王 斌, 邵方琴, 沈秀利, 鄭高峰, 吳曉明
(1.中國航發(fā)南方工業(yè)有限公司, 株洲 412002; 2.廈門大學(xué)儀器與電氣系, 廈門 361102; 3.廈門大學(xué)機(jī)電工程系, 廈門 361102)
燃?xì)廨啓C(jī)是一種高效先進(jìn)、技術(shù)成熟的動(dòng)力機(jī)械裝置,把氣體當(dāng)成連續(xù)流動(dòng)的介質(zhì),并帶動(dòng)內(nèi)部葉輪運(yùn)動(dòng),從而將其燃料所具有的能量有效地轉(zhuǎn)化為機(jī)械能的裝置,具有體積小、功率大、啟動(dòng)快等一系列優(yōu)點(diǎn)[1-4]。目前,燃?xì)廨啓C(jī)廣泛應(yīng)用于航空、輪船、石油、電力系統(tǒng)等諸多領(lǐng)域[5]。同時(shí),正是由于其重要性已逐漸成為各國衡量其綜合實(shí)力的標(biāo)準(zhǔn)之一,被譽(yù)為是動(dòng)力機(jī)械裝置領(lǐng)域“皇冠上的明珠”[6-9]。隨著時(shí)代的發(fā)展和科學(xué)技術(shù)的提高,近年來燃?xì)廨啓C(jī)的發(fā)展取得了長遠(yuǎn)的進(jìn)步,同時(shí)人們對(duì)燃?xì)廨啓C(jī)在性能、排放等各個(gè)方面也有了越來越高的要求[10-12]。而噴嘴作為燃燒室的核心部件,是燃?xì)廨啓C(jī)內(nèi)部燃料供給的關(guān)鍵,它能夠通過自身的作用,加速和提高空氣與燃料之間的摻混,從而提升燃燒室的燃燒速度、燃燒效果以及燃燒穩(wěn)定性。因此,噴嘴的好壞直接影響了燃料轉(zhuǎn)化為機(jī)械能的效率及污染物的排放量大小,所以對(duì)于噴嘴在結(jié)構(gòu)上和性能上的研究具有極其重要的意義。國內(nèi)外許多學(xué)者對(duì)噴嘴的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了相關(guān)研究。
韓國國立首爾大學(xué)的Lee等[13-14]針對(duì)二甲醚(dimethyl ether, DME)這一極具潛力的燃?xì)廨啓C(jī)燃料設(shè)計(jì)了一種新型的雙燃料噴嘴,該噴嘴具有單雙排孔結(jié)構(gòu),燃料可以借由空氣旋流器的流道直接通入,并與空氣相互摻混后進(jìn)入燃燒室,可以使得DME燃料在燃燒室中燃燒更加充分,從而降低了發(fā)電使用成本、提升了發(fā)電廠的效率并豐富了燃料使用的多樣性。華中科技大學(xué)的Dong等[15]探討了噴嘴孔數(shù)對(duì)雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒效果及排放量的影響,噴油器在保持噴嘴孔總面積及噴嘴噴射角不變的前提下,只改變了噴孔的直徑進(jìn)行研究,結(jié)果表明,隨著噴嘴孔徑的減小,柴油發(fā)動(dòng)機(jī)NOx的排放量會(huì)有所減少,煙塵的排放量會(huì)有所增加,說明噴嘴孔徑的改變對(duì)排放量是有一定影響的。高青風(fēng)等[16]設(shè)計(jì)了噴嘴的主副旋流器、主副旋流槽、主副流路堵頭、主流路啟閉彈簧及其總體結(jié)構(gòu),并通過仿真分析其噴霧的霧化效果。南京航空航天大學(xué)的潘桓[17]對(duì)某小型燃?xì)廨啓C(jī)噴嘴的結(jié)構(gòu)與性能進(jìn)行了分析和改進(jìn),在原有的基礎(chǔ)之上,調(diào)整了噴嘴內(nèi)氣路的結(jié)構(gòu),同時(shí)增加導(dǎo)流葉片的數(shù)目,從而設(shè)計(jì)了改型噴嘴,經(jīng)過對(duì)比研究分析,改型噴嘴比原噴嘴在燃燒效果及霧化效果方面均有更好的表現(xiàn)。