用于高压非牛顿流体的雾化射流喷嘴装置及雾化方法

摘要

本发明提供一种用于高压非牛顿流体的雾化射流喷嘴装置及雾化方法，装置包括外壳、内壳和Z型旋流器。外壳的圆周方向上均匀设有氧化剂喷孔，氧化剂喷孔的底部设有喷孔出口，外壳的内部安装端和内壳的外部安装端连接，内壳的内部靠近顶部的位置设有直面安装端，直面安装端和Z型旋流器连接，内壳的内部靠近底部的位置设有斜面安装端，斜面安装端和沟槽流道连接，Z型旋流器和沟槽流道的中部设有内孔，内孔的顶部设有轴心氧化剂入口，内孔的底部设有轴心氧化剂出口，沟槽流道的底部设有旋流喷嘴出口，Z型旋流器的外壁均匀设有Z型旋流器入口。本发明减小了非牛顿流体的流动阻力，提高流动速度，获得最佳流动速度，从而减少在喷嘴内部停留时间。

说明书

技术领域

本发明涉及射流喷嘴领域，特别涉及一种用于高压非牛顿流体的雾化射流喷嘴装置及雾化方法。

背景技术

液体射流在众多工业领域中都有着重要的应用，例如在燃油锅炉、内燃机、燃气、轮机、吸气式发动机和火箭发动机等动力装置中，液体燃料在进行燃烧前都要通过喷嘴以液体射流喷射的方式进行雾化。近年来，以凝胶推进剂为代表的非牛顿流体作为燃料在冲压发动机和火箭发动机上具有越来越广泛的应用前景，从流体的物理属性上看，凝胶推进剂同时具有固体推进剂储存时间长以及液体推进剂推力易调节等优点，是一种极具前景的新型推进剂。

雾化射流喷嘴是产生雾化的核心部件，非牛顿流体在喷嘴内的流动阻力以及外部射流器的碰撞效果决定了射流雾化的效果。由上述射流雾化产生的条件可知，最佳雾化效果不仅与非牛顿流体的流动速度有关而且还与射流器的碰撞效果有关。但在实际应用过程中，非牛顿流体由于其自身的高黏度和非线性的流变特性，在实际使用中的雾化效果并不理想，因此雾化喷嘴至今还没有形成正规产品，只在一些专用设备上有所应用。

例如专利201711143593.7中，其空气流道由内而外分为四个旋流流道，而燃料流道分为主级燃料流道和副级燃料流道；专利201420733445.6和专利201420547162.2中，其沿轴向均采用两级旋流器，强化燃料和空气混合，提高喷嘴出口燃料和空气的混合均匀度。通过分析可知，上述喷嘴沿径向或轴向增加旋流通道，虽然能提高燃料和空气混合均匀性，但是由于非牛顿流体自身的流阻大，雾化效率和雾动量较低，导致燃料混和后燃烧不充分，且无具体的防范发生自燃、回火等措施。针对上述问题，本发明提出一种用于高压非牛顿流体的雾化射流喷嘴装置及雾化方法。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明提供一种用于高压非牛顿流体的雾化射流喷嘴装置及雾化方法，通过对Z型旋流器中Z型旋流器入口和沟槽流道的结构进行设计，从而使得非牛顿流体产生旋流式流动，通过沟槽流道减小非牛顿流体流动阻力，提高非牛顿流体的流动速度，从而减少在喷嘴内部停留时间；最终通过轴心氧化剂出口和喷孔出口喷射出的氧化剂进行两次雾化碰撞，来提高整体雾化效果的雾动量。

本发明提供了一种用于高压非牛顿流体的雾化射流喷嘴装置，其包括外壳、内壳和Z型旋流器，所述外壳的圆周方向上均匀设有氧化剂喷孔，所述氧化剂喷孔的底部设有喷孔出口，所述外壳的内部安装端和所述内壳的外部安装端连接，所述内壳的内部靠近顶部的位置设有直面安装端，所述直面安装端和所述Z型旋流器连接，所述内壳的内部靠近底部的位置设有斜面安装端，所述斜面安装端和沟槽流道连接，所述Z型旋流器和所述沟槽流道的中部设有内孔，所述内孔的顶部设有轴心氧化剂入口，所述内孔的底部设有轴心氧化剂出口，所述沟槽流道的底部设有旋流喷嘴出口，所述Z型旋流器的外壁均匀设有Z型旋流器入口。

