航空煤油/乙醇混合燃油旋转锥形液膜表面波波长研究

张 涛，王 楠，李润东，李维仲

航空煤油/乙醇混合燃油旋转锥形液膜表面波波长研究

张 涛1, 2，王 楠1，李润东1，李维仲2

(1. 沈阳航空航天大学能源与环境学院，沈阳 110136；2. 大连理工大学海洋能源利用与节能教育部重点实验室，大连 116023)

目前关于航空煤油旋转锥形液膜雾化特性研究较多，在航空煤油/乙醇混合燃油雾化特性方面研究较少．为此，本文主要研究了乙醇体积分数对于离心喷嘴出口处航空煤油/乙醇混合燃油液膜厚度和破碎处表面波波长的影响．基于数值模拟和经验公式相结合的新方法得到航空煤油/乙醇混合燃油在喷嘴出口处的液膜厚度，当压差为0.1～1.0MPa，混合燃油中乙醇体积分数为0～30%时，液膜厚度随着乙醇体积分数和压差的增大而减小．然后，以喷嘴出口处的液膜厚度为特征长度，对液膜破碎处的表面波波长实验值进行无量纲化，并与根据圆孔射流模型计算得到的长波和短波波长的理论值进行比较，平均分别相差4.7%和7.8%，结果表明圆孔射流模型可预测航空煤油/乙醇混合燃油的表面波波长．

航空煤油/乙醇；旋转锥形液膜；出口处液膜；表面波

离心式喷嘴作为燃气轮机广泛使用的雾化元件，具有结构简单、雾化质量优、燃烧范围广、机械牢固等优点．离心式喷嘴雾化主要是依靠外部动力提供燃油压力，燃油在喷嘴旋流室内部进行旋转，在喷嘴外燃油在离心力的作用下形成空心锥状旋转液膜，其雾化特性决定了离心式喷嘴的雾化质量．本文主要以航空发动机为背景，对离心式喷嘴产生的旋转锥形液膜的雾化特性进行研究．

航空煤油作为航空发动机中最主要的燃料之一，目前逐步发展可再生燃油替代或部分替代航空煤油，以增强航空煤油的雾化特性．乙醇作为化石燃料的主要部分替代燃料，在世界范围内得到广泛应用．目前对航空煤油/乙醇混合燃油的探讨主要集中在燃烧特性和污染物排放方面．Patra等[1]和Attaphong等[2]研究发现航空煤油中混入乙醇，可降低燃烧室壁温，减弱了火焰亮度，减少了CO、CO2、NO的排放量. Song等[3]在研究直射式喷嘴的雾化特性时，发现80%航空煤油/20%乙醇混合燃油的雾化锥体剖面积与航空煤油相等，该比例的混合燃油雾化效果最佳.另外，在3MPa环境压力工况下，发现雾化液滴索特平均直径(Sauter mean diameter，SMD)随乙醇体积分数增加而减小．孙鹏浩[4]以航空煤油/乙醇混合燃油为工质，研究了直射式喷嘴的雾化液滴粒径，实验发现航空煤油雾化液滴SMD最小．Garai等[5]采用离心喷嘴仅对比研究了90%航空煤油/10%乙醇混合燃油与航空煤油的雾化形态，发现航空煤油混入乙醇可减小射流的破碎长度，但尚未研究旋转锥形液膜局部雾化特性，本研究在航空煤油中混入0、10%、20%和30%的乙醇燃油，分别以缩写形式K100E0、K90E10、K80E20和K70E30表示，研究乙醇的体积分数对喷嘴出口液膜厚度和液膜破碎处表面波波长的影响.

1 数值模拟方法

1.1 几何模型和假设条件

离心喷嘴的3D模型如图1所示，坐标原点为喷嘴出口面上的中点，平面平行于出口平面，喷嘴中轴线为轴，从喷嘴出口沿着旋流室的方向设置为的正方向．喷嘴尺寸如表1所示．喷嘴内部的流场属于气液两相流动，流动相对复杂．在数值模拟过程中，假设喷嘴内外流场满足如下条件：①流场气液之间存在明显分界面；②喷嘴内流动属于不可压流动；③喷嘴内部流场属于湍流状态；④忽略对流和热传导效应．