有許多研究者使用仿真軟件對(duì)噴嘴內(nèi)部結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究,通過改變噴嘴內(nèi)部結(jié)構(gòu)研究其內(nèi)流場的分布狀態(tài),判斷噴嘴內(nèi)流場流動(dòng)特性對(duì)燃料燃燒的影響,為燃?xì)廨啓C(jī)開發(fā)提供了依據(jù)。目前還沒有對(duì)燃?xì)廨啓C(jī)研究出一個(gè)通用型的噴嘴模型,有的只是對(duì)某種特定噴嘴建立計(jì)算模型[17]。所以對(duì)燃?xì)廨啓C(jī)燃油噴嘴的結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究有著十分重要的意義。
設(shè)計(jì)了雙燃料噴嘴模型,并對(duì)燃油流道進(jìn)行數(shù)值模擬,使用Fluent對(duì)燃油整體內(nèi)流道在不同進(jìn)口壓力下進(jìn)行了穩(wěn)態(tài)數(shù)值模擬計(jì)算,得到了內(nèi)流場分布情況及質(zhì)量流量與核心流道進(jìn)口流速,再使用VOF模型對(duì)核心流道進(jìn)行數(shù)值模擬,分析旋流室內(nèi)柴油運(yùn)動(dòng)狀態(tài)與霧化錐角,為燃?xì)廨啓C(jī)噴嘴結(jié)構(gòu)的改進(jìn)提供依據(jù)。
雙燃料噴嘴是由單一燃料噴嘴發(fā)展而來的,并且同時(shí)集成了燃?xì)鈬娮旌腿加蛧娮斓奶攸c(diǎn),不僅能夠獨(dú)立使用燃油和燃?xì)鈨煞N燃料,還能實(shí)現(xiàn)其摻混過程,從而擴(kuò)大了能源的使用范疇、改善了燃?xì)廨啓C(jī)的運(yùn)行環(huán)境、降低了污染物的排放。而且,雙燃料噴嘴內(nèi)部結(jié)構(gòu)的好壞直接影響了燃油和燃?xì)庵g的摻混效果,因此對(duì)雙燃料噴嘴的結(jié)構(gòu)方面進(jìn)行研究十分重要。
如圖1所示,雙燃料噴嘴由三個(gè)基本流道:燃油流道、天然氣流道及輔助空氣流道。其中,天然氣流道是氣液集成噴嘴中一個(gè)相對(duì)獨(dú)立的流道,擁有獨(dú)立的流道進(jìn)口和出口,其流道分布在氣液集成噴嘴內(nèi)部結(jié)構(gòu)的最外層;燃油流道位于中心層,輔助空氣流道位于兩流道之間,輔助空氣流道和燃油流道具有各自獨(dú)立的流道進(jìn)口且有共同出口。對(duì)于燃油流道,燃油從進(jìn)口流入后,經(jīng)過前部流道流入旋流腔室和混合腔室,其中混合腔室是燃油和輔助空氣相互混合的腔體。當(dāng)通入了輔助空氣時(shí),空氣順著輔助空氣流道進(jìn)入到混合腔室中與燃油混合并發(fā)生相互作用,最終再共同從噴嘴出口噴出。
圖1 噴嘴內(nèi)部結(jié)構(gòu)剖視圖Fig.1 Cross-sectional view map of the internal structure of the nozzle
雙燃料噴嘴內(nèi)部流道復(fù)雜,對(duì)燃油內(nèi)流場進(jìn)行數(shù)值模擬,且若對(duì)燃油流道的整個(gè)內(nèi)流場進(jìn)行多相流仿真會(huì)大大增加仿真的時(shí)間成本。為實(shí)現(xiàn)噴嘴流場仿真運(yùn)算的高效性,采用了分步仿真的方法,分別對(duì)噴嘴整體內(nèi)流場和核心流道流場進(jìn)行仿真分析。
(1)燃油整體內(nèi)流場數(shù)值仿真:提取燃油整體內(nèi)流場模型進(jìn)行單相流的仿真分析,獲得不同進(jìn)口供油壓力條件下核心流道的進(jìn)口流速、質(zhì)量流量及內(nèi)流場分布狀況,為后續(xù)核心流道的數(shù)值仿真計(jì)算提供基礎(chǔ)。