所述Z型旋流器上的Z型旋流器入口使非牛顿流体产生旋流式流动，从而提高非牛顿流体的流动速度，所述Z型旋流器入口的脊线为旋轮线结构，所述旋轮线结构的脊线的具体表达式为：

式中，x为旋轮线脊线所在平面的横坐标；y为旋轮线脊线所在平面的纵坐标；α为旋轮线的偏转角度；R为旋轮线的半径；

根据Z型旋流器入口在Z型旋流器上的分布形式，确定Z型旋流器上Z型旋流器入口的旋流数N，具体表达式如下：

N＝U/V

式中，U为旋流器中射流特征面上的最大切向速度；V为旋流器中最大轴向速度分量；

针对Z型旋流器上Z型旋流器入口的分布和旋流数N，确定Z型旋流器上Z型旋流器入口的旋流强度S，根据旋流强度S判断是否满足实际使用需求，具体表达式为：

式中，

可优选的是，所述喷孔出口和所述旋流喷嘴出口组成混合区域，所述Z型旋流器、所述内壳和所述沟槽流道组成旋流流道，所述混合区域位于所述旋流流道的下端。

可优选的是，所述氧化剂喷孔的数量为八个，所述喷孔出口和所述轴心氧化剂出口的射流相交于一点。

可优选的是，所述氧化剂喷孔的轴心和所述轴心氧化剂出口的轴心的夹角β在30°～60°内，所述旋流喷嘴出口和装置自身竖直方向的夹角α在30°～50°内。

可优选的是，所述Z型旋流器上Z型旋流器入口的脊线角度在30°～60°内，所述沟槽流道壁上的半圆直径为2mm。

本发明的另外一方面，提供一种用于高压非牛顿流体的雾化射流喷嘴装置的雾化方法，具体实施步骤为：

S1、根据所需雾化锥角，设计氧化剂喷孔的轴心与轴心氧化剂出口的轴心的夹角β和氧化剂喷孔；

S2、根据预设的雾化效果，将一定数量的氧化剂喷孔沿外壳的轴线进行圆形阵列；

S3、在流体仿真平台Fluent上对非牛顿流体进行模拟仿真，根据仿真结果设置旋流器的各个结构参数，并将可调参数设置为全局变量；

S4、在S3的基础上，分别给定非牛顿流体在Z型旋流器入口的压力、氧化剂在轴心氧化剂入口压力和氧化剂喷孔入口的压力；

S5、非牛顿流体经Z型旋流器产生防止堵塞的旋转流速流入沟槽流道，并通过沟槽流道降低非牛顿流体的流动阻力，从旋流喷嘴出口流出；

S6、从旋流喷嘴出口流出的非牛顿流体与轴心氧化剂出口喷射出的氧化剂进行第一次雾化碰撞，并根据所需雾动量实时调节轴心氧化剂入口的压力；

S7、从氧化剂喷孔喷射出的氧化剂与S6中所产生的雾化液滴进行第二次雾化碰撞；

S8、在混合区域二次雾化碰撞后，利用索特平均直径SMD来作为衡量雾化质量的指标，其表达式如下：

式中：μ

本发明与现有技术相比，具有如下优点：

1.本发明通过仿生减阻的技术，把鲨鱼鳞片减阻结构应用到喷嘴内部的螺旋式沟槽流道，有效的减小非牛顿流体的流动阻力，提高流动速度。

2.本发明中Z型旋流器可使非牛顿流体产生旋流式流动，并且旋流喷嘴内有环形沟槽式流道有利于减小非牛顿流体流动阻力，提高非牛顿流体的流动速度，获得最佳流动速度，从而减少在喷嘴内部停留时间。

3.本发明通过调节轴心氧化剂管路的入口压力与8个外壁氧化剂喷孔协同作用，使非牛顿流体在混合段碰撞后获得更好的雾化效果的同时可以提高整体雾化效果的雾动量。

4.本发明在Z型旋流器上的轴心氧化剂管路出口产生的高速射流，可提高整体的雾动量，使雾化更充分射流雾化距离更远；同时由于燃料和氧化剂混合物加速流出旋流喷嘴，从而能降低发生回火风险。

