摘要
为了摸清亚超大梯度剪切混合层内直射式喷嘴的燃油雾化特性,设计了用于向亚超剪切混合流中进行燃油喷射的直射式喷嘴,建立了亚超剪切混合层中燃油雾化试验系统。利用粒子图像测速系统(PIV),对亚超大梯度混合层中油雾场进行测量。通过改变喷嘴流量、喷射角度和喷嘴数量研究不同参数对雾化特性的影响,并应用图像处理技术对亚超大梯度剪切混合层内的油雾场进行分析,总结归纳其雾化规律。试验结果显示:随着流量增大,穿透深度会随之增大,破碎后的颗粒分布峰值所对应的液滴直径会逐渐变小,雾化效果提升;相同流量条件下,喷嘴的角度改变对雾化效果有影响,顺喷和逆喷的雾化效果均好于垂直喷射;逆喷的喷射高度最高,随着流量的增长,燃料将会碰壁;顺喷条件下,随着角度的增加,穿透长度会有所增加;综合燃油轨迹边界,逆喷的效果相对较好。相同流量条件下,喷孔个数的改变对雾化效果和穿透深度的影响不大。
内嵌火箭式冲压发动机集合了冲压发动机高比冲、高推重比和传统火箭式发动机工作高度不受限的优点,因为火箭气流和冲压气流间的速度差达到10倍以上,温度差3~4
针对直射式喷嘴油雾场和雾化特性的影响规律的测量方法,可以通过粒子图像测速法(Particle image velocimetry, PIV)和高速摄影对油雾场进行拍摄,然后利用图像处理技术进行处理,基于大尺度宏观范围的图像处理,给出颗粒在较大空间范围的尺寸分布。金仁瀚
虽然从公开文献可以看到,人们对直射式喷嘴的雾化特性进行了较为细致的研究,也得到了相关参数对雾化特性的影响规律,但是针对液体通过直射式喷嘴喷注进入混合层,特别是亚超大梯度剪切混合层的雾化规律并没有得到清楚的诠释,且仍旧缺乏足够的研究。因此,本文通过改变燃油流量、喷射角度和直射式喷嘴数量,利用PIV对油雾场进行捕捉,并通过数字图像处理技术对颗粒分布、颗粒均匀性和燃油轨迹等雾化特性进行试验研究。
建立大梯度亚超剪切混合层雾化试验系统,如
图1 试验系统
Fig.1 Test system
PIV是通过透镜将激光束聚束成片,其激光片光源厚度可调节至1 mm左右,然后利用数字相机拍摄连续两帧的追随气流流动的粒子,两帧间设置的实际时间间隔为2 ,最大分辨率可达到2 048像素×2 048像素。激光经光臂由试验段上方玻璃垂直射入,CCD相机通过侧面观察窗记录喷口中心截面油雾场散射图像。
为了探究工况参数改变对雾化性能的影响规律,选择适当的燃料喷注方式以便提高燃烧性能。试验过程中为了能够顺利将燃料喷注进入剪切层,使用直射式喷嘴,如
图2 喷油杆
Fig.2 Fuel injection
试验段中,亚声速流道出口高度为100 mm,超声速流道出口高度为16 mm,所设计的拉瓦尔喷管出口处马赫数为1.5,试验过程中经过测量实际马赫数为1.452。试验中所使用的喷油杆内径5 mm,壁厚1 mm,喷嘴直径0.5 mm,利用螺栓固定在试验件侧壁上,喷油杆分为单孔、双孔、六孔和八孔,安装位置如
图3 亚超混合层方案
Fig.3 Subsonic-supersonic shear mixing layer model
由于亚超声速流间速度梯度相差过大,在相同的时间尺度内,PIV追踪失踪颗粒改变的距离差距很大,因此无法得到准确的速度场。为更直观地显示剪切层所在位置,利用Fluent对基于试验件的简化二维模型进行流场模拟,得到如
图4 简化计算模型的速度云图
Fig.4 Velocity figure of simplified computational model
通过冷态流场可以发现在支板末端由于亚超声速流的混合产生了一段大梯度的剪切混合层,可通过混合层厚度估量其位置,定义速度为和的两点之间距离,其中,分别为超声速流和亚声速流的入口速度,为两者速度差。
试验过程中,可以进行变流量、变喷射角度和变喷嘴数量等试验。在供油压力对比试验中,燃油进口流量变化范围为1~10 L/min;变喷射角度试验过程中,供油压力保持在0.153 MPa,角度变化分为逆喷45°、垂直喷射和顺喷45°及60°;喷嘴数量变化为6个喷嘴和8个喷嘴,燃油流量分别为15和20 L/min。在对喷嘴流量标定后,将燃油流量改变为质量流量,具体试验工况如
PIV得到的油雾场原始图像为瞬态图像,拍摄范围为140 mm×60 mm,如
图5 图片处理方法