(2)燃油的核心流道數(shù)值仿真:提取燃油核心流道的內(nèi)流場模型仿真結(jié)果作為邊界條件,基于VOF模型對(duì)核心流道進(jìn)行氣液兩相流的數(shù)值模擬計(jì)算,進(jìn)一步分析核心流道中氣液兩相流分布狀況與其霧化錐角的大小。
燃油在噴嘴中流動(dòng)狀態(tài)屬于湍流,流動(dòng)行為復(fù)雜。根據(jù)流體動(dòng)力學(xué),可列出噴嘴中燃油噴射過程的質(zhì)量守恒和動(dòng)量守恒方程。
質(zhì)量守恒方程:
(1)
動(dòng)量守恒方程:
(2)
式(2)中:ρ為流體密度;t為時(shí)間;ui、uj為速度分量;xi、xj為坐標(biāo)分量;p為修正壓力;μ為分子黏性系數(shù);μt為湍流黏性系數(shù)。
對(duì)雙燃料噴嘴進(jìn)行燃油流道提取,并對(duì)內(nèi)流場進(jìn)行簡化,其簡化后的模型如圖2所示。
圖2 燃油噴嘴整體內(nèi)流場仿真模型 Fig.2 Simulation model of inner flow field in the fuel nozzle
如圖2所示,燃油噴嘴的內(nèi)流場模型較為復(fù)雜,燃油從噴嘴進(jìn)口流入后,會(huì)先經(jīng)過一段較長的前部流道,然后再流到核心流道,并經(jīng)旋流室的作用后再從噴嘴出口流出。同時(shí),其進(jìn)出口直徑分別為8.42、14 mm。
對(duì)燃油噴嘴的內(nèi)流場模型進(jìn)行非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格劃分,同時(shí)為了避免因?yàn)榫W(wǎng)格數(shù)量因素而導(dǎo)致仿真結(jié)果不準(zhǔn)確,這里對(duì)劃分的網(wǎng)格進(jìn)行網(wǎng)格無關(guān)性驗(yàn)證。選取三種不同量級(jí)的網(wǎng)格(251×104、491×104、838×104)進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)。綜合考慮準(zhǔn)確性與時(shí)間成本,最后選取491×104的網(wǎng)格進(jìn)行燃油噴嘴內(nèi)流場的數(shù)值模擬研究,如圖3所示。
圖3 燃油噴嘴整體內(nèi)流場模型網(wǎng)格劃分及其邊界條件設(shè)置Fig.3 Mesh and boundary condition for the inner flow field model of the fuel nozzle
對(duì)燃油噴嘴整體內(nèi)流場的數(shù)值模擬過程進(jìn)行邊界條件設(shè)置。整個(gè)仿真過程遵循動(dòng)量守恒、質(zhì)量守恒等相關(guān)定律,同時(shí)還包含湍流運(yùn)動(dòng)過程。燃油選擇的是10號(hào)柴油進(jìn)行仿真,其相關(guān)物理性質(zhì)如表1所示。
表1 10號(hào)柴油的相關(guān)物理性質(zhì)
同時(shí),燃油噴嘴整體內(nèi)流場數(shù)值模擬邊界條件設(shè)置如圖3所示,進(jìn)口采用壓力進(jìn)口條件,其進(jìn)口壓力點(diǎn)為0.1、0.3、0.5、1.0、1.5、2.0、2.5 MPa,靜壓全部設(shè)置為0 MPa。噴嘴出口設(shè)為壓力出口條件,其出口壓力都設(shè)為大氣壓。壁面設(shè)置為標(biāo)準(zhǔn)壁面條件,溫度設(shè)為常溫。同時(shí)打開重力選項(xiàng)。采用SIMPLE壓力速度耦合求解器及RNG湍流模型,各離散格式均采用二階迎風(fēng)格式,松弛因子按照默認(rèn)設(shè)置。
由于在核心流道的流動(dòng)過程是一個(gè)典型的氣液兩相流過程,因此采用多相流模型對(duì)燃油噴嘴核心流道進(jìn)行數(shù)值模擬研究。
