CN109781414A - 一种用于模拟发动机掺混的实验装置及其模拟方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于模拟发动机掺混的实验装置，包括主流气体入口段，主流气体入口段与掺混测试段相连通，掺混测试段上设有喷嘴安装口，掺混测试段的一侧壁面内部开设有一排用于安装金属圆柱棒圆柱孔，该侧还设有向外延伸的密闭空间，所述密闭空间与圆柱孔所在的侧面相对的面上设有用于安装透明玻璃的第一轨道；所述掺混测试段的出口处设有用于安装测温板的第二轨道；金属圆柱棒侧面开设有透视缝。本发明还公开了一种用于模拟发动机掺混的实验装置的模拟方法。本装置不需要大功率的加热和加压设备，其能够实现可视化测量。

Description

一种用于模拟发动机掺混的实验装置及其模拟方法

技术领域

本发明属于发动机射流掺混技术领域，尤其是一种用于模拟发动机掺混的实验装置及其模拟方法。

背景技术

液体射流与横向气流的掺混是一种强化气液流动与传热的重要方式，在工业及国防领域具有广泛应用，如航空发动机内液体燃料燃烧，涡喷发动机进气道射流预冷、大推力火箭的尾焰降温等过程。液体射流与横流的掺混主要包括液体的雾化、液滴扩散与蒸发、涡流卷吸夹带等过程，具有非线性和多尺度特征，目前在理论分析和完全数值计算方面仍存在挑战；实验研究是认识上述过程中气液两相掺混机制与规律的基础，常规实验室条件通常难以模拟实际发动机内掺混过程的高温高压环境，而热机原型实验代价成本高，同时高温高压条件也给流场参数的测量带来极大困难。目前对实际发动机内的上述过程仍缺乏经济有效的实验方法，制约了发动机内射流掺混气液两相流过程组织技术的发展以及发动机构型的优化设计。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供一种用于模拟发动机掺混的实验装置及其模拟方法。

为达到上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现：

一种用于模拟发动机掺混的实验装置，包括主流气体入口段，主流气体入口段与掺混测试段相连通，掺混测试段上设有喷嘴安装口，掺混测试段的一侧壁面内部开设有一排用于安装金属圆柱棒圆柱孔，该侧还设有向外延伸的密闭空间，所述密闭空间与圆柱孔所在的侧面相对的面上设有用于安装透明玻璃的第一轨道；

所述掺混测试段的出口处设有用于安装测温板的第二轨道；

所述金属圆柱棒侧面开设有透视缝。

进一步的，喷嘴安装口上安装有喷嘴；

所述喷嘴包括喷雾工质流道，液体工质流道外围设有冷却液流道，两者之间设有末端高于两者底部的挡板，冷却液流道上端两侧开设有进口和出口。

进一步的，所述密封罩体设在掺混测试段一侧组成封闭空间。

进一步的，掺混测试段内壁涂有哑光漆。

进一步的，掺混测试段的出口处安装的测温板为网状测温板。

进一步的，主流气体入口段的起始处设有安装法兰。

一种用于模拟发动机掺混的实验装置的模拟方法，包括以下步骤：

1)根据实际液体射流与高温气流掺混过程确定模化实验中的参数；

2)放置金属圆柱棒，掺混试验段此时处于完全封闭状态；

3)主流气体从主流气体入口段进入掺混测试段，液体工质经喷嘴完成雾化，雾化后的液滴与主流气体在气液掺混段中进行掺混并蒸发；

4)进行可视化测量，旋转待测量面的金属圆柱棒，使其透视缝垂直于气流方向，利用激光设备对透视缝所在横截面的流场信息进行测量，测量完毕以后，旋转金属圆柱棒以关闭该处透光通道；

5)测试流场横截面温度时，通过插入测温板至第二轨道测量。

进一步的，步骤1)包括：

101)根据实际过程中的液体射流与高温气流的掺混状态，计算出主流气体的雷诺数Re_g、喷雾初始液滴的平均雷诺数Re_d和喷雾-主流气体的动量通量比J^*，上述三个无量纲参数计算表达式如下：