5.本发明结构合理，易于生产，工作效率高，具有实用性。

附图说明

图1为本发明用于高压非牛顿流体的雾化射流喷嘴装置的轴测图；

图2为本发明用于高压非牛顿流体的雾化射流喷嘴装置中喷嘴的剖视图；

图3为本发明用于高压非牛顿流体的雾化射流喷嘴装置中Z型旋流器的等轴侧视图；

图4为本发明用于高压非牛顿流体的雾化射流喷嘴装置中非牛顿流体雾化射流喷嘴内部仿真流线图；

主要附图标记：

外壳1，氧化剂喷孔2，内壳3，沟槽流道4，Z型旋流器5，内孔6，Z型旋流器入口7，轴心氧化剂入口8，轴心氧化剂出口9，旋流喷嘴出口10，喷孔出口11，混合区域12。

具体实施方式

为详尽本发明之技术内容、结构特征、所达成目的及功效，以下将结合说明书附图进行详细说明。

用于高压非牛顿流体的雾化射流喷嘴装置，如图1至3所示，包括外壳1、内壳3和Z型旋流器5。

外壳1的圆周方向上均匀设有氧化剂喷孔2，氧化剂喷孔2用于燃料和氧化剂碰撞提高雾化效果，减小自燃和回火风险；氧化剂喷孔2的底部设有喷孔出口11，外壳1的内部安装端和内壳3的外部安装端连接，内壳3的内部靠近顶部的位置设有直面安装端，直面安装端和Z型旋流器5连接，内壳3的内部靠近底部的位置设有斜面安装端，斜面安装端和沟槽流道4连接。

如图4所示，Z型旋流器5和沟槽流道4的中部设有内孔6，内孔6的顶部设有轴心氧化剂入口8，内孔6的底部设有轴心氧化剂出口9，内孔6可以通过提高氧化剂在挂炉中的速度提高整体燃料混合的雾动量和雾化效果，沟槽流道4的底部设有旋流喷嘴出口10，喷嘴出口10由于燃料和氧化剂的加速流出，减小发生回火的风险，用于提高整体燃料混合的雾动量和雾化效果；Z型旋流器5的外壁均匀设有Z型旋流器入口7。

优选地，如图3所示，喷孔出口11和旋流喷嘴出口10组成混合区域12，Z型旋流器5、内壳3和沟槽流道4组成旋流流道，混合区域12位于旋流流道的下端。

Z型旋流器5上的Z型旋流器入口7使非牛顿流体产生旋流式流动，从而提高非牛顿流体的流动速度，Z型旋流器入口7的脊线为旋轮线结构，旋轮线结构的脊线的具体表达式为：

式中，x为旋轮线脊线所在平面的横坐标；y为旋轮线脊线所在平面的纵坐标；α为旋轮线的偏转角度；R为旋轮线的半径。

具体而言，在Z型旋流器5上势流旋转区内，沿Z型旋流器5上的半径方向，越靠近旋流中心，流体压力越低；在Z型旋流器5上似固体旋转区内，该区域的压力低于势流旋转区压力，因此也低于周边固壁压力。当旋转中心压力低于外界大气压时，即可实现外界流体引射进入旋流器内部。

当外界流体引射进入旋流器的内部时，此时Z型旋流器5上核心区的压力分布的表达式如下：

P＝ρw

式中，ρ为非牛顿流体的密度，ω为非牛顿流体的旋转速度，r为Z型旋流器5上核心区的半径，C为积分常数。

根据Z型旋流器入口7在Z型旋流器5上的分布形式以及所受外界的压力，确定Z型旋流器5上Z型旋流器入口7的旋流数N，具体表达式如下：

N＝U/V

式中，U为旋流器中射流特征面上的最大切向速度；V为旋流器中最大轴向速度分量；

针对Z型旋流器5上Z型旋流器入口7的分布和旋流数N，确定Z型旋流器5上Z型旋流器入口7的旋流强度S，根据旋流强度S(旋流强度S为旋转动量矩与轴向动量矩之比所组成的无因次量)判断是否满足实际使用需求。

旋转动量矩M的表达式如下：

M＝ρQWR

式中，ρ为外界流体的密度；Q为外界流体的流量；W为外界流体的切向速度；R

式中，α为旋流器与轴向的夹角，Q为外界流体的流量，A

R

式中，r

轴向动量K的表达式如下：

式中，ρ为外界流体的密度，Q为外界流体的流量，A为旋流器出口的截面积。

由此可得，旋流强度S的表达式为：

式中，M为气流旋转动量矩，KL为气流轴向动量矩。

由于旋流器的工作区域非圆截面通道，应在保持通道截面积不变的情况下，将其折算成圆形通道的当量直径作为定性尺寸L，由此可得旋流强度S针对本发明装置的具体表达式为：

式中，

在本发明的一个优选实施中，氧化剂喷孔2的数量为八个，喷孔出口11和轴心氧化剂出口9的射流相交于一点。氧化剂喷孔2的轴心和轴心氧化剂出口9的轴心的夹角β在30°～60°内，旋流喷嘴出口10和装置自身竖直方向的夹角α在30°～50°内。

