧、易于制造的优点,是液体火箭发动机常用的燃料喷射器。

针对对撞式喷嘴的雾化特性,国内外学者展开了一系列的研究。张蒙正等[4-5]用激光全息及图像处理技术,研究两股对撞射流的撞击状况及雾化性能,获得了喷嘴的雾化性能参数。Anderson等人[6]对两股射流的撞击雾化特性进行了实验研究和数值模拟。在不同的流动状态和喷嘴结构下,实验测量了液滴粒径、液膜破裂的长度和宽度、液膜表面波的结构,并利用线性稳定性理论对液膜破碎进行建模,对破碎长度和液滴粒径进行了模拟计算。孙纪国等[7]用激光散射粒子仪和探针对一种40°撞击角的对撞式喷嘴做了实验研究。结果表明,在一定的喷嘴压降下,喷雾形状为椭圆形,喷嘴压降越大,离撞击点越远,雾化质量越好。Bremond等[8]针对射流冲击雾化,研究了从2个相同的圆柱形射流斜碰撞形成液膜及其破碎的过程特征,分析了液膜形状、边缘尺寸、流体速度场、液滴的形状和尺寸大小等参数。Choo等[9]针对射流速度分布对2个冲击射流形成液膜的速度和厚度做了研究,对于3种不同的射流速度,通过求解质量、动量和能量守恒方程对液膜的厚度和速度分布进行预测,并与实验结果进行对比。Syed等[10]实验研究了对撞喷嘴雾化凝胶推进剂,重点分析了喷嘴几何形状对雾化效果的影响。Baek等[11]研究了含有纳米粒子凝胶材料对撞喷嘴的雾化特性,重点研究了不同射流速度对工质雾化特性的影响。Avulapati等[12]实验研究了采用空气辅助的方法对于对撞射流雾化特性的影响。把气体射流引导到两股液体射流撞击点处以提升雾化效果,重点分析了液体粘度、表面张力、液体射流间的对撞角度、气体喷射射流直径对喷雾特性的影响。郑刚等[13]研究了撞击角度对于对撞式喷嘴雾化特性的影响,采用CLSVOF方法对对撞式喷嘴雾化过程进行数值模拟。结果表明,撞击角增加,液膜破碎长度减小,液膜破碎程度和表面波幅值增加。

本文针对某含能液体模拟工质,采用相位多普勒粒子动态分析仪(PDA),采集了对撞式喷嘴在大气环境的雾化特性参数,侧重分析压力变化对喷雾场雾滴轴向速度和平均粒径等参数的影响,并在实验的基础上建立简化的二维雾化场模型,对雾化过程进行了数值模拟。

1喷雾实验装置

为了研究对撞式喷嘴在大气环境中的喷雾特性,设计了喷雾实验装置,如图1所示,由压气机、储液箱、流量计、压力表、PDA、喷嘴等组成。实验开始先将模拟工质注入储液箱,调节压气机到指定实验压力,再对PDA试验系统进行手动调焦。待喷雾稳定后,用PDA系统进行测量,通过计算机输出数据。

实验采用的对撞式喷嘴结构如图2所示,两股射流间撞击角2θ=30°,喷孔直径d0=0.23 mm,中心距l0=3 mm。本次实验采用PDA实验系统,该系统可以同时测量球形颗粒尺寸和速度,对雾化场无接触、无干扰,粒径测量范围为0.5～200 μm,测量精度在1%以内;速度测量范围为-300～1 000 m/s,测量精度在0.1%以内。

图2　对撞式喷嘴示意图

坐标轴确定方法如图3所示,两喷嘴连线中点为坐标原点O,喷嘴出口方向为z轴,与z轴垂直的平面是Oxy平面,在该平面内与z轴相交且平行于喷嘴连线方向为x轴方向,垂直于喷嘴连线方向为y方向。r为测量点在Oxy平面投影到原点O的距离。

