CN109885885B - 一种基于气固液三相耦合传热的喷嘴杆壁温预估方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于气固液三相耦合传热的喷嘴杆壁温预估方法，通过分析大量的数值模拟结果，获得在不同燃气和燃油边界条件下的燃油喷嘴杆外壁面局部温度分布经验关系式，且经验关系式的形式可以适应于任意喷嘴几何构型。用该方法对于一个截面只需测出一点局部温度就可以预估出该截面附近区域的外壁面平均温度，大大减少试验测量成本和难度，从而进一步可以获得喷嘴杆内壁面温度，当测量出整个油路沿程的局部温度后，即可以预估出沿程的壁面平均温度，从而更加精确的预估喷嘴杆内的结焦速率，有效地解决了燃油喷嘴杆的一维传热计算问题。

Description

一种基于气固液三相耦合传热的喷嘴杆壁温预估方法

技术领域

本发明涉及一种基于气固液三相耦合传热的喷嘴杆壁温预估方法，属于动力推进装置的燃油供应及测试技术领域。

背景技术

在现代动力推进装置中，供油管路及燃油喷嘴中常常出现结焦现象，结焦会堵塞流道，影响喷油的均匀性，甚至影响发动机的安全。结焦的生成是由于油管内的油温以及壁面温度的升高导致的。喷嘴为燃油管路系统中热环境最恶劣的部件，其需要承受高温气流的冲击以及火焰的辐射，燃油喷嘴内的温度远比在管路系统中其它位置的温度高。由结焦的物理化学原理以及实验结果可知，温度尤其是壁面温度是影响结焦生成的关键因素之一。因此，获得燃油喷嘴杆内壁面的精确温度是预估及预防结焦生成的有效手段。

在实际工程中，喷嘴杆内部的温度测量困难，因此需要通过传热学计算来获得。为计算得喷嘴杆内壁面的平均温度，常常需要测得外壁面的平均温度。但由于喷嘴杆位于高温燃气或其它流动流体的环境中，沿管道流向和横截面方向的外壁面温度都有很大变化，通过在喷油杆外壁面局部布点热电偶测得的是测点局部温度，并不能代表外壁面的平均温度，且喷油杆直径通常都较小，一方面沿横截面圆周没有足够空间布置很多测点，同时测点过多给测量成本和测量技术都带来很大困难，因此很难通过实际测量的手段来获得外壁面的平均温度，这就给喷嘴杆的一维传热计算带来了困难。

为此，本发明建立了一种获得外壁面局部温度与平均温度之间经验关系式的方法，可以有效地解决油管及燃油喷嘴杆的一维传热计算问题，可以通过单点局部测量温度来计算沿该横截面位置的外壁面平均温度，从而可预估计算出该位置内壁面平均温度。通过对油管沿程及喷嘴杆上不同位置的局部测量温度监测，即可了解油管内壁面温度及管内燃油温度，从而达到对管内结焦特性的预估和预防。

发明内容

发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种基于气固液三相耦合传热的喷嘴杆壁温预估方法，通过分析大量的数值模拟结果，建立喷嘴杆外壁面局部温度与平均温度之间的经验关系式，从而实现通过单点局部温度的测量来计算外壁面平均温度，大大减少试验测量成本和难度。

技术方案：为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种基于气固液三相耦合传热的喷嘴杆壁温预估方法，包括以下步骤：

1)建立喷嘴杆的二维简化模型，给出影响喷嘴杆外壁面温度分布的物理参数，从而确定目标函数——喷嘴杆外壁面局部温度分布的经验关系式

其中T(θ)为喷嘴杆外壁面θ角处的局部温度，T_w,out为喷嘴杆外壁面的平均温度；

2)通过气液固三相耦合传热的数值模拟方法计算大量不同工况下的喷嘴杆外壁面温度分布，再通过控制变量法获得各物理参数对外壁面温度分布的影响规律，在此基础上，确定影响经验关系式的具体无量纲参数，简化目标函数式；

