燃油喷嘴内部流动和油膜破碎的数值模拟

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1、2010年2月沈阳航空工业学院学报第27卷第1期JournalofShenyangInstituteofAeronauticalEngineeringFeb．2010V01．27No．1文章编号：1007—1385(2010)01-0018-04燃油喷嘴内部流动和油膜破碎的数值模拟年帅奇徐让书(沈阳航空工业学院动力与能源工程学院，辽宁沈阳100136)摘要：本文采用VOF法对某航空发动机离心式喷嘴主油路的两相流进行模拟，得到了不同流量时喷嘴内部压力分布、速度分布及喷雾半锥角等参数；采用realizable，c一占模型和雷诺

2、应力模型进行了模拟；将实验数据、经验公式和模拟得到的数据进行对比分析，模拟结果比较理想；捕获了喷嘴下游油膜的初级破碎。关键词：离心式喷嘴；两相流；VOF法；初级破碎中图分类号：V231．2+3文献标识码：A航空发动机燃烧室的尺寸小、内部流速快、燃油停留的时间短。因此，燃油喷嘴的雾化性能对燃烧室乃至航空发动机的稳定工作有着重要意义。目前，双路离心式喷嘴以其稳定燃烧范围广、点火性能好、喷雾质量好、结构结实等优点仍广泛的应用于燃气轮机及航空发动机领域。近十年，计算机硬件技术的飞速发展；同时CFD软件及其计算模型也日益完善。这使得

3、喷嘴雾化的数值模拟越来越多的应用于科研及工程实践中。国内外诸多资料表明，喷嘴内部流动尤其是喷口附近的流场分布跟雾化是紧密联系的。孔德英等用VOF法模拟了离心式喷嘴内的气液两相流场；杨建辉等运用经验公式对离心式喷嘴的液膜破碎厚度和索太尔平均直径进行了预测。国外，Han等在离心式压力雾化喷嘴雾化过程模拟资料里给出了离心式压力雾化喷嘴的破碎长度的半经验公式⋯；SchimidtDP等提出线性不稳定液膜雾化模型【2J。本文用VOF法对某航空发动机离心式喷嘴的主油路内外两相流场进行三维模拟；对不同工况进行模拟，得到了供油压力一流量的变

4、化曲线和供油流量一喷雾半锥角的变化曲线；分析了realizablek一8湍流模型和雷诺应力湍流模型的适用性；将喷嘴内部流动和喷口下方油膜的初级破碎行为一同模拟，把流场上游喷嘴内的参数变化同下游的破碎联系到一起。对以往喷嘴两相流模拟方式做了改进，达到了预期的研究收稿13期：2009—09—27作者简介：年帅奇(1983一)，男，新疆奎屯人，在读研究生，主要研究方向：航空发动机数值仿真，E—marl：nianshuaiqil983@163．目的。1计算模型离心式喷嘴数值模拟要考虑的计算模型可分为两方面：多相流模型和湍流模型。1

5、．1多相流模型气液两相流模拟的关键是捕获相界面。目前捕获气液相界面的方法有两种：VOF方法和LevelSet方法。Levelset法虽然分析思路简单，但求解过程复杂，目前仅限于简单的两相流动的模拟。VOF法发展较成熟，可表示复杂的界面结构变化；计算相对简单可用于实际问题计算；界面锐利程度高旧J。因此本文采用VOF法对燃油喷嘴中的两相流动进行模拟。VOF法的原理是基于两种或多种流体(或相)是互不渗透的假设，对于引入模型中的每一相引入一个称为单元相体积分数的变量。每个控制容积中，所有相的体积分数之和为1。根据体积分数的值表示单

6、元内的一相或者多相的变量和物性。依据单元中各相流体体积分数对气液相分界面进行重构，捕获相界面。1．2湍流模型本文采用两种湍流模型对离心式喷嘴两相流动进行模拟：realizableK一占湍流模型；雷诺应力湍流模型。realizableK—s湍流模型的特点是能够较好的模拟旋转流动、逆压梯度较大的边界层流动、流动分离和二次流；雷诺应力湍流模型是采用二阶矩封闭方法准确模拟强湍流中各向异性效应。所以，雷诺应力湍流模型能更好的模拟流线型弯曲、第l期年帅奇等：燃油喷嘴内部流动和油膜破碎的数值模拟19漩涡、旋转和张力快速变化等情况。2几何

7、模型和网格离心式喷嘴主油路几何模型和网格如图1。图1喷嘴几何结构及网格为兼顾网格质量与计算周期，取主油路的1／6来进行模拟。图中依次标出了进口，旋流槽，旋流室，破碎区。3模拟结果与分析模拟采用的燃油密度为804kg／in3，动力粘度为0．0024kg／m．s，表面张力系数为0．024N／m。假定气液两相之间不存在化学反应和物理相变，且不考虑相间和相内的热交换；流动按照不可压处理。3．1流场等值线分布图2为纵截面的静压以及速度大小分布。其中，左侧为压力等值线，单位Pa；右侧为线及速度等值线，单位m／s。分析流场参数可知，静压

8、在旋流槽进口、出口部以及旋流室后半段变化很大。同样燃油流经旋流槽时后因截面积变化速度先增大后变小；随后燃油在选留室中旋转加速；最后在喷口附近达到最大速度。从截面的流场分布图中发现，由于截面积突缩导致燃油流人旋流槽后产生了漩涡和二次流，导致总压损失较大；在旋流室后半段至喷口处的流场参数变化很大。因此这两部