孙慧娟;张海滨;白博峰
【摘 要】The influences of spray angle on the mixing of evaporating spray droplets in the crossflow were investigated via a numerical simulation to obtain the optimum spray angle that leads to an enhanced mixing and an improved cooling effect. An evaluation criterion for mixing effect and degree of mixedness,was proposed. Based on the well validation with the experiment,the distributions of crossflow temperature,flowfield structures and curve of mixing degree under five spray angles of 40° ,60° ,80° ,90° and 100° were numerically obtained. The results show that the cooling effect increases with the increase of spray angle,while the mixing degree reaches the maximum when the spray angle is 90° and then decreases with the continuous increase of spray angle. The symmetrical vortex pairs under the small spray angle contribute to the mixing in certain regions. However,an improved mixing uniformity can be achieved with a larger spray angle attributed to the multi-scale vortex pairs. The spray angle within the range between 90° and 100° is preferred in terms o
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f both the mixing degree and the cooling effect.%通过数值模拟方法研究了雾化锥角对蒸发的喷雾液滴在横流气体中掺混特性的影响,寻求强化掺混和提高温降效果的雾化锥角.提出了评价掺混水平的方法,在与实验吻合的基础上,获得了40°、60°、80°、90°和100°雾化锥角下气相温度的概率分布函数规律、流场结构和两相掺混度曲线.结果表明,随雾化锥角增大,温降效果提高,而掺混度先增大,雾化锥角90°时达到最大值,继续增大雾化锥角,掺混度降低；小雾化锥角时产生对称多涡对结构,在一定区域内促进掺混,而较大雾化锥角时产生混乱的多尺度涡结构,有利于整个掺混截面的温度均匀分布；综合考虑掺混度和温降效果,90°～100°为优化喷雾雾化角. 【期刊名称】《固体火箭技术》
【年(卷),期】2013(036)001
【总页数】6页(P50-55)
【关键词】喷雾;横流;掺混;蒸发;雾化锥角
【作 者】孙慧娟;张海滨;白博峰
【作者单位】西安交通大学动力工程多相流国家重点实验室,西安 710049
【正文语种】中 文
【中图分类】V430
太阳能灯笼0 引言
水雾通常用于消防、加湿、冷却、食品加工行业等，近年来，水雾应用到水下动力系统中，为动力装置提供氧化剂、做功工质和冷却剂。以水冲压发动机为例，从燃烧室排出的混合燃气进入掺混室，水雾沿着垂直于掺混室圆管轴线方向进入，与混合燃气横向交叉混合，完成水雾蒸发和两相掺混过程，实现混合气体降温和增加喷管做功工质的作用。较高的温降效率和较好的掺混效果，对于提高发动机的推力至关重要。国内外对水冲压发动机的研究多侧重于金属燃料［2－8］、理论性能［9－13］、结构组织方式［14－16］、热力计算［17－19］及流场预示［20－22］等方面，缺乏对掺混机制的探索。因此，有必要研究不同因素影响下的两相掺混机制，为发动机的设计提供理论依据。
在喷雾射流与横流气体的掺混中，随着射流对横流的卷吸，在横流中扩散的液滴被夹带，
