CFDPro | 航空发动机的横向射流雾化模拟

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为降低发动机污染物排放，航空发动机低污染燃烧技术逐渐引起重视。在低污染燃烧技术中，燃料雾化程度以及燃料空气混合程度的好坏都是影响燃烧室内燃烧效率及排放性能的关键。

图1 航空发动机

横向射流是一种简单高效的雾化方式，能够依靠浮力增强射流的穿透深度。在雾化过程中，射流角度、射流速度、来流速度及喷嘴孔径等参数均会影响射流的雾化效果。由于燃油在横向气流中的破碎及油气掺混均匀性对污染物的生成、燃烧性能以及燃烧不稳定性等均有重要影响。

本案例采用行业专用流体仿真软件CFDPro对单喷嘴射流在横向来流中发生雾化和掺混过程进行模拟仿真，并对比分析不同喷射角度和喷嘴尺寸的射流雾化效果。

计算模型及网格划分

图2为计算区域模型及纵剖面计算网格图，整个计算域尺寸为22D×6D×11D（D为孔径），网格量333万。喷嘴口与射流破碎区域射流与空气交界面变化复杂，为更清晰捕捉到雾化现象，计算域内局部网格进行加密处理，网格最小单元尺度为Δmin= 26μm。

图2 计算域模型及纵剖面网格

计算域入口采用速度边界，出口采用压力边界，喷嘴底面为无滑移壁面，两侧为对称面。

数学模型及工况

采用非稳态方法模拟射流在横向气流中的雾化过程。

湍流模型和界面捕捉是研究射流破碎和雾化的关键。湍流模型能有效描述流态湍流状态；界面捕捉方法可以有效捕捉精细的破碎雾化结构，尤其是一次雾化及液体结构的复杂运动，并获得雾化发展过程。本案例采用超大涡（V-LES）湍流模型和Level Set界面捕捉方法。

超大涡（V-LES）湍流模型

超大涡模拟（V-LES）与大涡模拟（LES）的区别在于超大涡模拟（V-LES）的过滤尺度不再是网格尺度，而是介于网格尺度和宏观尺度（如管道直径）之间的一个值。当过滤尺度大于网格尺度时，超大涡模拟（V-LES）与雷诺时均（RANS）模型近似；当过滤尺度接近网格尺度时，超大涡模拟（V-LES）近似大涡模拟（LES）。因此，可以认为V-LES是U-RANS与LES之间的过渡，而在效率与精确性的平衡上优于URANS与LES。

Level Set界面捕捉方法

Level Set界面捕捉方法是一种常见的界面捕捉方法，该方法用光滑的LS函数捕捉界面，界面法向的计算精度高，复杂界面处理能力强，可以很好的捕捉到雾化发展过程，故本文采用Level Set方法对雾化过程进行研究。

射流速度设定为30m/s，来流速度设定为30m/s，这里共开展了三种射流角度和三种喷嘴孔径下的横向射流雾化模拟，共计5种工况，具体工况参数如下所示。

工况编号	射流角度（°）	喷嘴孔径（mm）
1	90	0.3
2	90	0.5
3	90	0.8
4	60	0.5
5	120	0.5

仿真结果分析

不同时刻下的雾化状态

以下为采用CFDPro针对工况2进行仿真得到的结果：

图3 工况2仿真结果

选取工况2某时刻的射流液面状态进行分析，如图4所示。

液面状态

中轴面上的流动状态（速度）

中轴面上的流动状态（涡量）

图4 工况2某时刻射流液面仿真结果

由图4可以看到，在射流液柱轴向上存在大尺度扰动传播，这些扰动在射流表面出现后，沿轴向逐渐增长，幅度增长到足够大后会最终导致射流液柱破碎、坍缩成块状液体。同时也能观察到射流边缘的周向小尺度扰动，尤其是射流侧翼，这种轴向扰动的形成和发展最终导致了射流侧翼的流体破碎。

图5为射流中心的中轴面上Y方向涡量随时间发展的云图。可以观察到射流随着时间的推移，穿透深度不断增加，最终达到相对稳定的状态。

图5 工况2中轴面上Y方向涡量发展过程

可以从图5中轴面的迎风面观察到轴向大尺度扰动的传播。同样地，背风面也存在类似的扰动，而且比迎风面更加复杂和不规则。从涡量分布来看，背风面的涡量结构也更为复杂，这是因为背风面气流扰动更不规则。

图6 工况2中轴面上压力分布（白色实线是气液界面）

图6是工况2中轴面上压力分布，可以观察到射流的迎风面和背风面存在明显的高气压区和低气压区，压差导致了液面变形。从数值模拟的结果来看，射流破碎是两种扰动共同作用的结果：轴向扰动导致射流液柱破裂；周向扰动导致两相界面破裂。

为更好地观察液柱破碎和雾化现象，在射流液柱的不同高度设置了截面，如图 7所示，分别是从迎风面驻点到射流侧向的压力和涡量Z分量的分布云图。

图7 工况2不同高度截面上压力和涡量分布（白色实线是气液界面）

从压力云图上观察到，由于射流周向压力的不同（迎风面气压高，背风面气压低），射流截面会发生变形，而且这种变形在远离喷嘴口地方更强烈（Z=1.0-2.0mm），在喷嘴口附近（Z=0.5mm）变形不明显。

从图 7上可以观察到迎风面和背风面小扰动的形成，迎风面的扰动存在规律性，而背风面扰动由于低压复杂气流的影响显得不规则。当迎风面的扰动振幅增长到足够大，界面上就形成了扰动波纹。随着扰动波纹逐渐向射流背风面发展，液柱急剧变形成为片状液块，这些液块最终会分解成小液滴。

不同射流孔径和角度对雾化效果的影响

图8是工况1、2和3模拟结果，孔径D分别为0.3mm、0.5mm和0.8mm。

图8 孔径D(0.3mm、0.5mm和0.8mm)喷嘴垂直来流入射的射流状态

通过观察不同孔径射流的雾化状态，可以发现：孔径越小，雾化效果越好，同时液滴含率越小，液柱穿透距离越小。对液相含率、雾化粒径分布和穿透距离综合分析，可以得到合适的孔径。

图9是工况4、2和5计算结果，射流与横风呈60°、90°和120°角度。

图9 孔径0.5mm的射流与来流呈60°、90°和120°入射的射流状态

通过观察不同入射角度的雾化状态，可以发现：入射角60°时，相对速度小，雾化效果差，但动能损失最小；入射角120°时，相对速度大，雾化效果好，动能损失大，且液滴分布不均匀；入射角90°时，综合来看，垂直横风液滴均匀性和雾化效果较好。

采用行业专用流体仿真软件CFDPro模拟分析航空发动机的横向射流雾化过程，结果表明，导致射流表面破裂的扰动从喷嘴附近开始出现并沿射流轴向进一步发展。在两相界面区域，横向气流与射流存在相对速度，速度差导致界面出现不稳定性扰动。不稳定性的增长则导致界面波纹出现并使液柱变形为片状结构，薄片会进一步变薄破裂并产生液丝和液滴。通过对比不同入射角度和喷嘴尺寸射流的雾化效果，分析入射角度和喷嘴尺寸对液相含率、雾化粒径分布和穿透距离等雾化特性的影响，有助于工程应用中选择最合适的喷嘴，优化雾化性能。