图1 离心式喷嘴剖面图及3D模型

表1 喷嘴主要结构参数

Tab.1 Main structural parameters of nozzle

1.2 控制方程

1.3 边界条件

采用Fluent软件模拟离心喷嘴内部流场特性．求解器选择压力基、显式和定常流．空气定义为第一相，航空煤油或航空煤油/乙醇混合燃油定义为第二相，混合燃油物性参数如表2所示．燃油混合搅拌均匀后，测量燃油物性参数，分别由密度计(型号DH-300)、黏度计(型号NDJ-5s)和表面张力仪(型号JYW-200A)测量而得，混合效果图如图2所示，随着乙醇体积分数增大，混合燃油逐步变浑浊，实验时应搅拌均匀．进出口边界条件选取压力入口和压力出口；出口速度较大，出口湍流强度取10%，水力直径为孔径值．出口回流比设置为1，表明回流全为空气；壁面设置为滑移壁面[16]．压力和速度耦合方式采用SIMPLE，压力差值采用PRESTO，其余差值使用二阶迎风格式离散．松弛因子设置为0.25，可加快收敛速度[17]．初始化时，喷嘴内液体初始百分含量为0，使用补丁功能对喷嘴内部的介质设置为空气．

表2 航空煤油和乙醇及其混合燃油的物性参数

Tab.2 Physical properties of kerosene，ethanol，and their blends

1.4 网格无关性验证

离心喷嘴的内部网格数分别约为360047，773811和1326048，网格如图3(a)所示．在进口压力为0.2MPa工况下，以航空煤油为工质，模拟得到喷嘴内部流动特性．图3(b)给出了3种不同网格数下在喷嘴出口上游＝0.5mm面上沿方向上的压力分布．网格数约为773811和1326048时，相差较小．故数值模拟时，喷嘴内部的网格数约为773811即可．

图3 离心喷嘴3D模型和网格无关性验证

1.5 数值模拟准确性验证

根据喷嘴出口下游5mm×5mm区域内雾化角实验值与模拟值对比，可验证数值模拟的准确性.在压差为0.1MPa下，喷嘴出厂前测试得到的雾化角为60°．在相同压差下，模拟得到的雾化角为58.2°，模拟值和实验值相差3.0%，表明数值模拟方法可用于离心喷嘴雾化特性研究．

2 航空煤油/乙醇混合燃油出口处的液膜厚度

图4 喷嘴出口处液膜厚度示意

图5 三种液相体积分数下航空煤油液膜厚度模拟值与经验值对比

图6给出了3种混合燃油液膜厚度与压差之间的关系．图5和图6表明液膜厚度随压差的增大而减小，压差从0.1MPa增加到0.4MPa时，4种燃油的液膜厚度分别减小了10.0%、8.3%、8.2%和8.0%；当压差从0.4MPa增加到1.0MPa时，液膜厚度分别减小了1.6%、1.5%、1.6%和1.3%．当压差增大时，燃油在喷嘴内部切向速度变大，增大了液体旋流强度，使得喷嘴出口处内外压差变大，更多空气从喷嘴出口压入喷嘴内部，导致空气芯直径增大，故燃油液膜厚度减小．但压差从0.4MPa增大到1.0MPa时，燃油液膜厚度减幅较小．由于空气芯会受到向下运动液体气液剪切力作用，该作用力会阻止气核向上运动，压力增大引起燃油轴向速度增大，导致气液剪切力增大，空气芯直径增加量减小，故压差增大，液膜厚度减幅不明显．此外，图6可看出液膜厚度随乙醇体积分数增加而减小．以航空煤油液膜厚度为基准，K90E10、K80E20和K70E30液膜厚度分别减小了0.9%、0.13%和0.8%，乙醇体积分数增大，燃油黏性降低，在相同压差下，黏性低的液体旋流强度较大，会导致液膜厚度减小．