图3　坐标系示意图

2实验结果与分析

雾化工质采用含能液体推进剂模拟工质,粘度为1×10-3Pa·s,喷射压力分别取2.2 MPa和2.6 MPa。喷射压力为2.2 MPa与2.6 MPa下各截面液滴平均直径D32的变化如图4所示。索特尔平均直径体现了液滴表面积和体积的相对大小,其值大小反映了液滴与周围介质进行热质交换的强弱。当p=2.2 MPa时,液滴平均直径D32沿轴向先减小后逐步增加。当p=2.6 MPa时,液滴平均直径D32逐步增加,当轴向距离大于49.5 mm后,液滴平均直径D32增加速率减小。这表明,随着轴向距离的增加,液滴受到沿程阻力,速度减小,液滴发生聚合与二次碰撞的概率增加,使液滴的粒径增加。p为2.6 MPa情况下的D32均小于p为2.2 MPa情况下的D32,压力增加使液滴间相互碰撞作用力增大,液滴粒径减小,这表明增大喷射压力可以减小D32。

图4　雾化液滴平均直径D32沿轴向的变化规律

喷射压力分别为2.2 MPa和2.6 MPa,不同液滴索特尔平均直径D32的数目分布P如图5所示。可以看出,2种压力下大部分液滴直径集中在52～68 μm范围内,随着压力的增大,液滴索特尔平均直径D32在44 μm以下数目减少。在p=2.2 MPa时,液滴D32在68～100 μm之间的数目与在52～68 μm间的数目相当。p=2.6 MPa时,索特尔平均直径大于68 μm的数目是液滴索特尔平均直径在52～68 μm之间的60%。随着压力的增大,在44～68 μm间的液滴数目增加,2.6 MPa情况比2.2 MPa情况下液滴D32数目整体增加10.7%,这说明随着喷射压力的增加,射流动量也增大,大气环境中空气扰动加剧,液滴在下游发生二次碰撞的概率增加,液滴索特尔平均直径往减小的方向发展,雾化液滴尺寸分布均匀。

图6给出了喷射压力为2.6 MPa下雾化场液滴轴向速度沿轴向和径向的分布特性。液滴轴向速度u沿轴向先增加后减小,在79.7 mm和102 mm截面处,随着径向距离的增加,液滴轴向速度整体变化趋势相同,都是逐渐减小,这是由于液滴往下游发展,有2股射流碰撞产生能量损失以及沿程阻力的存在,导致液滴速度逐步衰减。在r<17.5 mm之处,79.7 mm横截面上的液滴轴向速度大于102 mm横截面处的液滴轴向速度;r>17.5 mm时,102 mm横截面处的液滴轴向速度大于79.7 mm横截面处液滴的轴向速度。

图5　大气中各测点的液滴平均直径D32数目分布

3简化模型及数值模拟

3.1物理模型

针对对撞式喷嘴的特点,对喷雾过程做出如下简化假设:

①将对撞射流喷雾场近似作为二维气液两相流场处理;

②喷雾过程中液滴为离散相,不考虑重力的作用;

③气相采用k-ε湍流模型;

④液滴破碎采用泰勒类比破碎模型,液滴曳力选球形,计算过程中不考虑液滴变形。

3.2数学模型

3.2.1气相控制方程

质量守恒方程为

(1)

动量守恒方程为

(2)

湍流模型采用k-ε模型,k方程为

(3)

ε方程为

(4)

式中:μt为湍流粘性系数,Gk是由平均速度梯度引起的湍动能k的生成项;Gb是由浮力产生的湍动能k的生成项;YM为在可压缩湍流中脉动扩张的贡献;C1ε,C2ε,C3ε为经验常数;σk和σε分别是与湍动能k和耗散率ε对应的Prandtl数。

3.2.2离散相控制方程

液滴的作用力平衡方程在笛卡尔坐标系下的形式(i方向)为

(5)

式中:Fd(v-vd)为液滴的单位质量曳力;v为气相速度;vd为液滴速度;Fi为i方向上的其他作用力。

3.3几何模型与网格划分

利用Gambit对对撞式喷嘴在大气环境中的喷射雾化进行二维建模,喷嘴尺寸如图2所示,大气环境中几何模型如图7所示,计算区域为200 mm×150 mm,总网格数约120 000个,在喷嘴附近处气液相互作用比较激烈,对这一区域网格做了加密处理。

