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文檔簡介

超聲速氣流中橫向射流霧化過程的實驗研究

近年來,隨著以液體為燃料的超燃料壓力汽油的研究的快速發(fā)展,研究者們對超聲速氣流中水平燃料的燃料醚過程逐漸引起人們的關(guān)注。當(dāng)燃料從噴霧器中流出來時,在高速氣流的作用下,燃料只能在燃燒期間停留秒。因此,我們需要完成多次過程,如霧、混合、燃燒等。對于汽車來說,良好的燃燒過程是汽車高效工作的先決條件,霧和混合程度是決定燃燒過程的重要因素。因此,20世紀(jì)60年代,許多外國研究機(jī)構(gòu)開始實驗并研究高速氣流中水平折射過程。在馬赫數(shù)2.8環(huán)境下,18年用相同的燃料代替燃料進(jìn)行了實驗,并研究了雙孔射流和逆射。結(jié)果表明,逆射和雙孔射流的滲透深度和垂直透射幾乎相同。這兩種方法對增加穿透深度沒有影響。1973年,在sthetz的指導(dǎo)下,研究了不同類型的液體激發(fā),并通過ps排列法(ph測量值)測量了液體萃取的變化。對于具有不同粘性和表面張力的液體,這是因為之前的研究方法沒有改進(jìn),因此沒有解決。20世紀(jì)80年代,在中國,當(dāng)用馬爾遜測量儀器測量超聲速氣中的顆粒時,萃取深度和液霧分布對液柱的影響,液體萃取的變化和破碎的關(guān)系,以及不同粘性和表面張力液體的影響時,使用散射光法研究了影響液滴平均直徑的因素。為了研究先進(jìn)的測量儀器,之前的研究人員沒有解決這一問題。20世紀(jì)80年代,金如山用馬爾遜測量儀測量了超聲速氣中的顆粒大小分布。2000年,徐圣等人研究了瞬態(tài)銀行聲速的污染,并根據(jù)psv測量了液體中的顆粒大小。與國外相比,我國測量的儀器還不夠先進(jìn),研究范圍狹窄。在這項工作中,我們使用了云法對透射深度進(jìn)行了研究,并比較了其他方法獲得的實驗結(jié)果。隨著電子計算機(jī)和計算流體力學(xué)的飛速發(fā)展,相關(guān)的數(shù)值模擬特別是霧化過程的數(shù)值模擬也開始發(fā)展起來.一直以來,由于霧化過程的復(fù)雜性,使得霧化模型的建立只能基于經(jīng)驗公式或半經(jīng)驗公式,且各自有其使用范圍的限制,并不是都能應(yīng)用于超聲速氣流的霧化過程中.目前應(yīng)用較多的霧化模型主要有以下幾種:準(zhǔn)則數(shù)臨界值選定法,TAB(Taloranalogybreakup)模型,K-H模型(Reitz波模型)以及最近發(fā)展起來的K-H和R-T混合模型等.基于實驗觀察以及理論分析,K-H和R-T混合模型更加接近于超聲速氣流中橫向射流的霧化機(jī)理.本文將這種混合霧化模型應(yīng)用到超聲速氣流中射流霧化過程的數(shù)值模擬中,并與實驗結(jié)果進(jìn)行了對比.1實驗段和實驗段本實驗在北京航空航天大學(xué)宇航學(xué)院的超燃沖壓發(fā)動機(jī)直連式實驗臺上完成.實驗臺主要由加熱器、拉伐爾噴管、隔離段以及實驗段四部分構(gòu)成,實驗系統(tǒng)如圖1所示.加熱器的作用主要是產(chǎn)生高溫的氣流,拉伐爾噴管的作用是使氣流加速到超聲速,噴管設(shè)計出口馬赫數(shù)為2,模擬高空超聲速來流經(jīng)過進(jìn)氣道壓縮后進(jìn)入燃燒室前的馬赫數(shù).實驗段下底面水平,上頂面與水平面成5度的夾角.實驗段兩側(cè)和上頂面分別設(shè)有觀察窗,可以根據(jù)需要更換擋板和透光玻璃.實驗段的橫截面呈矩形,入口處的尺寸為寬32mm,高54mm,實驗段全長442mm。實驗段底部安裝一個可更換的擋塊,便于更換不同形式的凹腔結(jié)構(gòu).本實驗中只研究底面水平無凹腔的情況.噴注器的設(shè)計如圖2所示,外部加工了螺紋可直接擰入下底板,可根據(jù)實驗方案設(shè)計方便的更換.測量方法采用彩色紋影法,用Canon20D數(shù)碼單反相機(jī)記錄實驗結(jié)果.實驗時,首先在加熱器中點燃?xì)錃夂脱鯕膺M(jìn)行燃燒,加熱進(jìn)入加熱器的高壓空氣.