刘重阳，冯大强，钟华贵，王秀兰

燃油射流横流穿透深度试验和数值模拟

刘重阳，冯大强，钟华贵，王秀兰

(中国燃气涡轮研究院，四川江油621703)

采用激光粒子成像测速仪(PIV)，试验研究了不同动量比下燃油射流在横向空气流中的穿透深度特性。同时，采用数值计算方法，对射流穿透特性进行了模拟，并将试验和计算结果，分别与已有的经验关系式，及考虑气动韦伯数影响修改后的关系式进行对比。结果表明：燃油射流上边界深度与幂指数关系式较吻合；采用VOF两相流模型能较准确地模拟出燃油射流的喷雾核心深度；修改后的关系式与不同燃油-空气动量比范围下的喷雾核心深度较吻合；燃油-空气动量比和气动韦伯数，是影响燃油射流横流穿透深度的主要参数。

燃油射流；穿透深度；PIV；试验；数值模拟；LPP低污染燃烧室

1 引言

燃油射流喷射进入横流具有快速雾化和可控燃油分布的特点，对LPP(贫油预混预蒸发)燃烧室的污染排放及燃烧效率和燃烧稳定性有极其重要的影响，众多研究者对此开展了大量的试验分析和数值模拟研究。

研究者对射流轨迹、穿透深度及射流宽度非常重视。Schetz等[1]研究发现，最大穿透深度与横流方向射流的动量大小相关。Chen[2]、Wu[3]等采用Mie散射和PDPA，通过大量试验研究，获得了一些经验关系式来确定穿透深度和射流宽度，其中穿透深度与燃油-空气动量比(q)、喷口直径(d)和流向距离(x)关联在一起。Tambe等[4]研究了液体粘度和气动韦伯数对穿透深度的影响，获得了射流轨迹的对数关系式。Rachner等[5]采用三维TRUST程序对煤油射流穿透深度和流动轨迹进行数值模拟，其结果与Mie散射试验结果吻合较好。Khosla等[6]采用CFD-ACE商业软件对Jet-A射流雾化过程进行模拟，发现穿透深度的模拟结果与Becker等[7]的试验结果稍有差别，原因是CFD模型中没有准确描述这种现象的机理。以上研究所采用的研究手段、流体介质和分析方法都不相同，获得的结果差异也较大。

目前，国内对液体射流雾化机理的研究相对较少，尤其是对航空煤油的射流雾化特性研究更少，且鲜有报道。在LPP低污染燃烧模式中，这种燃油雾化特性对于降低污染排放具有重要影响。为此，本文开展了针对航空煤油在横向空气流中穿透深度的试验和数值模拟研究，主要目的是研究不同气动参数和射流参数对燃油射流横流穿透深度的影响。

2 射流雾化试验

2.1试验设备和试验件

试验在中国燃气涡轮研究院单头部雾化喷嘴试验器上进行，设备原理如图1所示。压缩空气的进气流量和供气压力通过调节电动进气阀、放空阀来控制，经流量孔板测量流量后进入试验段。试验中所用燃油经进油阀和燃油流量计向试验件供给。试验件如图2所示，空气通道截面为40 mm×40 mm的矩形，测量段通道长170 mm，其上壁和两侧壁均布置有石英玻璃窗口，供光学测量仪器观测射流。燃油射流喷孔的出口孔径为ϕ0.5 mm，喷口通过一接嘴压紧固定在测量段底部壁面，出口端面与底壁内表面齐平。

燃油射流横流雾化流场采用激光粒子成像测速仪(PIV)系统测量，光源由双谐振脉冲式Nd:YAG激光器提供，测量原理如图3所示。试验中，将脉冲激光片光源入射到所测流场区域，通过PIV的CCD相机记录粒子图像，并通过数据传输将图片数据存储在计算机内。