图6 三种混合燃油液膜厚度值与压差之间关系

3 乙醇体积分数对混合燃油表面波的影响

3.1 液膜破碎处的表面波

表面波是指液体射流表面传播的波．在燃油雾化实验中，根据雾化形态外围顺气流方向上波峰和波峰之间的距离可得到波长值，长波波长和短波波长测量如图7所示．由于长波波长值较大，在测试时使用PIV(Particle Image Velocimetry)设备拍摄；短波波长值较小，其值获取可使用PDIA(Particle/Droplet Image Analysis)拍摄获取．表面波波长测量结果如图8所示．图8表明表面波波长随压差增大而减小．压差较小时，液体动能小，破碎力难以克服液体的表面张力，波长有一定的增长空间，在较小压差下，表面波波长较长[18]．随压差逐步增大，气体动能逐步增大，当超越表面张力能时，波长生长空间逐步缩减，导致对应最大增长率的波长变短．另外，压差增大可增大气/液间相对速度，使得波长变短，加速液膜撕碎成液滴．压差从0.1MPa增加到0.4MPa时，4种燃油的表面波波长减幅较大，K100E0、K90E10、K80E20和K70E30依次减小了2.58mm、2.46mm、2.33mm和2.22mm；压差从0.4MPa增加到1.0MPa时，波长减幅较小，4种燃油波长依次减小了0.55mm、0.54mm、0.46mm和0.44mm．因为压差从0.4MPa增加到1.0MPa时，轴向速度增大，液体和空气之间相互作用力增强，液体表面波较易破碎．图8还表明燃油表面波随乙醇体积分数增大而变小．如当压差为0.1MPa，上述４种燃油的表面波波长依次为：3.51mm、3.37mm、3.20mm和2.97mm．乙醇体积分数增大，燃油黏性降低导致燃油在雾化过程中所保持的最小表面积变小，从而缩小了表面波成长空间，这与压差增大导致表面波波长减小原因相同．另外，混合燃油的表面张力随乙醇体积分数增大轻微减小，会导致气动能较易超越表面张力能，从而引起液膜破碎.

图7 长波和短波波长的测量示意

图8 燃油表面波波长随压差变化

3.2 液膜破碎处表面波理论值与实验值对比

图9 长波和短波波长理论值与实验值之间对比

4 结 论

本文采取数值模拟和经验公式相结合的方法，主要分析了乙醇体积分数对喷嘴出口处混合燃油液膜厚度和液膜破碎处的表面波波长雾化特性的影响．模拟结果发现当航空煤油体积分数＝40%时，得到的液膜厚度与经验值差距最小，认为＝40%为该离心喷嘴内部流场中气液界面的分割点．以此液相体积分数为分割点，经计算发现液膜厚度随压差和乙醇体积分数增大而减小，当压差从0.1MPa增加到0.4MPa时，液膜厚度变化较大，当压差从0.4MPa增加到1.0MPa时，液膜厚度变化较小．根据圆孔射流模型，理论计算得到了航空煤油以及航空煤油/乙醇混合燃油旋转锥形液膜破碎处的表面波波长，发现在长波模式下，4种混合燃油K100E0、K90E10、K80E20和K70E30实验值与理论值平均相差均4.7%；在短波模式下，4种燃油波长实验值和理论值平均相差均7.8%．结果表明圆孔射流模型可以预测航空煤油/乙醇液膜破碎处的波长．

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Study on Surface Wavelength of Swirling Conical Liquid Sheets for Kerosene/ethanol Blended Fuel

Zhang Tao1, 2，Wang Nan1，Li Rundong1，Li Weizhong2

(1. School of Energy and Environment，Shenyang Aerospace University，Shenyang 110136，China；2. Key Laboratory of Ocean Energy Utilization and Energy Conservation of Ministry of Education，Dalian University of Technology，Dalian 116023，China)

At present, there are a lot of studies on the atomization characteristics of swirling conical sheets of kerosene. However, the atomization characteristics of kerosene/ethanol blended fuel are seldom studied. Under this background, the effects of ethanol volume fraction on the liquid film thickness of kerosene/ethanol blended fuel at the nozzle tip and the surface wavelength after primary breakup were studied in this paper. Based on a novel method which combines numerical simulations and empirical formulas, the liquid film thickness of kerosene/ethanol blended fuel at the nozzle tip was obtained. When the pressure drop was between 0.1 and 1.0 MPa and the ethanol volume fraction was in the range of 0—30%, the liquid film thickness decreased with the growing ethanol volume fraction and pressure drop. Then, the liquid film thickness at the nozzle tip was taken as a characteristic length, and the experimental values of surface wavelength after primary breakup were processed using the dimensionless method, which were further compared with the theoretical values obtained by a circular hole jet model under the conditions of long and short wave regimes. The average differences between the experimental and theoretical values were 4.7% and 7.8%, respectively, showing that the circular hole jet model can predict the surface wavelength of kerosene/ethanol blended fuel.

kerosene/ethanol；swirling conical liquid sheet；liquid film of nozzle tip；surface wave

TK11

A

1006-8740(2022)02-0163-07

10.11715/rskxjs.R202202016

2021-04-28．

海洋能源利用与节能教育部重点实验室(大连理工大学)开放基金资助项目(LOEC-202006)；辽宁省教育厅基础研究资助项目(JYT2020041).

张 涛（1987—  ），男，博士，讲师．

张 涛，zhangtao@sau.edu.cn．

(责任编辑：武立有)