敞口式離心噴嘴噴霧特性及應(yīng)用研究.pdf

1、離心噴嘴廣泛應(yīng)用于液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)、燃?xì)饬鞯孛嬖O(shè)備、高性能航空發(fā)動(dòng)機(jī)等燃燒型裝置以及其他非燃燒型工業(yè)設(shè)備，深入理解其霧化特性及機(jī)理對(duì)于實(shí)現(xiàn)工程應(yīng)用和技術(shù)突破具有重要意義。本文針對(duì)燃燒型裝置上廣泛應(yīng)用的敞口式離心噴嘴，研制背壓環(huán)境噴霧試驗(yàn)裝置，結(jié)合多種光學(xué)測(cè)量和數(shù)值計(jì)算，對(duì)其噴霧演化過(guò)程、噴霧形態(tài)、微觀和宏觀霧化特性參數(shù)、關(guān)鍵因子影響規(guī)律以及工程應(yīng)用開(kāi)展研究。完成的主要工作和取得的成果如下:
　?。ㄒ唬┭兄屏诉m應(yīng)寬噴嘴流量及多種光學(xué)測(cè)

2、量的背壓環(huán)境噴霧試驗(yàn)裝置。
　　成功研制最大背壓4.0MPa、最大氣體流量～600g/s、最大液體流量～500g/s的氣液噴嘴噴霧試驗(yàn)裝置。該裝置適合開(kāi)展PDPA（相位多普勒粒子分析儀）、PIV（粒子圖像測(cè)速儀）、高速陰影、高速紋影及高速背光等光學(xué)測(cè)量，并且支持試驗(yàn)件垂直移動(dòng)，以靈活選取噴霧視場(chǎng)。
　　（二）開(kāi)展了敞口式離心噴嘴流動(dòng)及噴霧演化過(guò)程試驗(yàn)和計(jì)算研究。
　　采用高速背光攝像并結(jié)合VOF（流體體積法）數(shù)值計(jì)算，

3、詳細(xì)研究了敞口式離心噴嘴內(nèi)部空心渦形成、液膜填充及近噴口液膜破碎的流動(dòng)及演化過(guò)程，結(jié)果發(fā)現(xiàn):(1)在噴嘴內(nèi)部填充過(guò)程中，液膜切向孔截面形態(tài)依次經(jīng)歷正方形、花瓣形和圓形;液膜離開(kāi)噴嘴不會(huì)立刻斷裂，而是逐漸變薄，伴隨擾動(dòng)波增長(zhǎng)，直至波幅超過(guò)1/2液膜厚度時(shí)發(fā)生斷裂，其后繼續(xù)經(jīng)歷變薄、失穩(wěn)、脫落、破碎以及聚合。(2)隨著噴注壓降增加，液膜破碎力和聚合力平衡點(diǎn)不斷向下游移動(dòng)，噴霧形態(tài)依次經(jīng)歷扭曲鉛筆形、洋蔥形、郁金香形和完全發(fā)展形;同時(shí)，背壓的

4、增加不僅改變噴霧形狀，并且背壓越高，噴霧形狀轉(zhuǎn)變?cè)皆?，?dāng)背壓升至0.6MPa，噴霧頭部出現(xiàn)明顯回流區(qū)，繼續(xù)升至背壓1.6MPa時(shí)，噴霧由錐形向鐘形轉(zhuǎn)變，至高背壓2.1MPa時(shí)完全呈鐘形。
　?。ㄈ╅_(kāi)展了敞口式離心噴嘴穩(wěn)態(tài)流動(dòng)及噴霧特性研究，并系統(tǒng)考察了工作參數(shù)（噴注壓降和背壓）和結(jié)構(gòu)參數(shù)（切向孔直徑和長(zhǎng)徑比）的影響。
　　首先，采用高速陰影測(cè)量并結(jié)合VOF數(shù)值計(jì)算，獲取了敝口式離心噴嘴穩(wěn)態(tài)流動(dòng)和霧化流場(chǎng)的物理圖像，結(jié)果發(fā)現(xiàn)

5、:(1)考慮切向孔真實(shí)形狀時(shí)，在切向孔和旋流室交界處，壓力速度分布不完全均勻，噴嘴中心區(qū)域流場(chǎng)不規(guī)則，軸向速度在兩個(gè)切向孔間存在峰值;(2)隨著噴注壓降從0.002MPa增至0.8MPa，噴霧場(chǎng)依次經(jīng)歷扭曲鉛筆形、洋蔥形、郁金香形和完全打開(kāi)形，同時(shí)破碎時(shí)間縮短，表面波波峰間距降低，振幅增加。(3)在同一噴注壓降下，隨背壓升高，噴霧域收縮，噴霧角和噴霧寬度變小，完整液膜區(qū)縮短，破碎長(zhǎng)度變小，噴霧域內(nèi)顆粒數(shù)顯著增加。
　　其次，結(jié)合高

6、速陰影圖像后處理、常規(guī)流量測(cè)量和PDPA測(cè)量，定量獲取了包括流量系數(shù)、噴霧角、破碎長(zhǎng)度、速度分布、液滴尺寸分布及濃度分布等微觀和宏觀特性參數(shù)，結(jié)果發(fā)現(xiàn):(1)在2.1MPa高背壓下，噴注壓降從0.1MPa升至0.2MPa時(shí)，流量系數(shù)顯著增加，而在0.1MPa低背壓下，噴注壓降增加，流量系數(shù)幾乎保持不變;當(dāng)噴注壓降增至臨界值(約0.4MPa)時(shí)，噴霧錐發(fā)展完全，流量系數(shù)隨背壓增加僅略微減小;(2)同一噴注壓降下，隨著背壓增加，噴霧角降低，

7、但在背壓較高時(shí)，降低幅度顯著減小;(3)隨著噴注壓降和幾何特性參數(shù)增加，出口液膜厚度和液膜破碎長(zhǎng)度降低;隨著長(zhǎng)徑比增加，流體動(dòng)量損失增大，破碎長(zhǎng)度增加;(4)切向孔或長(zhǎng)徑比增大，將削弱旋流強(qiáng)度，使得噴霧角降低，流量系數(shù)增加。
　　最后，全面考慮背壓、噴注壓降、長(zhǎng)徑比和幾何特性參數(shù)A等重要因子，擬合得到流量系數(shù)、噴霧角和破碎長(zhǎng)度的經(jīng)驗(yàn)公式，其使用范圍更寬、擬合誤差更小，可為工程設(shè)計(jì)提供依據(jù)。
　?。ㄋ模┙Y(jié)合工程應(yīng)用，還開(kāi)展了含

8、敞口式離心噴嘴的氣液同軸噴嘴噴霧演化及流場(chǎng)特性研究，并利用篩選的氣液同軸噴嘴，開(kāi)展燃燒加熱器設(shè)計(jì)和點(diǎn)火調(diào)試。
　　考慮到氣液同軸離心噴嘴在燃燒型設(shè)備上廣泛應(yīng)用，對(duì)其噴霧演化過(guò)程和霧化流場(chǎng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行拓展研究，結(jié)果發(fā)現(xiàn):(1)氣液同軸噴嘴縮進(jìn)段的外噴嘴壁面限制了離心噴嘴出口液膜發(fā)展，導(dǎo)致出口噴霧角比單獨(dú)離心噴嘴小，并且液膜形態(tài)呈圣誕樹(shù)形;環(huán)形氣體射流顯著提高了液滴速度，大幅降低了液滴粒徑，并使粒徑分布更均勻。(2)含敞口式離心噴嘴的氣液