劉海麗，彭宣化，邢玉明，陳藝文

(1.北京航空航天大學(xué)航空科學(xué)與工程學(xué)院，北京100191；2.中國(guó)燃?xì)鉁u輪研究院，四川江油621703)

1 引言

冰風(fēng)洞結(jié)冰試驗(yàn)的關(guān)鍵在于噴霧系統(tǒng)設(shè)計(jì)。噴霧系統(tǒng)主要用來(lái)產(chǎn)生云霧水滴，控制水滴直徑、液態(tài)水含量和云霧均勻區(qū)范圍。其中，噴嘴是產(chǎn)生霧化水滴的基本單元，直接影響結(jié)冰試驗(yàn)效果。液滴平均體積直徑(MVD)是影響結(jié)冰特性的主要參數(shù)，有研究者認(rèn)為，MVD可簡(jiǎn)單有效地表征無(wú)凍雨云層中各尺寸液滴的撞擊、收集特性[1]。由于噴嘴特性在一定程度上決定了云霧的液滴尺寸分布，MVD與分布又直接影響結(jié)冰的冰形、種類、質(zhì)量等，因此對(duì)噴嘴地面試驗(yàn)的粒徑研究有著重要意義。本文利用自行設(shè)計(jì)的空氣助力式氣動(dòng)霧化噴嘴，對(duì)其霧化特性進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，分析了噴嘴入口水壓、氣壓等因素對(duì)液滴MVD的影響，并利用Fluent軟件對(duì)噴霧外流場(chǎng)進(jìn)行了三維數(shù)值仿真，對(duì)仿真結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比。

2 地面噴霧實(shí)驗(yàn)

2.1 實(shí)驗(yàn)裝置

噴霧實(shí)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)裝置由霧化裝置、氣路系統(tǒng)、水路系統(tǒng)和測(cè)量系統(tǒng)等構(gòu)成，如圖1所示。噴霧實(shí)驗(yàn)裝置的關(guān)鍵部分為自行設(shè)計(jì)的空氣助力式氣動(dòng)霧化噴嘴，其結(jié)構(gòu)示意及實(shí)物如圖2所示。噴嘴主要尺寸為：混合室氣體入口直徑6×φ1mm，液體入口直徑1×φ1mm，混合室長(zhǎng)44 mm，直徑12 mm，噴口直徑8×φ1mm。其工作原理為，高壓空氣、水分別由不同通道進(jìn)入噴嘴混合室，在混合室經(jīng)湍流擴(kuò)散充分混合形成氣液混合物，再由噴口高速噴出，實(shí)現(xiàn)高效霧化功能。

圖1 噴霧實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)圖Fig.1 Experiment system for spray

2.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

通過(guò)調(diào)節(jié)水路和氣路控制閥，使水壓分別為0.2 MPa、0.3 MPa、0.4 MPa時(shí)對(duì)應(yīng)不同的氣壓，再通過(guò)調(diào)節(jié)噴嘴位置，使馬爾文粒度測(cè)試儀距噴口軸向距離分別為50 mm、100 mm、150 mm、200 mm、300 mm時(shí)測(cè)量液滴粒徑。本次實(shí)驗(yàn)共測(cè)得21組數(shù)據(jù)。

圖3示出了不同水壓、氣壓與粒徑的關(guān)系。從圖中可以看到，水壓固定時(shí)，隨著噴嘴入口氣壓的升高，噴霧液滴的粒徑減小，霧化效果更好。這是因?yàn)閲娚鋲翰钤酱?，液體從噴口噴出時(shí)的速度越大，空氣對(duì)液膜的擾動(dòng)作用就越大，于是液膜破碎得越細(xì)，形成的液滴顆粒越小。

圖4為不同水壓、氣壓時(shí)所測(cè)量的距離噴口100 mm處的噴霧液滴粒徑分布圖。從圖4(a)、圖4(b)可以看出，水壓不變、水氣之間壓差增大后區(qū)域分布的最高百分比由58.0%升高到75.8%，液滴粒徑分布的均勻性明顯提高。圖4(b)、圖4(c)、圖4(d)中粒徑區(qū)域分布最高百分比分別為75.8%、83.2%、92.0%，水氣之間壓差不變的情況下，液滴的均勻性隨噴嘴入口壓力的增大而提高。

圖5示出了噴霧液滴粒徑沿噴口軸向的變化。從圖中可以看出，隨著距噴口軸向距離的增大，液滴粒徑的變化趨勢(shì)是先減小后增大。原因?yàn)?，液滴剛從噴口噴出時(shí)速度較大且相對(duì)密集，互相碰撞產(chǎn)生二次破碎粒徑減?。浑S著距噴口軸向距離的增大，液滴速度下降，加之重力的作用及顆粒本身的脈動(dòng)，使得不同顆粒碰撞后出現(xiàn)聚合現(xiàn)象，從而導(dǎo)致液滴粒徑變大[2]。從圖中還可以看出，隨著距噴口軸向距離的變化，液滴粒徑的最小點(diǎn)并不固定，其隨氣壓的增大距噴口的軸向距離變長(zhǎng)。因?yàn)闅鈮涸酱?，氣流速度越大，液滴的慣性越大，從加速到減速的過(guò)程越長(zhǎng)。另外，雖然三條曲線的水壓、氣壓不同，但水壓與氣壓之間的壓差不變，故其液滴粒徑變化不大。從整體上看，高入口氣壓較低入口氣壓得到的霧化粒徑小，霧化效果更好，但壓力過(guò)高又會(huì)造成噴霧流場(chǎng)不穩(wěn)定，液滴運(yùn)動(dòng)速度均勻性變差，與實(shí)際云霧規(guī)律不太相符[3]。從實(shí)驗(yàn)所測(cè)粒徑尺寸上看，該氣動(dòng)霧化噴嘴能滿足冰風(fēng)洞試驗(yàn)中對(duì)液滴粒徑(20 μm左右)的要求。