對(duì)燃油噴嘴的核心流道進(jìn)行幾何建模,如圖4所示。
圖4 燃油噴嘴核心流道模型Fig.4 Core flow channel model of the fuel nozzle
結(jié)合圖4可知,核心流道有兩類進(jìn)口:輔助空氣進(jìn)口和燃油進(jìn)口。其中,輔助空氣進(jìn)口只有在通入輔助空氣時(shí)才作為進(jìn)口邊界使用,這里并不考慮。在核心流道中,燃油進(jìn)口有4個(gè),相互之間成90°均布并與旋流室相切,其進(jìn)口橫截面為圓形。
在模型出口處構(gòu)建了一個(gè)0.03 m×0.01 m的圓柱型外場以研究噴嘴出射的流場特征。使用ANSYS ICEM CFD軟件對(duì)其核心流道的模型進(jìn)行非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格劃分。同時(shí),對(duì)所劃分的網(wǎng)格進(jìn)行網(wǎng)格無關(guān)性驗(yàn)證,選取三種不同量級(jí)的網(wǎng)格(135×104、256×104、475×104)進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)。綜合考慮準(zhǔn)確性與時(shí)間成本,最終選取256×104的網(wǎng)格進(jìn)行數(shù)值模擬,如圖5所示。
圖5 燃油噴嘴核心流道的網(wǎng)格劃分及其邊界條件設(shè)置Fig.5 Mesh generation and boundary configuration for the core flow channel of the fuel nozzle
由于燃油在燃油噴嘴核心流道中的相互作用是一個(gè)典型的氣液兩相流過程,為了模擬燃油噴嘴核心流道的流場分布狀況以及霧化錐角的大小,這里采取多相流模型中的VOF模型對(duì)其進(jìn)行數(shù)值模擬研究。整個(gè)仿真過程遵循動(dòng)量守恒、質(zhì)量守恒等相關(guān)定律,同時(shí)還包含湍流運(yùn)動(dòng)過程。燃油噴嘴核心流道的數(shù)值模擬邊界條件設(shè)置如下。
(1)采用多相流模型中的VOF模型,使用Implicit隱式求解方案。
(2)采用k-epsilon湍流模型中的RNG湍流模型(renormalization-groupk-ε模型)。
(3)因?yàn)槿加秃涂諝饷芏炔顒e較大,因此打開重力選項(xiàng)。
(4)空氣設(shè)為第一相,燃油設(shè)為第二相。
(5)采用COUPLE壓力速度耦合求解器,各離散格式均采用二階迎風(fēng)格式,松弛因子全部設(shè)置為0.3。
(6)燃油進(jìn)口采用速度進(jìn)口條件,其分別對(duì)應(yīng)進(jìn)口壓力點(diǎn)為0.1、0.3、0.5、1.0、1.5、2.0、2.5 MPa。周圍外場均設(shè)為壓力出口條件,其出口壓力都設(shè)為大氣壓,如圖5所示。此外其余所有壁面都設(shè)置為標(biāo)準(zhǔn)壁面條件,溫度設(shè)為常溫。
首先,通過對(duì)燃油噴嘴的燃油流量實(shí)驗(yàn)結(jié)果與數(shù)值模擬結(jié)果進(jìn)行對(duì)比,并在技術(shù)指標(biāo)的要求下驗(yàn)證仿真的可靠性。該實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)由相關(guān)研究所提供,其質(zhì)量流量的對(duì)比結(jié)果如圖6所示。
圖6 燃油噴嘴的質(zhì)量流量實(shí)驗(yàn)值與仿真值對(duì)比Fig.6 Comparison of the experimental and simulated results for the mass flow of the fuel nozzle