式中：ρ_g和ρ_l分别是主流气体和喷雾液体工质的密度；u_g和u_d分别是主流气体速度和雾化液滴的初始速度；μ_g为主流气体的动力粘性系数；M_l和M_g分别为喷雾液体和主流气体的动量通量；d₃₂为初始雾化液滴的索太尔平均直径；q为喷雾液体的体积流率，D为掺混腔水力直径；

102)保持模化实验与实际过程中的掺混腔水力直径一致，确定模化实验中掺混测试段的边长；

103)根据模化实验条件，确定模化实验中加热空气的温度，进而根据主流气体的雷诺数相似的原则，确定模化实验中主流气体的速度；

104)选择一种低沸点液体作为模化实验中的喷雾液体工质，然后根据模化实验与实际过程两种情况下雾化液滴的蒸发距离和蒸发时间相等，来确定模化实验中喷雾液滴的初始粒径；

105)根据模化实验与实际过程两种情况下喷雾液滴的雷诺数相似的原则，基于模化实验中喷雾液滴的粒径和加热空气的温度、速度条件来确定模化实验中雾化液滴的初始速度；

106)根据模化实验与实际过程两种情况下喷雾-主流气体的动量通量比相似的原则，确定模化实验中喷雾液体的质量流率；

107)保持模型实验与实际过程两种情况下喷嘴的雾化锥角相等，进而基于模型实验中喷雾液滴的初始速度、粒径以及质量流率，对喷嘴进行选型，并确定喷射压力。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

本发明的一种用于模拟发动机掺混的实验装置及其模拟方法，通过分析喷雾式射流与主流气体的掺混蒸发机理，结合两相流体力学、传热学、颗粒动力学等理论，基于喷雾液滴群的扩散特性相似和液滴的热动力学蒸发过程相似两个方面，提出了喷雾式射流与主流气体掺混过程的相似性准则；进而针对发动机内高温高压环境中液体射流与主流气体的掺混过程，建立了在低参数条件下开展相似性实验的模化方法和模化实验各参数的具体计算方法，并设计了模化实验装置；本发明针对高温高压环境中喷雾式射流与主流气体掺混过程提出的模化实验方法，实现了射流液体在主流气体中扩散、分布与蒸发特性的相似以及流场结构和参数分布的相似；因此，可通过开展模化实验来研究实际过程中喷雾式射流与主流的掺混特性，解决了实际高温高压环境下喷雾式射流与主流气体掺混过程难以开展实验研究的难题；本发明提出的模化实验可在较低的气流温度和压力条件下开展，相比实际过程的原型实验，无需采用大功率的加热和加压设备，大幅降低能耗和实验费用，且噪声污染低；本发明提出的模化实验结构简单、占地面积小、容易实现，人力成本低；本发明实验装置侧壁安装可旋转的中部开缝的金属圆柱；能在不改变流场结构的前提下实现掺混流场的可视化测量；本发明采用水冷套冷却喷雾液体工质，可以调节喷雾液体的喷射温度，保证了喷雾液体初始温度的恒定，并且保护喷嘴内垫片不被熔化；本发明提出模拟方法的实验操作简单，实验周期短。

附图说明

图1为本发明的用于模拟发动机掺混的实验装置的俯视图；

图2为本发明的用于模拟发动机掺混的实验装置的左视图；

图3为本发明的用于模拟发动机掺混的实验装置的主视图；

图4本发明的喷嘴装置结构示意图；

图5本发明的测温板结构示意图；

图6本发明的实施例1得到的掺混流场横截面液滴分布图；

图7本发明的实施例1得到的掺混流场横截面温降分布图。

其中：1-安装法兰；2-主流气体入口段；3-密封罩体；4-喷嘴安装口；5-掺混测试段；6-金属圆柱棒；7-密封玻璃安装孔道；8-透视缝；9-热电偶探头；10-热电偶丝穿孔；11-喷雾工质流道；12-冷却液流道；13-挡板；14-喷嘴对接口；D为掺混测试段的管径；x为沿气流方向，测量的横截面到喷嘴所在处横截面的距离。

