旋流段结构对压力旋流式喷嘴雾化特性的影响
作者单位：北京工业大学机械工程与应用电子技术学院
会议名称：《北京力学会第二十四届学术年会》
会议日期：2018年
学科分类：080704[工学-流体机械及工程] 080103[工学-流体力学] 08[工学] 0807[工学-动力工程及工程热物理] 0801[工学-力学（可授工学、理学学位）]
关 键 词：压力旋流式喷嘴 旋流槽 索特尔平均直径 雾滴轴向速度 喷雾锥角
摘 要：压力旋流式喷嘴结构简单、雾化性能好、成本低,广泛应用于火箭发动机、航空发动机、燃气轮机等动力设备[1]。压力旋流式喷嘴的索特尔平均直径(SMD)、雾滴速度和喷雾锥角分别反映了雾滴的生成质量、雾滴的运动趋势以及雾滴在燃烧室中的分布范围,是压力旋流式喷嘴研究中的重要参数。测量和控制这些参数有利于提高燃烧效率、降低点火能量、减少碳化合物的排放,对提升喷雾雾化特性具有重要意义[2-5]。离心式喷嘴的旋流室和旋流式喷嘴旋流槽是喷嘴主要的旋流发生结构,其几何特征直接影响喷嘴的喷雾特性。董星涛等人[6]数值模拟研究了低压旋流喷嘴的喷雾特性,认为旋流室入口数量对喷雾介质出口速度的影响仅次于旋流室和出口直径。刘娟等人[7,8]发现切向口个数越多,雾化锥角越大,液膜越薄。Kim等人[9]研究了压力雾化喷嘴结构参数对内部气核及液膜厚度的影响,认为适当的旋流室长径比或足够的切向入口质量流量有利于形成稳定气核。Xiao等人[10]实验发现,增大喷嘴切向入液口截面积会增大液膜厚度及喷雾SMD。韩亚威[11]等人认为旋流槽的几何特征直接影响喷嘴的雾化效果。王国辉等人[12]通过研究发现压力旋流式喷嘴旋流槽的升角和数量对喷雾特性影响较大,其中3旋流槽喷嘴的雾化效果最好。王瑾和闫云飞[13,14]等人通过数值模拟研究发现,旋流槽数为4时,喷嘴工作效果最佳。欧长劲[14]等人数值模拟了低压旋流喷嘴的流场特性,发现旋流槽入口截面积对喷嘴速度及雾化锥角影响较大。当前国内外对离心式喷嘴切向口结构的研究较为全面,但关于旋流式喷嘴旋流槽结构的研究多采用数值模拟的方式,测量试验相对不足,对旋流槽数量及流通面积影响效果的研究还不够全面。压力旋流喷嘴旋流槽使注入喷嘴的喷雾介质产生周向速度,是喷嘴最主要的旋流发生结构。为全面评估喷嘴旋流槽数量及流通面积对喷雾雾化特性的影响规律,本文加工了旋流槽深900μm、宽600μm的3槽、5槽喷嘴和旋流槽深650μm、宽500μm的5槽喷嘴,通过实验对比研究不同旋流槽数及不同旋流槽流通面积喷嘴的喷雾流量、雾场SMD、雾滴轴向速度以及喷雾锥角,并对比分析SMD、雾滴轴向速度的轴向和径向分布特性,进一步研究喷嘴旋流槽对SMD、雾滴轴向速度以及喷雾锥角等喷雾特性的影响规律。结果表明:增加旋流槽数量使喷雾介质更均匀地注入收缩段,减小了水头损失,优化了旋流腔内的流场特性;但也导致液膜厚度的增加和摩擦损耗的增大。在保持旋流段总体流通面积不变的前提下5槽喷嘴较3槽喷嘴流量特性提升20%至21.5%,喷雾锥角减小4.21°至6.57°,喷雾远场的平均SMD为65μm左右;在保持单槽流通面积不变的前提下流量特性提升53.3%至60.7%,喷雾锥角减小9.74°至10.61°,喷雾平均SMD增大18.2%至51.5°。