2.2试验结果与分析

分别选取两个空气进口流速和三个燃油射流速度进行试验，具体参数见表1。表中Ua为空气速度，Maa为空气马赫数，Uf为燃油速度，Gf为燃油流量，Rea为空气雷诺数，We为气动韦伯数。试验采用国产RP-3航空煤油，其密度ρf=780 kg/m3，动力粘度μf= 0.001 3 kg/(m·s)，表面张力σf=0.024 N/m。试验件进口空气常温、常压，燃油常温。

图4为各试验方案下燃油射流在横向空气流中的穿透和破碎雾化照片。图中，横流空气由右侧流入，燃油射流在横向气流作用下向气流流动的下游方向弯曲。这是因为在射流迎风面，横向流动气流的气动力作用产生一相对高压区，而在射流逆风面产生一相对低压区。随着气流向下游流动，射流液柱逐渐被离散成不同尺寸液滴，且大尺寸液滴位于射流轨迹的上边界，射流下方液滴相对较小。这是由于在气流剪切作用下，燃油射流的迎风面和逆风面都出现表面波动，沿着射流方向幅度不断加大，在射流的迎风面产生柱状破裂，在背风面发生表面破裂，而表面破裂产生的颗粒尺寸小于柱状破裂。

图1 试验设备原理图Fig.1 Schematic diagram of test rig

图2 试验件结构简图Fig.2 Structural scheme of specimen

图3 试验测量原理图Fig.3 The measurement principle of test

目前，关于直射式喷嘴的射流深度主要有两种定义[8]：一是指直射式喷嘴在其下游某一位置油雾浓度分布最大处(喷雾核)与直射式喷嘴所在平面的垂直距离；二是指液雾分布的上边界。从图上可看出，不同工况下燃油射流的两种穿透深度均不相同。为便于与国外已有研究结论对比，采用测试系统自带的DaVis 7.1软件，在CCD相机所摄图片上，沿气流流动方向手工取喷雾核和液雾上边界的坐标用以确定射流穿透深度，图5给出了取点示例。然后绘制出不同试验方案下燃油射流穿透深度沿流动方向的变化曲线，并与已有经验关系式比较，如图6所示。此外，考虑到手工取点存在一定误差，为说明试验结果的非偶然性，及验证试验结果的可重复性，每个方案选取两幅图片结果用于对比分析。

表1 试验参数Table 1 Test parameters

图4 燃油射流横流雾化试验结果Fig.4 Test results of the fuel injection in cross-flow

图5 射流穿透深度坐标取点示例Fig.5 The coordinate choice demonstration of jet penetration depth

对比各方案射流上边界深度，试验结果与Wu等使用PDPA测试方法获得的幂指数轨迹关系式较吻合，与Chen和Tambe等获得的关系式偏差较大；对比喷雾核深度，试验结果与三个经验关系式均有较大偏差。综合图4和图6看，We相同时，燃油射流的上边界深度和喷雾核深度均随q的增加而增大，射流的偏转角随q的增大而减小；相同燃油射流进口速度条件下，燃油射流穿透深度随We的增大而减小，射流的偏转角随We的增加而增大；对于q＜2的Case 5，燃油射流基本上是贴着底部壁面流动；对于q＞15的Case 2和Case 4，射流偏转角度较小，雾化后的大粒径液滴基本上都碰到了顶部壁面。

3 数值模拟

3.1数值方法

根据试验情况，在GAMBIT软件中对试验件进行简化并建模，采用结构化六面体网格对流体域进行网格划分。为更精确地模拟射流液柱破裂细节，将射流液柱可能到达区域网格细化。网格模型见图7，单元总数842 025，空气流向为z轴正向。

在FLUENT中分别对6个试验方案进行模拟。湍流模拟选用标准k-ε模型，近壁区域模拟采用标准壁面函数。选用VOF模型模拟横向气流与燃油射流间的相互作用及相间截面的追踪。压力速度耦合采用SIMPLE算法，压力插值使用Body Force Weighted格式，体积分数方程采用Geo-Reconstruct格式离散。使用FLUENT材料库中的液态C12H23代替RP-3航空煤油，空气进口和燃油射流进口均设置为速度进口边界，模型出口设置为压力出口边界，采用二阶迎风格式进行离散求解。