3)使用专业数据分析软件对数值模拟计算获得的温度分布数据进行分析，确定由具体无量纲参数所组成的经验关系式的形式，并进行拟合，获得所求位置处的外壁面温度分布

关于具体无量纲参数的经验关系式；

4)根据步骤3)获得的外壁面温度分布关系式，代入实际测得的壁温值，得到测量位置处外壁面温度分布

关于具体无量纲参数的经验关系式，进而通过线性插值的方法来获得喷嘴杆外壁面任意点的局部温度与外壁面平均温度之间的关系。

进一步的，所述物理参数包括基于喷嘴杆模型的内外流动条件和结构参数。

进一步的，所述具体无量纲参数为若干物理参数组合而成的无量纲形式。

进一步的，所述专业数据分析软件为Eureqa软件。

进一步的，所述步骤3)拟合时通过选择拟合精度获得对应复杂度的经验关系式。

进一步的，还包括步骤5)：根据步骤4)获得的喷嘴杆外壁面局部温度分布的经验关系式得到外壁面温度分布计算值，通过修正系数k对外壁面温度分布计算值进行修正使其与实验值相等，并通过origin软件对修正系数k进行拟合，得到修正系数k的函数式及修正后的外壁面局部温度分布经验关系式。

进一步的，由于在进行一维计算时不同流态的实验关联式是不同的，为提高拟合精度，所述步骤3)和步骤5)进行相应拟合时对燃油处于层流及湍流状态(Ref<2300 和>2300)的情况进行分段处理。

有益效果：本发明提供的一种基于气固液三相耦合传热的喷嘴杆壁温预估方法，相对于现有技术，具有以下优点：

1、通过分析大量的数值模拟结果，建立喷嘴杆外壁面局部温度与平均温度之间的经验关系式，从而实现通过单点局部温度的测量来计算外壁面平均温度，大大减少试验测量成本和难度；

2、有效地解决油管及燃油喷嘴杆的一维传热计算问题，通过获得更加符合实际工作条件的外壁面平均温度，从而可以精确地预估出更符合实际工作的喷嘴杆内部油路热环境，以便于更精确地评估和预防喷嘴内的结焦。

附图说明

图1为本发明实施例中单油路圆形喷嘴杆的二维几何模型图；

图2为本发明实施例在大量不同边界条件下进行数值模拟计算的流程图；

图3为本发明实施例在不同燃气压力、流速下外壁面局部温度T(θ＝0°)与平均温度 T_w,out比值变化趋势；

图4为本发明实施例在不同燃油流速、温度下外壁面局部温度T(θ＝0°)与平均温度 T_w,out比值变化趋势；

图5、6分别为本发明实施例中复杂度为11和29的经验公式拟合效果；

图7、8分别为0°和180°处修正系数的拟合曲线；

图9为本发明实施例在燃气温度为700K时不同燃油流速下外壁面局部点温度T(0°) 随燃气流速变化的计算结果与实验结果的对比图；

图10为本发明实施例在燃气温度为700K时不同燃油流速下外壁面局部点温度 T(90°)随燃气流速变化的计算结果与实验结果的对比图；

图11为本发明实施例在燃气温度为700K时不同燃油流速下外壁面局部点温度 T(180°)随燃气流速变化的计算结果与实验结果的对比图；

图12为本发明实施例在燃气温度700K时经验公式的计算值在各验证工况点与实验值的误差；

图13为本发明实施例在燃气温度800K时经验公式的计算值在各验证工况点与实验值的误差。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案及效果更加清楚明确，以及参照附图并举实例对本发明进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

首先建立喷嘴杆的一维传热计算。该传热过程分为三个阶段：燃油与喷嘴杆内壁面的对流换热、喷嘴杆内外壁面热传导、热燃气与外壁面的对流换热，对这三个换热阶段均可以列出换热关系式。其中，由于喷嘴杆内燃油的流速变化较大，其在不同工况下的流态包含了转捩态与湍流态，因此，对于喷嘴杆内的对流换热，推荐使用范围较大的 Gnielinski公式。列出换热关系式，再加上燃油的热平衡方程，可以列出一维传热的方程组。一维传热方程组中，需要外壁面的平均温度作为已知条件，但是实验中热电偶只能测得外壁面的局部温度，因此该方程组仍缺少了一个计算外壁面温度分布的关系式。

这里以一个具体的喷嘴杆几何模型为例对本发明进行介绍。

图1为一种单油路圆形喷嘴杆的二维简化模型，喷嘴杆内部受燃油冷却，外部受高温热燃气加热，热量从外向内传递。图中各符号的意义分别为：d_in、d_out为喷嘴杆的内外径，对流换热系数为h_f，管道内部燃油的平均温度为T_f，内壁面平均温度为T_w,in，外部热燃气横掠过圆管，速度为U_g，温度为T_g，外壁面平均温度为T_w,out，θ表示外壁面某点与圆心的连线与主流方向的夹角，h(θ)与T(θ)分别代表外壁面θ角处局部对流换热系数以及该处壁面温度。