結(jié)合圖6可知,仿真的質(zhì)量流量比實(shí)驗(yàn)的質(zhì)量流量偏大,其最大誤差為9.83%,滿足技術(shù)指標(biāo)要求,因此說明燃油噴嘴整體內(nèi)流場數(shù)值模擬結(jié)果是可靠的。而且,燃油噴嘴的質(zhì)量流量實(shí)驗(yàn)值與仿真值在進(jìn)口壓力點(diǎn)下的變化趨勢也一致,進(jìn)一步驗(yàn)證了仿真的可靠性。
使用Fluent軟件建立燃油噴嘴在噴射方向上的截面,燃油噴嘴在各個(gè)進(jìn)口壓力點(diǎn)下內(nèi)流場速度云圖分布狀態(tài)基本一致,這以進(jìn)口壓力為2.5 MPa的內(nèi)流場進(jìn)行說明,如圖7所示。
圖7 燃油噴嘴在進(jìn)口壓力2.5 MPa的內(nèi)流場速度云圖Fig.7 Inner flow field velocity of the fuel nozzle under an inlet pressure of 2.5 MPa
由圖7可以看出,燃油噴嘴內(nèi)流場分布狀況都比較均勻。在前部流道中,靠近壁面的燃油速度會(huì)由于邊界層作用(模擬近壁面的黏性力)而相對(duì)于中間的燃油速度較小,速度梯度呈穩(wěn)定變化;而在核心流道中,由于旋流室的作用導(dǎo)致該處的燃油運(yùn)動(dòng)比較劇烈,流場分布狀況較為復(fù)雜。
同時(shí),通過對(duì)內(nèi)流場的數(shù)值模擬計(jì)算,可以得到燃油噴嘴在各進(jìn)口壓力點(diǎn)下的進(jìn)口流速以及質(zhì)量流量,并能通過進(jìn)一步的計(jì)算得到其核心流道的燃油進(jìn)口流速,如表2所示。
由表2可知,燃油噴嘴的質(zhì)量流量、進(jìn)口流速以及核心流道的進(jìn)口流速均隨著進(jìn)口壓力的增大而增大,因此其最大值都出現(xiàn)在2.5 MPa處,其值分別為0.107 6、2.37、24.86 m/s。在得到核心流道的燃油進(jìn)口流速后,便可將其作為初始邊界條件代入到下一部分的數(shù)值模擬當(dāng)中,從而對(duì)燃油噴嘴的核心流道進(jìn)行詳細(xì)的研究分析。
表2 燃油噴嘴的質(zhì)量流量、進(jìn)口流速以及核心流道進(jìn)口流速的數(shù)值模擬結(jié)果
首先,通過對(duì)燃油噴嘴的噴霧錐角實(shí)驗(yàn)結(jié)果與數(shù)值模擬結(jié)果進(jìn)行對(duì)比,其實(shí)驗(yàn)與仿真現(xiàn)象對(duì)比如圖8所示,并在技術(shù)指標(biāo)的要求下驗(yàn)證仿真的可靠性。該實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)由相關(guān)研究所提供,其霧化錐角的對(duì)比結(jié)果如表3所示。
由表3可知,燃油噴嘴的噴霧錐角實(shí)驗(yàn)結(jié)果與數(shù)值模擬結(jié)果基本一致,其最大誤差為4.63%,滿足技術(shù)指標(biāo)要求。因此,燃油噴嘴的核心流道的數(shù)值模擬結(jié)果是可靠的。
圖8 燃油噴嘴的核心流道在0.05 MPa下仿真與實(shí)驗(yàn)對(duì)比Fig.8 Simulation and experimental comparison of the core flow path of the fuel nozzle under the pressure of 0.05 MPa
表3 燃油噴嘴的霧化錐角實(shí)驗(yàn)值與仿真值對(duì)比
為了進(jìn)一步對(duì)燃油噴嘴核心流道中的流體流動(dòng)狀態(tài)進(jìn)行詳細(xì)的研究,這里通過其速度空間流線圖及速度云圖來進(jìn)行分析。需要說明的是,由于仿真的進(jìn)口壓力點(diǎn)過多,而燃油噴嘴核心流道在相關(guān)進(jìn)口壓力下的流體流動(dòng)狀態(tài)及規(guī)律又大體相似。因此,這里只選2.5 MPa下的結(jié)果進(jìn)行說明,如圖9所示。