高溫高壓的空氣被拉法爾噴管加速,通過隔離段進(jìn)入實驗段.這時用蒸餾水代替燃料噴入實驗段,進(jìn)行霧化現(xiàn)象的研究.同時啟動紋影拍攝系統(tǒng)進(jìn)行拍照記錄.實驗結(jié)束后用氮氣對整個實驗臺內(nèi)部進(jìn)行吹除.實驗工況如表1所示.氣流總溫610K,總壓1.36MPa,氣流經(jīng)過拉法爾噴管后馬赫數(shù)為2.氣流保持較低的總溫的主要目的是避免燃料在較高溫度下發(fā)生蒸發(fā)現(xiàn)象,以影響霧化過程的研究.在相同氣流條件下,更換不同直徑的噴注器,改變不同的燃料噴射壓力,進(jìn)行實驗觀察.實驗?zāi)康闹饕幸韵聨c:(1)采用紋影法進(jìn)行霧化流場初步分析.(2)比較不同動壓比條件下液霧的穿透深度.(3)研究射流和超聲速氣流的相互影響.(4)為數(shù)值模擬提供驗證數(shù)據(jù).2液霧穿透深度的測量穿透深度的概念最早出現(xiàn)在氣動實驗研究中,多是針對一股橫向氣體射流噴入氣體主流的情況.這里的定義是燃燒室底面距離液霧垂直于底面最外圍的距離.射流穿透深度反映了燃料和主流混合的程度,穿透深度越大,表示燃料射流穿透入主流越深,混合效果越好.采用彩色紋影法對液霧的穿透深度進(jìn)行了拍照測量.由于紋影法是定性的觀察工具,所以不能直接得到穿透深度數(shù)據(jù),需要對圖片進(jìn)行處理.首先利用軟件Photoshop對原始的紋影照片取等高線,由于整個圖片中氣液交界面處的分界很明顯,所以很容易得到相對應(yīng)的等高線圖,如圖3(b).接著在軟件Origin中對圖3(b)的交界面進(jìn)行數(shù)據(jù)提取,就可以得到相對應(yīng)的穿透深度曲線的數(shù)據(jù)點.總體來看,隨著噴注器前后的壓力差逐漸增大,動壓比增加,液霧的穿透深度明顯升高,與氣流的摻混程度逐漸增強(qiáng).在壓力差較小的情況下,液霧的下邊緣基本貼在下壁面上,有一部分液滴與下壁面發(fā)生碰撞,不利于霧化和燃燒.壓力差升高后,這種現(xiàn)象基本上不存在,液霧的下邊緣距離下壁面還有一段距離,與氣流能夠充分的作用,有利于霧化和摻混.而且在相同壓力差條件下,隨著噴注器的直徑不斷增大,液霧的穿透深度也不斷提高.根據(jù)穿透深度曲線點,采用最小二乘法得到擬合公式(1).h/d=3.14×q0.29×(x/d)0.38(1)h/d=3.14×q0.29×(x/d)0.38(1)式中h表示穿透深度,d表示噴注器直徑,q表示動壓比,x表示橫向坐標(biāo).公式(1)表示了穿透深度h與動壓比q以及隨流動方向(x方向)的變化趨勢.相同噴注器直徑的條件下,動壓比越大,穿透深度越高.當(dāng)動壓比相同時,噴注器直徑越大,穿透深度越高.圖4上的點的橫坐標(biāo)是由已知動壓比q和橫坐標(biāo)x/d通過擬合公式(1)計算得出的穿透深度h/d的值,而縱坐標(biāo)是相應(yīng)工況下由紋影法測量得到的穿透深度h/d的實驗值.因此,如果擬合公式與實驗數(shù)據(jù)符合得好,那么所有的點都應(yīng)位于45°對角線的附近.此圖即顯示了公式的擬合程度.經(jīng)分析計算,公式(1)的最大擬合誤差為43%.誤差較大的點主要集中噴注器直徑為0.5mm的工況,位于45°對角線左上部,點的分布比較稀疏,擬合公式主要照顧了大部分點密集的區(qū)域.由本實驗紋影法得到的擬合公式(1)與文獻(xiàn)中陰影法以及PDPA(PhaseDopplerparticleanalyzer)測到的穿透深度擬合公式對比如圖5.文獻(xiàn)中陰影法與PDPA的穿透公式分別為h/d=3.94×q0.47×(x/d)0.21h/d=3.94×q0.47×(x/d)0.21和h/d=4.73×q0.3×(x/d)0.3.h/d=4.73×q0.3×(x/d)0.3.從圖中可以看到,紋影法測量得到的結(jié)果遠(yuǎn)高于陰影法的結(jié)果,更接近于PDPA的結(jié)果.這是由于紋影法得到的是密度的梯度,而陰影法得到的是密度的二階導(dǎo)數(shù),所以對于密度變化的敏感程度,紋影法的測量結(jié)果要優(yōu)于陰影法.