图6 燃油射流穿透深度试验结果与经验关系式的对比Fig.6 The comparison between the test results of fuel jet penetration and empirical relationship

图7 网格模型Fig.7 Grid model

3.2结果与分析

图8所示为从流场中分离出来的体积分数在0.001～1.000间的燃油液体的浓度分布，可反映射流运动轨迹和雾化的大概效果。从图上可明显看出，燃油射流液柱在距喷口不远处就被空气流撕裂，并从液柱上分离出一个个流体微团，但射流液柱开始被气流撕裂的位置距喷口出口的高度在不同工况下各不相同，射流沿程的运动轨迹和深度也差别较大。进口Ua相同时，随着Uf的增大(q增大)，液柱被撕裂的起始高度增加，从液柱上分离出的微团增多，射流弯曲程度变小；Uf相同时，随着q的增大(Ua减小)，液柱被撕裂的起始高度增加，射流弯曲程度变小，液滴脱落数也相应增加。

图8 燃油射流轨迹计算结果Fig.8 Computational results of fuel jet trajectory

在图8所示的燃油射流轨迹上沿流动方向手工取上边界点坐标，绘制出燃油射流穿透深度随z坐标的变化曲线，并与已有经验关系式比较，结果如图9所示。结合图8可看出：除Case 2的计算结果与Wu的关系式相对较吻合外，其余各方案的计算结果与三个经验关系式相比差别都较大；Ua或We相同时，射流穿透深度随q的增加而增大；Uf相同时，射流穿透深度随q的增加或Ua的减小而增大。

图9 燃油射流穿透深度计算结果与经验关系式的对比Fig.9 The comparison between the computation results of fuel jet penetration and empirical relationship

从上述分析看，数值模拟与试验所得结论一致，q和We是影响燃油射流在横向空气流中穿透深度的重要参数。

4 分析

从上述试验和数值结果的对比分析看，除Wu的幂指数关系式与燃油射流雾化的上边界深度较吻合外，Chen等的关系式均与试验和计算结果偏差较大。原因主要有：①测试技术上有差异，如PDPA测试结果高于投影成像仪测量结果，因为投影成像仪对液滴密度非常敏感，会忽略一些区域的少数粒子[8]，而本文使用的是PIV测试方法；②边界层的影响，喷口与底部壁面齐平和喷口平面高于底部壁面的射流穿透深度存在差异；③未考虑其它参数对射流穿透深度的影响[9]，Chen等的关系式中只考虑了q对穿透深度的影响，而没有考虑We和μ等参数。

因此，文献[9]将We引入Chen等的三个关系式中，即在原有关系式中均乘上因子We-0.088，用以研究We对燃油射流穿透深度的影响。修改后的公式为：

(1)Chen等

(2)Wu等

将试验和数值模拟得到的燃油射流穿透深度，与修改后的三个关系式进行综合对比，结果见图10，其中图10(g)、图10(f)只用了result1的试验结果。可见：①各状态由数值模拟得到的燃油射流穿透深度与试验获得的喷雾核心深度吻合较好，而与射流上边界的穿透深度相差较大，这是因为数值计算中采用的数学模型还存有一定不足，用现有模型无法模拟出射流的二次雾化和离散效果，只能模拟出燃油射流核心流的运动轨迹。②不考虑燃油射流的上边界深度，对于q＞15的Case 2和Case 4，修改后的Wu关系式与两种结果较吻合；对于2＜q＜15的Case 1、Case 3和Case 6，修改后的Chen和Tambe关系式与两种结果吻合较好；对于q＜2的Case 5，修改后的Tambe关系式与两种结果较吻合。③从图10 (g)～图10(f)的横向对比看，燃油射流穿透深度随q的增加而增大，射流偏转角随之减小；在相同We条件下，燃油射流穿透深度随q的增加而增大，射流偏转角变化趋势相反；在相同q条件下，燃油射流穿透深度随We的增加而略有降低，但相差不大。