Fig.5 Digital image processing technology
燃油液柱经过雾化过程液滴破碎成为大小不一的颗粒,而评价液滴均匀性的指标为R‑R分布表达式的n
(1) |
式中:为液滴的特征直径,R为液滴直径小于d的液滴质量(或体积)占液滴总质量(或总体积)的百分数,n值越大表明其均匀性分布越好。
燃油射流的穿透深度是评价物化特性的重要指标。穿透深度是指直射式喷嘴在其下游某一位置燃油油雾浓度分布最大处与直射式喷嘴所在平面的垂直距离或其液雾分布的上边
试验通过调节浮子流量计改变燃油流量,经喷嘴标定后转化为供油压力,试验共5种不同供油压力,分别为:0.013 7、0.046、0.344、0.589和0.887 MPa。通过处理原始图片得到颗粒SMD随流量的变化如
图6 不同供油压力的SMD
Fig.6 SMD of different fuel pressure
图7 不同供油压力的雾化均匀性
Fig.7 Fuel uniformity of different fuel pressure
图8 不同供油压力的液滴尺寸分布
Fig.8 Droplet dimension distribution of different fuel pressure
通过
(2) |
式中:和分别为燃油的密度和速度,和分别为来流气体的密度和速度。因此增加供油压力,使得增大,减小,煤油的穿透能力增加,穿透深度在不断增加。
图9 不同供油压力的轨迹及穿透深度
Fig.9 Spray depth and trail of different fuel pressure
不同喷射角度SMD变化如
图10 不同喷射角度的SMD
Fig.10 SMD of different inject angles
图11 不同喷射角度的雾化均匀性
Fig.11 Fuel uniformity of different inject angles
喷射角度对雾化性能的影响,主要是因为气液间相对速度改变对雾化性能的影响。当液体相逆喷时,气液间的相对速度为两者速度之和,这显然要比顺喷时两者相对速度大。气动力大小是与两相相对速度的平方成正比,由此产生更大的气动力促使液滴二次破碎。
由颗粒分布曲线(
图12 不同喷射角度的液滴尺寸分布
Fig.12 Droplet dimension distribution of different inject angles
喷射角度对雾化性能的影响,主要是因为气液间相对速度改变对雾化性能的影响。当液体逆喷时,气液间的相对速度为两者速度之和,这显然要比顺喷时两者的相对速度大,雾化效果优于顺喷。从
图13 不同喷射角度的轨迹及穿透深度
Fig.13 Spray depth and trail of different inject angles
不同喷嘴数量SMD如
从
图14 不同喷嘴数量的顺流方向和垂直方向的SMD变化趋势
Fig.14 SMD changing trend in downstream and vertical directions of different nozzle numbers
图15 不同喷嘴数量的液滴尺寸分布
Fig.15 Droplet dimension distribution of different nozzle numbers
图16 不同喷嘴数量的轨迹及穿透深度
Fig.16 Spray depth and trail of different nozzle numbers
通过亚超剪切混合层燃油雾化特性试验研究,得到如下结论:
(1) 供油压力的改变会影响燃油在亚超剪切混合层中穿透深度和雾化效果,增大油压,穿透深度会随之增大,破碎后的颗粒分布峰值所对应的液滴直径变化规律基本为逐渐增加,雾化效果先提升再下降;同时可以捕捉的颗粒数目也会增加。
(2) 相同供油压力条件下,喷嘴角度改变对雾化效果会有影响,顺喷和逆喷的雾化效果均好于垂直喷射;逆喷的喷射高度最高,但是随着供油压力的增长燃料将会碰壁;顺喷条件下随着角度的增加穿透长度会有所增加;综合燃油轨迹边界,逆喷的效果相对较好。
(3) 在每个喷嘴平均流量相同的条件下,喷嘴数量改变对雾化效果和穿透深度影响不大。
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