而PDPA是通過激光掃描整個流場得到液滴顆粒的分布,所以相對于以上兩種測量方法來說更加精確.對于濃密液霧外圍存在的一小部分密度不大,但所占比例不小的液滴來說,用陰影法可能不好觀察,而紋影法和PDPA可以測得到.但PDPA的測量設(shè)備復(fù)雜,技術(shù)難度大,而紋影法相對來說簡便易行.3液霧條件下的流場特征采用歐拉-拉格朗日方法研究氣液兩相流動問題,氣相控制方程為歐拉坐標(biāo)系中的三維N-S方程,液相采用拉格朗日軌道模型.采用“Blob”模型,對噴注器出口處的液柱用直徑等于噴注器直徑的大液滴來等效,這樣做的好處是不用人為的再給出液霧的初始尺寸分布,因為這個分布往往是不知道的.液塊的破碎應(yīng)用K-H和R-T混合模型來計算,其中K-H模型模擬射流受到氣流剪切作用而剝離液滴產(chǎn)生的破碎,R-T模型模擬由于氣動力的加速而使射流產(chǎn)生的破碎.求解過程中液相對氣相的影響通過在氣相N-S方程中添加源項來實現(xiàn).計算區(qū)域為實驗段(圖6),總長為442mm,為節(jié)省計算資源,只計算實驗段前300mm.網(wǎng)格為165×80×96,第一層網(wǎng)格距離壁面0.01mm.如圖7所示的是噴孔直徑0.5mm,設(shè)計壓力差9MPa的液霧結(jié)構(gòu)圖和相應(yīng)的氣相場壓力云圖,液霧從下底面噴出后,在氣流的作用下折向氣流方向,并隨著氣流向下游流動.由于液霧的阻礙作用,在液霧的前端產(chǎn)生了一道激波.(b)圖是與(a)圖相同工況下的實驗紋影照片,由于液霧的存在,產(chǎn)生的激波很明顯.兩圖相比較可以看出,計算得到的液霧的外形輪廓與實驗結(jié)果相似,氣相流場也基本吻合.圖8為穿透深度的數(shù)值計算結(jié)果和經(jīng)驗公式對比圖,圖中實心點為由實驗得到的擬合公式的經(jīng)驗值,空心的點是計算得到的結(jié)果.總的趨勢是,在離噴口較近的區(qū)域內(nèi),穿透深度略高于實驗值,在液霧的后半部分穿透深度與實驗值符合的較好.主要原因是采用直徑等于噴口直徑的大液滴模擬液柱時,由于大液滴被氣流剝離,生成小液滴.在剝離過程中,小液滴剝離的速度較慢,導(dǎo)致大液滴質(zhì)量較大,運動慣性較大,穿透深度偏高.在液滴不斷被加速的過程中,氣相流場由于傳遞給液相一部分動能,所以氣流速度有所下降.對于氣相流場,圖9表示的是y向中心截面處由于液霧的存在造成的u速度虧損,速度在接近壁面處形成一個凹坑,由750m/s最低減到400m/s左右.而且沿著x方向的增加,凹坑有微弱的上偏現(xiàn)象,這主要是由于液霧軌跡沿著x方向稍有上移造成的.隨著液霧的不斷運動,液霧不斷被加速,此時對氣相速度的影響逐漸減弱.由圖10看出,馬赫數(shù)在經(jīng)過噴注器(x=0.137m)后急劇下降,之后隨著x的增加,馬赫數(shù)在接近出口處又呈現(xiàn)上升趨勢.與純氣相的馬赫數(shù)曲線相比,由于液霧的存在使當(dāng)?shù)貧庀嗨俣却蠓档?圖11顯示了流場內(nèi)部的y向和z向的壓力場分布切片圖.從圖11(a)y=0.016m的切面來看,噴注器附近由于超聲速氣流遇到射流液柱的阻礙產(chǎn)生了一道弓形激波.由圖11(b)可以看到流場具有明顯的三維特征,噴注器前端由一個激波面所包圍,三維波面不斷地在實驗段內(nèi)由于壁面的作用反射和相交,形成一個復(fù)雜的氣相流場.這對整個燃燒室的性能將造成一定的影響.液滴在經(jīng)過激波時是否受到影響,這也對今后的霧化的研究提出了新的要求,在研究過程中這種復(fù)雜的波系對霧化產(chǎn)生的影響不得不考慮.4紋影法與pdpa法對比通過實驗研究和數(shù)值模擬,得到以下結(jié)論:(1)采用紋影法對超聲速氣流中的橫向燃料噴射霧化過程進(jìn)行了研究,得到了液相的穿透深度擬合公式,同以前研究者采用不同診斷方法得到的擬合公式進(jìn)行了比

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