空气旋流引射喷嘴设计理论与实验研究

摘要

旋流引射是指利用一种流体旋流形成低压区而引射另一流体的介质输运方式，空气旋流引射喷嘴（Air Swirled Ejector Nozzle，ASEN）则是通过高速旋转空气形成低压区引射燃油的新型喷雾结构，应用于轻油喷雾燃烧。喷嘴的油气混合和雾化质量是影响油雾燃烧的关键。本文采用理论分析、实验研究和数值模拟相结合的方法，以引射系数、雾化粒径、喷嘴出口截面两相流体积分布和雾化锥角等作为评价指标，探讨操作、物性和结构等参数对喷嘴内外流场的影响规律，归纳总结喷嘴设计方法，并利用Visual Basic软件实现ASEN的程序化设计。 首先，基于空气动力学原理建立ASEN理论分析模型。分析表明，气流内部强制涡的旋流指数为n=-1 ，外部准自由涡的旋流指数为n=0.25；推导出适用于可压缩有黏性旋流气体三相速度和压力沿径向的分布规律，并据此得到旋流气场引射液量比例调节关系。 其次，利用APV激光测试系统开展喷嘴流量及雾化特性规律实验研究。结果表明，喷嘴引射性能随粘度的增大而逐渐减小；当气压升高到一定值时会导致气封现象的出现，故喷嘴引液量随进气压的增大呈现先增大后减小的变化规律，并与理论计算结果进行了对比验证；燃油进口直径d0对进气量影响甚微，但引液量随进口直径d0的增大而增大，进气量和引液量均随喷嘴出口直径D的增大而增大；喷嘴索泰尔平均直径SMD随进气压的增大而减小，雾化效果较好。 最后，利用数值模拟软件Fluent开展喷嘴气体单相和气液两相流数值研究。结果表明，旋流气体压力沿径向呈“V”型分布，当进气总压pg=0.2 MPa 时，涡核处真空度最大；旋流气体速度沿径向呈“M”型分布，与理论计算结果相吻合；喷嘴出口下游区域的液相体积分数在0~0.05之间；根据各参数对引射性能影响规律的计算结果得到最优喷嘴结构尺寸，其引射量比相同工况下的原型喷嘴增大1倍。根据模拟结果利用1stOpt软件得到引射系数与各结构参数的关系曲线。 理论、实验和数值研究结果基本吻合，相对误差在 7%以内，证明了模型简化与计算方法的可行性。综合上述研究，基于Visual Basic语言编写出ASEN的设计软件，用于指导ASEN工程设计。

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