圖9 燃油噴嘴的核心流道在2.5 MPa下的速度空間流線圖Fig.9 Velocity streamline of the core flow path of the fuel nozzle under the pressure of 2.5 MPa
結(jié)合圖9進(jìn)行分析,由于燃油是順著4個(gè)均布且與旋流室相切的進(jìn)口流道進(jìn)入旋流室的,所以當(dāng)燃油進(jìn)入旋流室后,首先會(huì)緊貼著壁面向前做螺旋狀高速運(yùn)動(dòng)。根據(jù)螺旋運(yùn)動(dòng)的特點(diǎn),其徑向速度較小,而切向速度較大。所以燃油經(jīng)過旋流室的作用后其速度將得到極大提高,且速度的極大值出現(xiàn)在進(jìn)口流道的末端和旋流室出口處,這是因?yàn)榇颂幍牧鞯澜孛孀钚《伊黧w運(yùn)動(dòng)最為劇烈。同時(shí),由于流體在旋流室中的螺旋運(yùn)動(dòng),會(huì)導(dǎo)致靠近旋流室正中心壁面的位置形成一個(gè)中空錐狀的空氣芯,且越靠近空氣芯中心的位置,流體速度越低。
建立燃油噴嘴核心流道在噴射方向上的截面,各進(jìn)口壓力點(diǎn)下燃油噴嘴核心流道燃油體積分?jǐn)?shù)云圖的狀態(tài)及規(guī)律基本一致。
燃油從核心流道的旋流室出口噴出后逐漸開始與空氣發(fā)生相互作用,從而使液體破碎產(chǎn)生了液膜,而液膜之間所成的角度即為霧化錐角,從圖10看出,燃油噴嘴的霧化錐角會(huì)隨著進(jìn)口壓力的增加而增大,且當(dāng)進(jìn)口壓力超過0.5 MPa時(shí),霧化錐角的大小最終會(huì)穩(wěn)定在110°上下。通過對(duì)核心流道進(jìn)行多相流仿真很好地模擬了這一過程。
圖10 燃油噴嘴核心流道在各進(jìn)口壓力下的霧化錐角Fig.10 Atomization cone angles of the core flow path of the fuel nozzle under different inlet pressure
主要基于噴嘴結(jié)構(gòu)分析了燃油噴嘴內(nèi)流場流動(dòng)狀況,并參照技術(shù)指標(biāo)的要求驗(yàn)證了仿真的可靠性。對(duì)燃油噴嘴在7個(gè)進(jìn)口壓力點(diǎn)(0.1、0.3、0.5、1.0、1.5、2.0、2.5 MPa)下的整體內(nèi)流場和核心流道分別進(jìn)行了三維流場數(shù)值模擬研究分析,為燃?xì)廨啓C(jī)噴嘴的結(jié)構(gòu)改進(jìn)提供了依據(jù)。研究得到的主要結(jié)論如下。
(1)燃油噴嘴整體內(nèi)流場數(shù)值模擬研究:對(duì)燃油噴嘴整體內(nèi)流場分布狀況,以及進(jìn)口流速、質(zhì)量流量在相關(guān)進(jìn)口壓力點(diǎn)下的結(jié)果進(jìn)行了數(shù)值模擬分析。研究表明,其質(zhì)量流量會(huì)隨著進(jìn)口壓力的增大而增大,其最大值為0.107 6 kg/s。并且,通過進(jìn)口流速進(jìn)一步計(jì)算得到了核心流道的進(jìn)口流速。
(2)燃油噴嘴的核心流道數(shù)值模擬研究:對(duì)燃油噴嘴核心流道的流場分布狀況以及霧化錐角在相關(guān)進(jìn)口壓力點(diǎn)下的結(jié)果進(jìn)行了數(shù)值模擬研究。研究表明,其霧化錐角會(huì)隨著進(jìn)口壓力的增加而增大,且當(dāng)進(jìn)口壓力超過0.5 MPa時(shí),霧化錐角最終會(huì)穩(wěn)定在110°左右。