气相涡结构不断长大，在有限空间内发展，涡结构对两相掺混的影响很大。Salewski和Fuchs［23］采用大涡模拟证明反旋涡对(CVP)是一个主要的涡结构，液滴的扩散依赖CVP的强度。Bai等［24］通过 PIV观察到在受限空间内，CVP是影响掺混的主要涡结构，且形态受入射角度影响较大。Choi等［25］用米氏散射技术测量横流中的燃料雾化结构，发现在喷雾底部形成两个独立的旋涡，认为旋涡是由燃料与喷嘴壁面间的摩擦产生的剪切力造成的，旋涡卷吸横流气体到喷雾中，有利于强化掺混。Panão和 Moreira［26］揭示了横流条件下，壁面附近的 3维涡是影响喷雾和壁面作用的主要因素。除了涡结构，喷雾在横流中的研究还涉及液滴速度分布、直径分布、破碎、蒸发及控制掺混过程机理的探索［27－30］。通过大量研究，学者们普遍认识到雾化压力［31］、液体流量［32］、液滴/横流速度比［28］和密度比［33］等对近喷雾区和远场的液滴分布和喷雾结构均有不同程度的影响，喷雾和气流的相互作用同样也会影响液滴蒸发、液滴破碎和喷雾轨迹。
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前期工作［34－35］从冷态掺混角度分析了不同水气比、喷嘴雾化角度、液滴直径、喷嘴入射角度对液滴和横流气体的掺混过程影响。对冷态而言，液滴分布是衡量掺混的因素;而对热态来说，温度分布则是一个重要指标。对涡结构的影响因素很多，本文研究喷雾雾化锥角对蒸发的喷雾液滴在横流中掺混的影响，从掺混度和温降效果两方面衡量雾化锥角
对有相变的两相掺混的影响程度，分析温度分布规律和流场规律，获得对掺混过程的认知，为水冲压发动机概念原型的优化设计和参数组织方式提供理论依据。
1 数学模型
脱标机1.1 连续相模型
对于喷雾横流两相流动，采用离散颗粒轨迹模型，连续相的数学描述采用欧拉方法，离散相采用拉格朗日方法描述，在商业软件FLUENT的基础上计算。根据质量、动量、能量和组分守恒，连续相采用Realizable k－ε 湍流模型，统一为
流场的数值求解采用SIMPLE算法，控制方程的离散格式采用二阶迎风格式。
1.2 离散相模型
不考虑喷雾液膜的破碎、液滴的形成过程细节，只关注喷雾初始形态和产生液滴的统计直径。采用压力－旋流雾化模型，即Schmidt等［36］提出的线性非稳定液膜雾化模型，把液滴加入横流气体。采用TAB模型［37］考虑喷雾液滴的破碎，采用O＇Rourke统计颗粒模型［38］考虑颗粒的碰撞和聚并，主要考虑拖曳力和重力，液滴受力平衡方程为
其中:
式中 ug和up分别为气相和液滴速度;μg为气体动力粘度;CD为拖曳力系数;Rep为颗粒雷诺数;τp为颗粒速度弛豫时间;Dp和ρp分别为液滴直径和密度。
湍流的影响通过颗粒随机步进模型考虑，计算液滴运动时，气相瞬时速度由平均速度和脉动速度构成:
空气雾化喷嘴
两相间动量交换为
海参软胶囊假设传热和传质速率相等，液滴蒸发速率为
通过对流传热和潜热间的平衡得到液滴温度:
两相间质量交换为
能量交换为
式中 λg为气体热导率;cp，g、cp，p分别为气体和液滴的比定压热容;BM为传质系数;L为液体的潜热。
动量、质量和能量交换作为气相方程求解的源项来实现双向耦合。
液滴和壁面作用采用反弹模型［39］。反弹后的法向van和切向速度vat为
其中，e为恢复系数，表示成液滴入射方向和壁面夹角θi的函数:
2 几何结构及模拟条件
计算采用的几何模型为长500 mm，内径95 mm的圆柱腔，4个旋流雾化喷嘴垂直圆柱且沿周向均布在距离圆管入口100 mm处，见图1。水由喷嘴雾化成索太尔直径一定的小液滴，以不同的雾化锥角进入圆柱腔，在横流气体作用下进行蒸发和掺混。
图1 几何结构Fig.1 Geometrical structure
气相(空气)入口速度30 m/s，温度600 K，掺混室压强101 325 Pa。单喷嘴流量 0.02 kg/s，液滴 D32为150～160 μm，初始温度300 K，喷嘴垂直入射(图1中α =90°，β =0°)，雾化锥角(图1 中 φ)为40°、60°、80°、90°和 100°。
3 结果与分析
3.1 实验验证
将数值模拟结果与自行设计实验的结果进行对比。实验段为截面95 mm×95 mm的矩形腔，入口空气温度673.15 K，速度30 m/s。实验系统可参见文献［24］。单喷嘴丙酮流量0.001 kg/s，初始温度284 K，初始液滴D32=48 μm，雾化锥角80°。图2比较了喷嘴后不同横截面竖直中心线的温度降(Dc－n表示当前截面与喷嘴所在截面的距离)，图2显示模拟和实验结果吻合较好。
图2 实验与模拟的横截面竖直中心线的温度降比较Fig.2 Comparsions of temperature drops at the center lines of the cross sections between experimental and simulation results
3.2 不同雾化锥角的掺混结果
根据冷态气液掺混的研究结果［34］发现，雾化角度120°时，液滴分布明显不如90°均匀，随着雾化角度的逐渐增大，液滴分布更不均匀。基于该考虑，雾化角度在大于90°时只取100°。研究了5种雾化锥角40°、60°、80°、90°和 100°下的喷雾在横流中的蒸发掺混过程。
以掺混室出口的温降水平和掺混效果作为判别雾化锥角对掺混过程利弊的准则。温降效果为
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