接着，针对这个模型，本发明具体采取如下的方法获得外壁面局部温度T(θ)分布：

第一步：确定目标函数。影响外壁面不同位置处的温度有多种因素，情况错综复杂。对于单油路圆形喷嘴杆，考察这种物理现象，若不考虑管道固体、燃油、空气等物性参数随温度的变化，则可能影响外壁面温度的因素仍有：外部空气或燃气的流动情况，内部燃油的流动情况，管道几何尺寸等，归结起来可以表达为：

式中，左侧为外壁面局部的无量纲温度，该温度可以是局部温度除以外壁面平均温度的形式

也可以是局部温度除以燃油平均温度的形式

不同形式得出最后的经验关系式不同，但获得的思路一致。

第二步：寻找参数的影响规律。直接寻找上式如此复杂的关系式几乎不可能，因此采用控制变量法，固定其他所有变量，更改其中一至两个变量，观测其对目标函数值的影响趋势。为了获得目标参数的影响趋势，需要对模型进行大量不同边界条件下的数值模拟并进行归纳总结。比如，对于单油路圆形喷嘴杆，选取不同的燃气压力、流速、温度，燃油流速、温度作为边界条件。

在计算机上自动计算的流程如图2所示，可以自动进行不同边界条件下的油管或喷嘴杆的气液固三相耦合流场数值模拟及计算结果处理，基于所得到结果分析每个参数对外壁面局部温度与平均温度比值的影响趋势，比如图3和图4分别分析了燃气流速U_g、压力P_g和燃油流速U_f、燃油温度T_f对温度比值

的影响。

第三步：总结各参数的影响规律，简化目标函数式。在上一步获得了目标函数随单个或多个变量的变化规律后，可以得出：外壁面的温度分布与燃油、热燃气的流速、温度、压力等参数均有关，但是热燃气的雷诺数影响最大。接下来进行下一步简化，热燃气的雷诺数Re_g作为最重要的变量，保留之，将其余变量进行两个或多个的组合，使其成为为无量纲形式。这样一方面可以减少变量的数量，也使得目标函数等式左右的量纲相同。简化后的目标函数式为：

式中，Re_g表示外部热燃气的雷诺数，Nu_f表示燃油的努塞尔数，T_g/T_f表示油管外热燃气温度除以燃油的温度。

第四步：确定具体的关系式形式。首先数值计算大量工况下的油管气液固耦合的流场，获得在每种工况下的外壁面温度分布。接着将各个工况计算获得的外壁面温度分布数据输入Eureqa软件中，利用软件进行分析。在计算结果页面，软件会给出在不同复杂度下的算式，复杂度低的算式拟合精度较差，复杂度高的算式拟合精度则较高(图5、图6分别代表不同复杂度算式拟合结果与拟合值之间的误差，数据点偏离直线越远表示拟合的误差越大)，在复杂度不同的算式中选择拟合精度即可。例如，对于单油路圆形喷嘴杆，选择了如下的关系式：

式中，a,b,c,d对于不同位置的点为不同的值。

第五步：选取某些点已经测得的壁温值，使用上述关系式进行拟合，可确定这些关系式中的常数值(a,b,c,d)。例如，对单油路圆形喷嘴杆，计算外壁面θ＝0°、30°、60°、 90°、120°、150°、180°处局部温度与外壁面平均温度比值的经验关系式，其余位置点通过这些点做线性插值即可得到，那么当测得该截面上任一θ位置处的温度值后，就可以获得该截面沿圆周方向的平均温度。至此，就获得了单油路圆形喷嘴杆外壁面局部温度与平均温度的经验关系式。

因此，有了局部温度分布后，使用温度分布的经验关系式，加上一维传热方程组，就可以在热电偶只测得外壁面局部温度而没有测得平均温度的情况下，对喷嘴杆进行精确的一维传热计算，从而获得油管或喷嘴杆的内壁面温度。

用实验测量结果与用本方法获得的关系式计算出的结果进行了比较，发现部分计算值与实验值之间的误差较大，因此需对公式进行一定的修正。由经验公式的形式可以看出，T(x＝θ)与Nuf、Reg、Tg、Tf及T_w,out有关，而Nuf、Reg、Tg、Tf对传热过程的影响均会体现在T_w,out上，此外，公式中的T_w,out的结果由一维计算得出，所用的传热实验关联式也存在一定误差，因此经验公式的误差主要集中在T_w,out上，采用对T_w,out乘以一个修正系数的方式进行结果修正。经验公式的形式可以改变为：

T(θ＝x°)＝kT_w,out(a+b×Nuf+c×Tg/Tf+d×Reg+1)