5 结论

(1)用激光粒子成像测速仪测量，能捕捉到燃油射流在横向气流中的雾化和射流穿透深度特征。

(2)采用VOF两相流模型，能较准确地模拟出燃油射流的喷雾核心深度。

(3)试验获得的燃油射流上边界深度，与Wu等的幂指数形式经验关系式较吻合；修改后的三个关系式，分别与不同燃油-空气动量比范围下的喷雾核心深度较吻合。

(4)燃油-空气动量比和气动韦伯数，是影响燃油射流穿透深度的主要参数。

图10 燃油射流穿透深度与关系式的综合比较Fig.10 The comprehensive comparison between the two results and relationship

[1]Schetz J A，Padhye A.Penetration and Breakup of Liquids in Subsonic Airstreams[J].AIAA Journal，1977，15(10)：1385-1390.

[2]Chen T H，Smith C R，Schommer D G.Multi-Zone Behav⁃ior of Transverse Liquid Jet In High Speed Flow[R].AIAA 93-0453,1993.

[3]Wu P K，Kirkendall K A，Fuller R P，et al.Spray Trajecto⁃ries of Liquid Fuel Jets in Subsonic Cross Flows[C]//.7thInternational Conference on Liquid Atomization and Spray Systems.Korea，1997.

[4]Tambe S B，Jeng S M.Liquid Jets in Subsonic Crossflow [R].AIAA 2005-731，2005.

[5]Rachner M，Becher J，Hassa C，et al.Modelling of the At⁃omization of a Plain Liquid Fuel Jet in Crossflow at Gas Turbine Conditions[J].Aerospace Science and Technolo⁃gy，2002：495—506.

[6]Khosla S，Crocker D S.CFD Modeling of the Atomization of Plain Liquid Jets in Cross Flow for Gas Turbine Applica⁃tions[R].ASME GT2004-54269，2004.

[7]Becker J，Hassa C.Breakup and Atomization of a Kero⁃sene Jet in Crossflow at Elevated Pressure[J].Atomization and Sprays，2002，11：49—67.

[8]林宇震，许全宏，刘高恩.燃气轮机燃烧室[M].北京：国防工业出版社，2008.

[9]Stenzler J N，Lee J G，Santavicca D A.Penetration of Liq⁃uid Jets In A Crossflow[R].AIAA 2003-1327，2003.

Numerical Simulation and Experimental Analysis of the Penetration Depth of Fuel Jet in Cross-Flow

LIU Chong-yang，FENG Da-qiang，ZHONG Hua-gui，WANG Xiu-lan
(China Gas Turbine Establishment，Jiangyou 621703，China)

The Particle Image Velocity(PIV)was used to test and study the penetration characteristics of fu⁃el jet in air cross-flow under different fuel-air momentum ratio conditions.Furthermore,the numerical sim⁃ulation was applied to model the jet penetration characteristics,then the comparison were performed be⁃tween the test and computation results and the empirical expressions as well as the modified formula which the aerodynamic Weber number was calculated.The results indicate that the upper surface depth of fuel jet agrees well with the exponential correlation;the VOF model can be used to exactly simulate the penetration depth of spray core;the modified expressions coincide with the penetration depth of spray core with differ⁃ent fuel-air momentum ratio;the fuel-air momentum ratio and aerodynamic Weber number are the primary parameters that affect the penetration depth of fuel jet in cross-flow.

fuel jet；penetration depth；PIV；experiment；numerical simulation；LPP low emission combustor

V231.3

A

1672-2620(2013)05-0016-07

2013-04-01；

2013-07-22

航空科学基金自由探索类(2007ZB2401)

刘重阳(1980-)，男，江苏徐州人，硕士，高级工程师，主要从事燃烧室数值模拟与试验技术研究。