空心圆锥雾化喷嘴喷雾实验与数值研究

本文研究工作的主要目的是通过实验与数值模拟方法研究空心圆锥雾化喷嘴的喷雾特性。为此,在上海交通大学叶轮机械研究所设计建立了一通用喷雾实验系统平台。该通用喷雾实验系统平台依靠离心水泵提供喷射压力0-20 bar、流量0-1000 kg/h之间的无级调节喷射水源。利用实验室通风风机无级调节引风风速与流量,消除了位于静止空气中喷雾液滴的翻卷、反弹,为喷雾实验测量创造了良好的条件。 在通用喷雾实验系统平台基础上,首先完成了对本文研究的空心圆锥雾化喷嘴压力—质量流率曲线的标定,为进一步的喷嘴喷雾实验与数值模拟提供了重要的基础数据。 本文的研究工作可以归纳为以下两个方面: (一)单空心圆锥雾化喷嘴喷雾实验测量与数值模拟分析 采用粒子图像速度仪PIV完成了单个空心圆锥雾化喷嘴在四个喷射压力P=4、8、12、16 bar工况下,经过喷孔轴线竖直平面的喷雾液滴实验测量;获得了喷雾液滴的总体速度信息、轴向速度分量、径向速度分量以及喷雾液滴与周围空气发生卷吸产生的涡量分布。分析讨论了在不同喷射压力工况下空心圆锥雾化喷嘴的喷雾特性。 在PIV实验测量获得的喷雾液滴图像基础上,采用PTV分析,获得了两个低喷射压力工况下的喷雾液滴速度与粒径信息。 采用FLUENT软件,对四个实验工况下的空心圆锥雾化喷嘴喷雾特性完成了二维数值模拟分析。喷雾模拟采用线性不稳定液膜雾化模型,结合欧拉-拉格朗日耦合算法,分别模拟空气与喷雾液滴流场,获得了四个喷射压力下喷雾液滴的轴向速度分量、径向速度分量、液滴平均粒径以及位于喷孔出口下方四个轴向距离X=10、20、40、80 mm半径方向上的液滴平均粒径离散数量概率分布。结果表明,数值模拟方法基本上可以实现空心圆锥雾化喷嘴的喷雾特性模拟。数值模拟为进一步研究空心圆锥雾化喷嘴在不同喷射压力工况下的喷雾特性提供了重要参考数据。 将喷射压力P=4 bar工况下的喷雾液滴轴向速度分量、径向速度分量的PTV分析结果与数值模拟结果进行了对比,两者在量上基本吻合。 (二)双空心圆锥雾化喷嘴喷雾相互干涉实验测量与数值模拟分析 利用双模相位多谱勒速度仪DualPDA测量了两个空心圆锥雾化喷嘴平行布置,喷孔轴线水平距离D=40 mm、喷射压力P=8 bar时喷雾相互干涉条件下,距离喷孔出口轴向距离Z=40 mm一水平面内的喷雾液滴,获得了液滴的二维速度与粒径信息。分析讨论了该测量面内的液滴轴向速度分布、径向速度分布、平均粒径D10分布、索特平均粒径D32分布、平均粒径D10的离散数量概率分布以及平均粒径D10与轴向速度相关分布。对认识两个空心圆锥雾化喷嘴喷平行布置时,相互干涉的喷雾在水平面内的喷雾特性提供了参考。 采用因次实验设计方法,对两个喷射压力、两个喷孔轴线水平距离四个工况下,两喷孔轴线所形成的竖直平面内的喷雾液滴进行了粒子图像速度仪PIV实验测量分析。获得了两个喷嘴喷雾相互交叉、干涉时的液滴总体速度信息、轴向速度分量、径向速度分量以及喷雾液滴与周围空气发生卷吸产生的涡量分布。初步探讨了两个空心圆锥雾化喷嘴喷雾交叉区域的喷雾特性。 采用FLUENT软件,对两个空心圆锥雾化喷嘴平行布置,喷孔轴线水平距离D=40 mm、喷射压力P=8 bar时喷雾相互干涉进行了三维数值模拟分析。重点考察了从喷射开始t=0.0025、0.0050、0.0075、0.0100 s四个时刻,喷雾相交干涉时的整体液滴轴向速度、径向速度以及平均粒径分布。