由于经验公式中对燃油处于层流及湍流状态进行了分段处理，即对上述经验公式中各系数的取值范围进行了分段处理，因此分别对Ref＜2300和Ref＞2300时进行修正，并用origin软件对修正系数进行了拟合，即通过对经验公式在某一θ角度下各工况的计算值乘以系数k使其与实验值相等，而后将这些系数k拟合成函数的形式，如图7、8 所示，分别为0°和180°处修正系数的拟合曲线。

最终整理得到的修正系数取值如下：

图7至图9分别展示了在燃气温度为700K时，燃油流速为0.5m/s，2m/s，3.5m/s 下外壁面三个局部点温度T(0°)，T(90°)，T(180°)的计算结果(修正后)与实验结果的对比。图10、11是修正后经验公式的计算值在各验证工况点与实验值的误差，以误差带的形式标注在图中(即图中两条横线与计算值之间包含的区域为计算值与实验值之间的误差范围)。从图中可以看出，修正后经验公式的计算结果与实验结果趋势吻合，且符合良好，除个别实验点外，计算值与实验值误差在10K左右，验证了本预估方法的准确性。

采用本发明的方法可以获得在不同燃气和燃油边界条件下的燃油喷嘴杆外壁面局部温度分布经验关系式，且关系式的形式可以适应于任意喷嘴几何构型。在发动机实验中，使用热电偶测得喷嘴杆外壁面局部温度后，使用本发明的方法，计算获得的局部测量温度与平均温度的经验关系式，首先获得外壁面的平均温度，从而进一步可以获得喷嘴杆内壁面温度，当测量出整个油路沿程的局部温度后，即可以预估出沿程的壁面平均温度，从而更加精确的预估喷嘴杆内的结焦速率。用该方法对于一个截面只需测出一点局部温度就可以预估出该截面附近区域的平均壁面温度，大大减少试验测量成本和难度。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种基于气固液三相耦合传热的喷嘴杆壁温预估方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)建立喷嘴杆的二维简化模型，给出影响喷嘴杆外壁面温度分布的物理参数，从而确定目标函数——关于喷嘴杆外壁面局部温度分布的经验关系式

其中T(θ)为喷嘴杆外壁面θ角处的局部温度，θ表示外壁面某点与圆心的连线与主流方向的夹角，T_w,out为喷嘴杆外壁面的平均温度；

2)通过气液固三相耦合传热的数值模拟方法计算大量不同工况下的喷嘴杆外壁面温度分布，再通过控制变量法获得各物理参数对外壁面温度分布的影响规律，在此基础上，确定影响经验关系式的具体无量纲参数，简化目标函数式；

3)使用专业数据分析软件对数值模拟计算获得的温度分布数据进行分析，确定由具体无量纲参数所组成的经验关系式的形式，并进行拟合，获得所求位置处的外壁面温度比值

关于具体无量纲参数的经验关系式；

4)根据步骤3)获得的外壁面温度分布关系式，代入实验测得的若干壁温值，得到测量位置处外壁面温度比值

关于具体无量纲参数的经验关系式，进而通过线性插值的方法来获得喷嘴杆外壁面任意点的局部温度与外壁面平均温度之间的关系。

2.根据权利要求1所述一种基于气固液三相耦合传热的喷嘴杆壁温预估方法，其特征在于，所述物理参数包括基于喷嘴杆模型的内外流动条件和结构参数。

3.根据权利要求1所述一种基于气固液三相耦合传热的喷嘴杆壁温预估方法，其特征在于，所述具体无量纲参数为若干物理参数组合而成的无量纲形式。

4.根据权利要求1所述一种基于气固液三相耦合传热的喷嘴杆壁温预估方法，其特征在于，所述专业数据分析软件为Eureqa软件。

5.根据权利要求1所述一种基于气固液三相耦合传热的喷嘴杆壁温预估方法，其特征在于，所述步骤3)拟合时通过选择拟合精度获得对应复杂度的经验关系式。

6.根据权利要求1所述一种基于气固液三相耦合传热的喷嘴杆壁温预估方法，其特征在于，还包括步骤5)：根据步骤4)获得的喷嘴杆外壁面局部温度分布的经验关系式得到外壁面温度分布计算值，通过修正系数k对外壁面温度分布计算值进行修正使其与实验值相等，并通过origin软件对修正系数k进行拟合，得到修正系数k的函数式及修正后的外壁面局部温度分布经验关系式。

7.根据权利要求6所述一种基于气固液三相耦合传热的喷嘴杆壁温预估方法，其特征在于，所述步骤3)和步骤5)进行相应拟合时对燃油处于层流及湍流状态进行分段处理。

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