图7　大气环境中几何模型

3.4数值模拟结果与分析

对喷射压力为2.6 MPa时的对撞式喷嘴在大气环境中的雾化特性进行数值模拟,雾化场液滴粒径分布随时间变化如图8所示。

图8　雾化场液滴粒径分布序列图

由图可见,两股射流在撞击点相撞后,继续沿轴向和径向发展,形成以撞击点为顶点的锥形雾化场,锥形外部有飞溅的细小液滴,当t>15 ms时雾化场参数达到统计稳态。

喷嘴喷射压力为2.6 MPa时对撞式喷嘴雾化场液滴沿轴向截面的液滴索特尔平均直径D32的模拟结果与实验结果如图9所示。由图可见,液滴D32数值模拟结果趋势与实验结果相同,平均误差为6.53%。

图10给出了喷嘴喷射压力为2.6 MPa时对撞式喷嘴雾化场液滴u沿轴向和在102 mm截面处沿径向的数值模拟结果与实验结果。液滴沿轴向的轴向速度的数值模拟结果比实验结果要小,平均偏小5.9%。在102 mm截面处,液滴轴向速度数值模拟结果发展趋势与实验结果基本一致,液滴轴向速度沿径向逐渐减小,是射流能量损失造成的。数值模拟与实验结果有偏差,一部分是因为喷雾过程是一个三维过程,把它简化为二维过程带来的偏差;另一部分是因液滴碰撞破碎与聚合模型以及初始条件设定产生的误差。

图9　液滴D32数值模拟结果与实验结果轴向分布比较

图10　液滴轴向速度数值模拟结果与实验结果沿轴向和径向分布对比

4结论

综合本文实验与数值模拟结果,得出如下结论:

①随着喷射压力的增加,液滴间相互碰撞作用力增大,液滴索特尔平均直径D32减小,喷射压力在2.6 MPa时,液滴索特尔平均直径D32沿轴向的增加速度小于喷射压力为2.2 MPa时液滴索特尔平均直径D32的增加速度。

②在一定的截面上,测量点离中心轴越远,液滴轴向速度越小,由于液滴往下游发展,有两股射流碰撞产生能量损失以及沿程阻力的存在,导致液滴速度逐步衰减。

③数值模拟结果与实验结果吻合较好,平均误差在5.9%～6.5%之间,说明本文采用的理论模型和数值模拟方法是可行的。

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Experiment and Simulation Studies on Impinging Nozzle in Atmospheric Environment

WANG Jie1,YU Yong-gang1,LIU Kun1,2

(1.School of Energy and Power Engineering,Nanjing University of Science and Technology,Nanjing 210094,China;2.Shanghai MicroPowers Co.Ltd,Shanghai 201213,China)

Abstract:To study the spray characteristics of impinging nozzle in atmospheric environment,the experiment device of impinging nozzle was designed.The distribution characteristics of the spray parameters in the spray field under different conditions were measured with PDA system.Sauter mean diameter(D32)and axial velocity(vz)along the axial and radial direction were gained under different injection pressures.Based on the experiment results,the two-dimensional unsteady simplified model was established.The gas phase was simulated by usingk-εturbulence model,and Taylor analogy breakup model was used in simulating droplets’breakup.The results show that the time of the spray field being statistically stable takes about 15 ms.The simulated results ofD32andvzagree well with the experimental data.

Key words:liquid-propellant rocket engine;impinging nozzle;spray characteristic;numerical simulation

收稿日期:2015-12-02

基金项目:教育部博士点基金项目(20113219110024)

作者简介:王婕(1992- ),女,硕士研究生,研究方向为含能材料的雾化。E-mail:13770831835@163.com。 通讯作者:余永刚(1963- ),男,教授,研究方向为含能材料的雾化与燃烧。E-mail:yonggangy@21cn.com。

中图分类号:V434

文献标识码:A

文章编号:1004-499X(2016)02-0047-06