CN109647240B - 一种喷雾式射流与主流气体掺混的组织方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种喷雾式射流与主流气体掺混的组织方法，通过分析喷雾式射流与主流气体的掺混机理和规律，结合颗粒动力学、涡动力学等理论，提出了基于调控掺混流场中主导喷雾液滴扩散特性的大尺度涡结构‑对称反旋涡对，来实现合理组织喷雾式射流与主流气体掺混过程的新思路，并根据掺混流场中对称反旋涡对的特征尺寸与流场各参数之间的内在关系，给出了基于主流气体状态的喷雾式射流雾化特征参数的确定方法和喷嘴的选型方法，解决了当前工业过程中喷雾式射流与主流气体掺混过程的组织技术缺乏的难题。

Description

一种喷雾式射流与主流气体掺混的组织方法

技术领域

本发明属于发动机流体技术领域，尤其是一种喷雾式射流与主流气体掺混的组织方法。

背景技术

喷雾式射流与气流的掺混在诸多类航空发动机具有重要应用，如燃烧室内的燃油喷雾预混燃烧过程、涡轮发动机进气道的射流预冷过程、高能燃料发动机尾喷管的射流降温增质过程以及大推力火箭的尾焰喷水降温过程等。液体喷雾射流与主流气体的合理组织是实现两者高效掺混的前提，对上述发动机相关过程的优化和构型设计具有重要意义。长期以来，国内外相关研究集中在横流中射流液体的破碎与雾化过程，且多为半无限大空间内的直射式液体射流。喷雾式射流具有雾化距离短且液滴分散的优势，其与横流的掺混效果更多取决于雾化液滴群的扩散行为以及掺混腔壁面的约束作用。目前对发动机受限空间内喷雾式射流与主流气体的掺混过程仍缺乏合理高效的组织技术。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供一种喷雾式射流与主流气体掺混的组织方法。

为达到上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现：

一种喷雾式射流与主流气体掺混的组织方法，包括以下步骤：

1)选定掺混流场特征截面及其上的对称反旋涡对的涡心深度h和涡心距l；其中，特征截面选择范围为x＝1～1.5D，h和l的取值范围均为0.3～0.4D，x为特征截面距喷口的距离，单位为m；D为掺混腔水力直径；单位为m；

2)根据气液掺混后预设的混合气体状态，结合主流气体的状态参数和初始射流液体工质的状态参数，按照能量守恒定律计算出射流液体的体积流率q，单位为m³/s；

3)根据掺混腔水力直径D、主流气体的速度u_g和密度ρ_g，按照式(1)计算出主流气体的雷诺数Re_g，

式中，μ_g为主流气体的动力粘性系数，单位N·s/m²；u_g为主流气体的速度，单位m/s；ρ_g为主流气体的密度，单位为kg/m³；

4)将h和l带入式(2)和(3)，计算射流喷雾初始雾化液滴的雷诺数Re_d与喷雾液体与主流气体的动量通量比J*的取值范围，

式中，ρ_l为射流液体的密度，单位为kg/m³；

5)基于J*和q，根据式(4)计算喷雾射流初始雾化液滴的速度u_d的取值范围；基于Re_d，根据式(5)计算确定初始雾化液滴的平均粒径d₃₂范围，

6)选择喷嘴，该喷嘴的初始雾化液滴的速度在u_d的取值范围之内、喷嘴的初始雾化液滴的平均粒径在d₃₂的取值范围之内或/和喷嘴的出射流液体的体积流率为q。

进一步的，喷嘴的雾化锥角为70-90°。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

本发明的一种喷雾式射流与主流气体掺混的组织方法，通过分析喷雾式射流与主流气体的掺混机理和规律，结合颗粒动力学、涡动力学等理论，提出了基于调控掺混流场中主导喷雾液滴扩散特性的大尺度涡结构-对称反旋涡对，来实现合理组织喷雾式射流与主流气体掺混过程的新思路，并根据掺混流场中对称反旋涡对的特征尺寸与流场各参数之间的内在关系，给出了基于主流气体状态的喷雾式射流雾化特征参数的确定方法和喷嘴的选型方法，解决了当前工业过程中喷雾式射流与主流气体掺混过程的组织技术缺乏的难题；本发明提出的喷雾式射流与主流气体的掺混组织方法，为实际工业过程中气液两相掺混效果的调控和优化掺混组织提供了技术支撑，可有效降低由于气液相间不合理的掺混所带来的高能耗、高污染的问题，同时可以促进与掺混效果直接相关的其他技术的发展，如燃烧技术、预冷技术等，此外，也为掺混室的优化设计提供了指导。

附图说明

图1为本发明提供的一种喷雾式射流与主流气体掺混的掺混腔的结构示意图；

图2为本发明实施例1的喷雾式射流与主流掺混效果图；

图3为本发明实施例1的喷雾式射流与主流掺混流场中对称反旋涡对结构图。

其中：1-掺混腔入口；2-喷嘴布置位置；3-掺混流场特征截面；4-横截面上的对称反旋涡对；5-涡心；6-涡心深度。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。

需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本发明的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。

下面结合附图对本发明做进一步详细描述：

本发明的一种喷雾式射流与主流气体掺混的组织方法，具体过程如下：

一、掺混流场中对称反旋涡对特征尺寸的确定

首先根据掺混腔的结构尺寸来确定掺混流场特征截面；如对于圆形或矩形横截面的掺混腔，特征截面可选在x＝1～1.5D之间；其次，确定特征截面上的对称反旋涡对的涡心深度h和涡心距l；对称反旋涡对的涡心深度h和涡心距l的取值范围均在0.3～0.4D之间。