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：

参见图1至图3，图1、图2及图3分别为本发明的用于模拟发动机掺混的实验装置的俯视图、左视图及主视图；一种用于模拟发动机掺混的实验装置，包括连通的主流气体入口段2和掺混测试段5，主流气体入口段2入口处设有安装法兰1，掺混测试段5上设有喷嘴安装口4；掺混测试段5一侧面的内壁的壁面开设有若干圆柱孔，圆柱孔用于安装金属圆柱棒6，金属圆柱棒6的侧壁上设有透视缝8；圆柱孔所在的侧面外设有密封罩体3，密封罩体3与圆柱孔所在侧面相对的面上设有安装透明玻璃的第一轨道7；掺混测试段5出口处设有可抽取的测温板。

参见图4，图4本发明的喷嘴装置结构示意图；喷嘴装置内设有喷雾工质流道11，喷雾工质流道11外围设有冷却液流道12，两者之间设有挡板13，挡板13下端高于喷雾工质流道11和冷却液流道12的底部；冷却液流道12上端开设有进口和出口。

使用时，安装透明玻璃至第一轨道，所有金属圆柱棒的封闭侧对着流场，测温板从测温板插入孔插入；主流气体从主流气体入口段2进入掺混测试段5，喷嘴与喷嘴冷却装置连接后固定在喷嘴安装口4，冷却水从喷嘴冷却装置中冷却水通道流入，喷雾工质从喷雾液体工质入口进入后在经喷嘴完成雾化，雾化后的液滴与主流气体在掺混测试段5中进行掺混并蒸发；

在对掺混流场进行可视化测量时，确定需要测量的横截面，然后通过旋转该截面处的金属圆柱棒6，使得透视缝8垂直于气流方向，即可采用激光设备，如PIV对透视缝8所在横截面的流场信息进行测量，测量完毕以后，旋转金属圆柱棒6以关闭该处透光通道；测量其他截面时，按照相同的操作步骤进行。

流场横截面温度可直接通过网状测温板直接测量，参见图5，图5(a)和图5(b)为本发明的测温板结构示意图；热电偶探头9交叉固定在测温板的板面，热电偶丝粘附固定在铁丝上，热电偶探头9伸出测温度，该测温装置固定密封好，且对流场干扰小。铁丝交叉固定在测温板的板面，热电偶探头粘附固定在铁丝上，而偶丝通过热电偶穿孔10与采集装置连接，该装置密封良好，且对流场干扰小。

实施例1

一种热动力发动机内采用水与高温燃气进行掺混，掺混室结构为矩形腔，横截面尺寸95×95mm，长550mm，掺混室压力2.5MPa，燃气温度1500K，燃气质量流率0.92kg/s，燃气密度5.36kg/m³，水燃比为1.0，水的雾化粒径D32为120um，初始液滴速度22m/s，喷嘴雾化锥角80°嘴。采用本文提出的模化方法，模化实验中采用丙酮与加热空气进行掺混，掺混室结构尺寸与发动机掺混室相同(横截面尺寸95×95mm，长550mm)，掺混室压力为0.1MPa，加热空气温度为573K，空气流速26m/s，丙酮雾化液滴D32为40μm，初始速度20m/s，丙酮质量流率0.2kg/s，根据丙酮雾化特性、质量流率和雾化锥角对喷嘴进行选型。模化试验中，采用PIV对掺混流场横截面液滴分布进行拍摄，采用网状测温板对掺混流场横截面温度进行测量。

参见图6和图7，图6和图7分别为本发明的实施例1得到的掺混流场横截面液滴分布图及温降分布。从结果图中可以看出，模化实验获得了清晰的流场液滴分布信息，并得到了流场温度分布规律。根据获得的实验测试结果，可以进一步开展机理实验，获得更宽工况范围内的气液掺混流场信息，进而查清气液掺混规律，为实际发动机内的掺混过程优化组织提供指导。

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 (8)