圖6、圖7分別示出了氣液比(流入噴嘴的氣流和液流的質(zhì)量之比，ALR)與噴嘴入口氣壓和液滴粒徑的關(guān)系。從圖中可以看出，當(dāng)氣液比一定時(shí)，液滴粒徑隨著水壓的增加呈下降趨勢(shì)；當(dāng)水壓一定時(shí)，氣液比隨著氣壓的增大而增大，但增大的趨勢(shì)隨著水壓的增加而減弱，并且液滴粒徑隨著氣壓和氣液比的升高而減小。這一實(shí)驗(yàn)結(jié)果與空氣霧化噴嘴的霧化性能機(jī)理理論一致[4]。

3 噴嘴外流場(chǎng)數(shù)值仿真

3.1 噴霧流場(chǎng)幾何模型及網(wǎng)格劃分

根據(jù)實(shí)驗(yàn)中噴霧錐角及所測(cè)距噴口軸向距離的需要，建立底面直徑為100 mm、高為300 mm的圓柱體模型，其網(wǎng)格總數(shù)為760 853，如圖8所示。

3.2 仿真數(shù)學(xué)模型

噴霧過(guò)程中，將氣體流場(chǎng)設(shè)為連續(xù)項(xiàng)，假定噴霧流場(chǎng)中的氣相為不可壓非穩(wěn)態(tài)湍流流動(dòng)，并可忽略其粘性。湍流模型采用標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型輸運(yùn)方程，且不考慮用戶自定義的源項(xiàng)及浮力項(xiàng)[5]。

將噴霧過(guò)程中的液相水滴看作離散項(xiàng)，采用三維不可壓非穩(wěn)態(tài)雷諾時(shí)均N-S方程。在拉格朗日坐標(biāo)系下，假設(shè)液滴顆粒為球形，通過(guò)積分拉氏坐標(biāo)系下顆粒作用力微分方程求解離散相顆粒軌跡。

3.3 仿真結(jié)果及分析

選擇Fluent軟件中提供的空氣輔助霧化模型，并選擇液滴聚合及WAVE破碎模型；在液滴顆粒模型中選擇液滴隨機(jī)游走模型[6]。整個(gè)計(jì)算過(guò)程中，通過(guò)SIMPLEC算法求解壓力速度耦合，采用分離式求解法求解控制方程，使用二階非定常流動(dòng)進(jìn)行計(jì)算。

以入口氣壓0.3 MPa、水壓0.2 MPa為初始條件進(jìn)行仿真，仿真結(jié)果及與實(shí)驗(yàn)結(jié)果的比較如圖9所示。從圖中可以看出，實(shí)驗(yàn)測(cè)量結(jié)果與仿真趨勢(shì)一致，但在距噴口軸向距離約300 mm處仿真液滴粒徑明顯小于實(shí)驗(yàn)值。原因?yàn)?，由于仿真所選液滴破碎模型的限制，使得碰撞后聚合的顆粒比實(shí)際的少。但誤差在允許范圍內(nèi)，說(shuō)明所用的流場(chǎng)仿真方法合理有效，可以用此方法對(duì)冰風(fēng)洞試驗(yàn)云霧流場(chǎng)進(jìn)行仿真預(yù)測(cè)。

4 結(jié)論

(1)噴嘴入口水壓在0.2～0.4 MPa范圍內(nèi)時(shí)，噴霧液滴的粒徑隨氣壓的升高而減小，即隨壓差的增大而減??；液滴的均勻性隨著壓差的增大和入口壓力的增大而提高。

(2)同一工況下，在距噴口軸向距離50～300 mm范圍內(nèi)，液滴粒徑隨著距噴口軸向距離的增大先減小后增大；水壓與氣壓之間的壓差不變時(shí)，液滴粒徑變化不大。

(3)噴嘴入口水壓在0.2～0.4 MPa范圍內(nèi)且氣壓一定時(shí)，水壓越高，氣液比越小，液滴粒徑越大。

(4)該氣動(dòng)霧化噴嘴能滿足冰風(fēng)洞試驗(yàn)中對(duì)液滴粒徑的要求。

(5)仿真結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果比較吻合，本文所用仿真方法可用于冰風(fēng)洞試驗(yàn)云霧流場(chǎng)的仿真預(yù)測(cè)。

[1]Kind R J，Potapczuk M G，F(xiàn)eo A，et al.Experimental and Computational Simulation of In-Flight Icing Phenomena[J].Progress in Aerospace Sciences，1998，34：257—345.

[2]曹建明.噴霧學(xué)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2005.

[3]甘曉華.航空燃?xì)廨啓C(jī)燃油噴嘴技術(shù)[M].北京：國(guó)防工業(yè)出版社，2006：62—65.

[4]王貞濤，岑旗鋼，羅惕乾.雙流體噴嘴霧化特性實(shí)驗(yàn)[J].化學(xué)工程，2010，38(2)：26—30.

[5]閻 超.計(jì)算流體力學(xué)方法及應(yīng)用[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2006.

[6]Fluent Inc.Fluent 6.3 User’s Guide[M].Lebanon：Fluent Inc.，2006.