二、射流雾化液滴特征参数的确定

1)根据气液掺混后所想要达到的混合气体状态，如主气流温降，结合主流气体的状态参数如质量流率、温度、定压比热，和初始射流液体工质的状态参数如温度和定压比热，按照能量守恒定律计算出射流液体的体积流率q，m³/s。

2)根据掺混腔直径D、主流气体的速度u_g和密度ρ_g，按照下式(1)计算出主流气体的雷诺数Re_g，

式中，μ_g为主流气体的动力粘性系数，单位为N·s/m²；u_g为主流气体的速度，单位为m/s；ρ_g为主流气体的密度，单位为kg/m³。

3)根据发明人基于前期实验研究提出的对称反旋涡对的涡心深度和涡心距式(2)和(3)，来计算射流喷雾初始雾化液滴的雷诺数Re_d与喷雾液体与主流气体的动量通量比J*的取值范围，

式中，x为特征截面距喷口的距离，单位为m；ρ_l为射流液体的密度，单位为kg/m³。

4)基于计算得出的喷雾液体与主流气体的动量通量比J*的取值范围和喷雾液体的体积流率q，根据式(4)计算喷雾射流初始雾化液滴的速度u_d的取值范围；在此基础上，基于第3)步得出的初始雾化液滴的雷诺数Re_d的取值范围，根据式(5)计算确定初始雾化液滴的平均粒径d₃₂范围，

三、喷嘴的选型

喷嘴选型时喷嘴雾化锥角在70-90°之间，进而根据射流液体工质的体积流率和初始雾化液滴粒径与速度的取值范围确定合适的喷嘴结构以及喷射压力。

具体来讲，可根据上述喷嘴雾化锥角、液体的体积流率以及雾化液滴的速度和粒径要求来设计喷嘴，也可以对商业喷嘴进行选型。

在对喷嘴进行选型时，采用以下设备或技术对喷嘴雾化性能进行验证：对喷嘴雾化粒径的测试采用马尔文粒度分析仪，对雾化液滴速度的测试采用PIV测试技术，喷嘴雾化锥角的测试采用光学摄像技术进行捕捉，射流液体质量流率采用流量计进行测试。

实施例1

参见图1，图1为本发明提供的一种喷雾式射流与主流气体掺混的掺混腔的结构示意图；液体射流与主流气体的掺混腔为矩形管道结构，其横截面尺寸为D×D＝180mm×180mm，主流气体为常温常压状态下的空气，气流的雷诺数Re_g为2.4×10⁴；射流液体工质为常温水，体积流率为6.18×10^-6m³/s。

按照本发明一种喷雾式射流与主流气体掺混的组织方法，选择掺混流场特征截面为1.33D，该截面上对称反旋涡对的涡心深度和涡心距选为0.3～0.4D，经计算后喷雾初始液滴粒径选为约80μm，初始液滴速度约为25m/s，然后结合喷雾工质的体积流率对喷嘴进行了选型，喷嘴喷射压力为1.0MPa，雾化锥角约80°。

根据上述参数，对气液掺混流场横截面液滴分布进行了试验测量，测量结果参见图2和图3，图2为本发明喷雾式射流与主流掺混效果图，图3为喷雾式射流与主流掺混流场中对称反旋涡对结构图，图3采用PIV技术进行处理得到。流场横截面上出现明显的对称反旋涡对结构，反旋涡对的位置处于流场横截面的中部区域，其促进液滴群的扩散且使得液滴在截面上分布趋于均匀，实现了气液相间较好的掺混效果，避免了由于喷雾射流与主气流掺混组织不当而造成的大量液滴沉积底面，或大部分液滴聚集在流场上方而使得掺混距离过长的问题。综上所述，本发明实现了预期的目标，提出的喷雾式射流与主流气体掺混的组织方法可以用于实际相关工业过程中的气液掺混过程优化组织。

以上内容仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明权利要求书的保护范围之内。

Claims (2)

1.一种喷雾式射流与主流气体掺混的组织方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)选定掺混流场特征截面及其上的对称反旋涡对的涡心深度h和涡心距l；其中，特征截面选择范围为x＝1～1.5D，h和l的取值范围均为0.3～0.4D，x为特征截面距喷口的距离，单位为m；D为掺混腔水力直径；单位为m；

2)根据气液掺混后预设的混合气体状态，结合主流气体的状态参数和初始射流液体工质的状态参数，按照能量守恒定律计算出射流液体的体积流率q，单位为m³/s；

3)根据掺混腔水力直径D、主流气体的速度u_g和密度ρ_g，按照式(1)计算出主流气体的雷诺数Re_g，

式中，μ_g为主流气体的动力粘性系数，单位N·s/m²；u_g为主流气体的速度，单位m/s；ρ_g为主流气体的密度，单位为kg/m³；

4)将h和l带入式(2)和(3)，计算射流喷雾初始雾化液滴的雷诺数Re_d与喷雾液体与主流气体的动量通量比J*的取值范围，

式中，ρ_l为射流液体的密度，单位为kg/m³；

5)基于J*和q，根据式(4)计算喷雾射流初始雾化液滴的速度u_d的取值范围；基于Re_d，根据式(5)计算确定初始雾化液滴的平均粒径d₃₂范围，

6)选择喷嘴，该喷嘴的初始雾化液滴的速度在u_d的取值范围之内、喷嘴的初始雾化液滴的平均粒径在d₃₂的取值范围之内或/和喷嘴的出射流液体的体积流率为q。

2.根据权利要求1所述的喷雾式射流与主流气体掺混的组织方法，其特征在于，喷嘴的雾化锥角为70-90°。

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