1.一种用于模拟发动机掺混的实验装置，其特征在于，包括主流气体入口段(2)，主流气体入口段(2)与掺混测试段(5)相连通，掺混测试段(5)上设有喷嘴安装口(4)，掺混测试段(5)的一侧壁面内部开设有一排用于安装金属圆柱棒(6)圆柱孔，该侧还设有向外延伸的密闭空间，所述密闭空间与圆柱孔所在的侧面相对的面上设有用于安装透明玻璃的第一轨道(7)；

所述掺混测试段(5)的出口处设有用于安装测温板的第二轨道；

所述金属圆柱棒(6)侧面开设有透视缝(8)。

2.根据权利要求1所述的用于模拟发动机掺混的实验装置，其特征在于，喷嘴安装口(4)上安装有喷嘴；

所述喷嘴包括喷雾工质流道(11)，液体工质流道外围设有冷却液流道(12)，两者之间设有末端高于两者底部的挡板(13)，冷却液流道(12)上端两侧开设有进口和出口。

3.根据权利要求1所述的用于模拟发动机掺混的实验装置，其特征在于，所述密封罩体(3)设在掺混测试段(5)一侧组成封闭空间。

4.根据权利要求1所述的用于模拟发动机掺混的实验装置，其特征在于，掺混测试段(5)内壁涂有哑光漆。

5.根据权利要求1所述的用于模拟发动机掺混的实验装置，其特征在于，掺混测试段(5)的出口处安装的测温板为网状测温板。

6.根据权利要求1所述的用于模拟发动机掺混的实验装置，其特征在于，主流气体入口段(2)的起始处设有安装法兰(1)。

7.一种根据权利要求1-6任一项所述的用于模拟发动机掺混的实验装置的模拟方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)根据实际液体射流与高温气流掺混过程确定模化实验中的参数；

2)放置金属圆柱棒(6)，掺混试验段此时处于完全封闭状态；

3)主流气体从主流气体入口段(2)进入掺混测试段(5)，液体工质经喷嘴完成雾化，雾化后的液滴与主流气体在气液掺混段中进行掺混并蒸发；

4)进行可视化测量，旋转待测量面的金属圆柱棒(6)，使其透视缝(8)垂直于气流方向，利用激光设备对透视缝(8)所在横截面的流场信息进行测量，测量完毕以后，旋转金属圆柱棒(6)以关闭该处透光通道；

5)测试流场横截面温度时，通过插入测温板至第二轨道测量。

8.根据权利要求7所述的用于模拟发动机掺混的实验装置的模拟方法，其特征在于，步骤1)包括：

101)根据实际过程中的液体射流与高温气流的掺混状态，计算出主流气体的雷诺数Re_g、喷雾初始液滴的平均雷诺数Re_d和喷雾-主流气体的动量通量比J^*，上述三个无量纲参数计算表达式如下：

式中：ρ_g和ρ_l分别是主流气体和喷雾液体工质的密度；u_g和u_d分别是主流气体速度和雾化液滴的初始速度；μ_g为主流气体的动力粘性系数；M_l和M_g分别为喷雾液体和主流气体的动量通量；d₃₂为初始雾化液滴的索太尔平均直径；q为喷雾液体的体积流率，D为掺混腔水力直径；

102)保持模化实验与实际过程中的掺混腔水力直径一致，确定模化实验中掺混测试段(5)的边长；

103)根据模化实验条件，确定模化实验中加热空气的温度，进而根据主流气体的雷诺数相似的原则，确定模化实验中主流气体的速度；

104)选择一种低沸点液体作为模化实验中的喷雾液体工质，然后根据模化实验与实际过程两种情况下雾化液滴的蒸发距离和蒸发时间相等，来确定模化实验中喷雾液滴的初始粒径；

105)根据模化实验与实际过程两种情况下喷雾液滴的雷诺数相似的原则，基于模化实验中喷雾液滴的粒径和加热空气的温度、速度条件来确定模化实验中雾化液滴的初始速度；

106)根据模化实验与实际过程两种情况下喷雾-主流气体的动量通量比相似的原则，确定模化实验中喷雾液体的质量流率；

107)保持模型实验与实际过程两种情况下喷嘴的雾化锥角相等，进而基于模型实验中喷雾液滴的初始速度、粒径以及质量流率，对喷嘴进行选型，并确定喷射压力。