低韦伯数下燃油破碎性能模型参数影响研究

杨爱华，胡超，朱卓宇

（1.中国航发湖南动力机械研究所；2.直升机传动技术重点实验室，湖南 株洲 412002）

燃油破碎性能直接关系着空气与燃油的混合程度，进而影响燃烧室性能如效率、点火性能及尾气排放等。利用仿真方法，研究燃油破碎过程对了解燃烧室性能有着较大帮助。同时，不同的模型参数可能对燃油破碎性能有着较大影响，须对模型仿真参数影响性进行研究，以获取更加符合实际的燃油破碎性能。本文根据试验条件，利用FLUENT，建立了环境温度压力下的燃油破碎WAVE三维模型，并研究了低空气韦伯数（＜180）条件下，模型参数对燃油破碎性能影响。

1 燃油破碎性能参数

在横向空气流中，燃油破碎过程包括两个初始破碎和二次破碎两个过程，见图1。对于初始破碎过程，在低韦伯数和低燃油空气动量流量比条件下，油柱破碎机制主导着液滴的形成；对于二次破碎过程，空气动力作用在油柱表面，剪切力作用致使液滴从油柱表面撕裂。从初始破碎到二次破碎的过渡过程可能是由于压力或者速度增加造成的。

主燃油喷嘴液态燃油破碎的主要性能可用液滴平均直径（SMD）及渗透高度等参数来表示。

2 试验条件

Leong 和 Hautman（2002）利用相位多普勒干涉法，在环境条件下进行燃油破碎试验，并获取了在不同条件下的体积流量、液滴速度和SMD。其试验装置包括燃油供给系统和空气供给系统，燃油和空气在方形腔内汇合。该试验用油为Jet-A，喷孔直径为0.762mm，燃油喷射速度为11.65m/s，空气入口速度为69m/s。

3 模型参数敏感性

3.1 模型参数

模型常数B0和破碎时间常数B1是WAVE燃油破碎模型两个重要模型参数。新形成的液滴半径γ与父液滴快速增长的不稳定表面波的波长Λ成正比，见方程（1）。

此外父液滴半径a变化速率与破碎时间τ、波长增长速度Ω有关，由方程（2）（3）计算得来。

Reitz（1987）推荐B0值为0.61。Liu（1993）推荐B1值为1.73。

在统一仿真条件下，通过改变一个参数，进而获取该模型参数对燃油破碎的性能影响。模型参数选择为12和2倍的B0和B1推荐值。

3.2 仿真模型

根据Leong 和 Hautman (2002)燃油破碎试验，利用FLUENT，建立了燃油破碎三维仿真模型，见图1。该计算区域包括约7百万四面体网格，其中为更好地捕捉小液滴，破碎区域被局部加密，约1.8百万四面体网格。

对于边界条件设置，燃油入口设置为实心锥形式，空气入口为质量流量入口，出口为压力出口，同时仿真条件与试验条件保持一致。

图1 燃油破碎仿真模型示意图

3.3 研究结果与分析

（1）SMD。B0和B1对液滴直径和分布影响，见图2。明显地，B0对SMD影响较大，且B0越大，SMD越大，见图2（a）；B1对SMD影响相对较小，见图2（b）且当B0=0.30，B1=1.73时，仿真结果与试验结果吻合度较好。

图2 SMD随距离Y的变化情况

（2）渗透高度。B0和B1对液滴渗透高度影响见图3。明显可以看出B0对液滴渗透高度比B1影响要高，且B0越大，液滴渗透高度越高，见图3（a）；B1对液滴渗透高度影响相对较小，见图3（b）。

图3 渗透高度随距离Y的变化情况

4 结语

本文研究了WAVE燃油破碎模型在低空气韦伯数条件下（＜180），模型参数B0和B1对环境温度压力下的燃油破碎过程性能影响。通过选择合理的模型参数值，建立了WAVE破碎三维模型，研究分析了模型参数对燃油破碎性能的影响，包括SMD和渗透高度，可以得出如下结论：

（1）B0比B1对燃油破碎性能SMD和渗透高度影响更大；

（2）B0值越大，SMD和渗透高度越大；B1值越大，渗透高度越高；

（3）空气韦伯数小于180条件下，B0设置为0.30更加符合试验结果。