Z型旋流器5上Z型旋流器入口7的数量为三个，Z型旋流器入口7的脊线角度在30°～60°内，沟槽流道壁4上的半圆直径为2mm。

具体而言，燃料经Z型旋流器5形成旋转流动，由沟槽流道4经旋流喷嘴出口10加速并流向位于旋流流道下端的混合区域12，在混合区域12处与轴心氧化剂出口9和喷孔出口11喷出的氧化剂相遇混合。

以下结合实施例对本发明一种用于高压非牛顿流体的雾化射流喷嘴装置及雾化方法做进一步描述：

用于高压非牛顿流体的雾化射流喷嘴装置的雾化方法，具体实施步骤为：

S1、根据所需雾化锥角、氧化剂喷孔2的轴心与轴心氧化剂出口9轴心的夹角范围以及喷嘴出口10与竖直方向的夹角范围，设计氧化剂喷孔2的轴心与轴心氧化剂出口9的轴心的夹角β、氧化剂喷孔2及喷嘴出口10的具体结构和位置，保证整体燃料混合的雾化效果。

S2、根据预设的雾化效果和强度，将八个氧化剂喷孔2沿外壳1的轴线进行圆形阵列。

S3、在Fluent软件(流体仿真平台)上对非牛顿流体进行模拟仿真，根据仿真结果设置旋流器的各个结构参数，并将可调参数设置为全局变量。

S4、在S3的基础上，分别给定非牛顿流体在Z型旋流器入口7的压力、氧化剂在轴心氧化剂入口8的压力和氧化剂喷孔2入口的压力。

S5、非牛顿流体经Z型旋流器5产生较高的旋转流速流入沟槽流道4，并通过沟槽流道4降低非牛顿流体的流动阻力和堵塞性，从旋流喷嘴出口10流出。通过Z型旋流器5的加速和沟槽流道4的减阻可有效的降低非牛顿流体流阻的问题。

沟槽流道4的底部间距越大，附着在沟槽流道4上的二次涡流就会被抬得越高，粘性底层的厚度越大，沟槽流道4表面的减阻效果越好，随着流向距离的增加沟槽流道4明显改变了近壁面区域的湍流流场结构，由于沟槽流道4的存在，切断了近壁区流体的展向运动，抑制了流体微团间的动量交换，使得沟槽流道4底部存在大量低速稳定的流体，它们与接触壁面的相对运动较小，产生的摩擦阻力较低；与此相对应地，由于光滑面没有沟槽壁的阻挡，流体直接与平面产生冲刷，产生了较高的摩擦阻力。因此，沟槽流道4受到的摩擦阻力较光滑平面更低一些。

S6、从旋流喷嘴出口10流出的非牛顿流体与轴心氧化剂出口9喷射出的氧化剂进行第一次雾化碰撞，并根据所需雾动量实时调节轴心氧化剂入口8的压力，同时可以减小发生回火的风险。

S7、根据S1所需的雾化锥角设置的氧化剂喷孔2，从氧化剂喷孔2喷射出的氧化剂与S6中所产生的雾化液滴进行第二次雾化碰撞，提高整体雾化效果。

S8、在混合区域12二次雾化碰撞后，使整体产生的雾化液滴更细，雾化效果越好，在混合区域12观察液滴雾化效果，并利用索特平均直径SMD来衡量雾化质量的指标，其表达式如下：

式中：μ

由于该旋流器具有Z型旋流器5和沟槽流道4使流体产生较快的流动速度对应的压降ΔP

利用上述雾化方法可知，非牛顿流体通过喷嘴装置后，旋转射流使非牛顿流体的质点以较高的速度旋转前进，形成扩散，产生一定程度的雾化，在压力范围内可以产生稳定的喷射角度，同时与传统锥形喷嘴相比，由于喷嘴装置较大的自由横截面以及内部沟槽流道4减阻，使非牛顿流体流动的整体性能提高30％至40％，形成流畅的运动轨迹，使非牛顿流体不会产生堵塞。

以上所述的实施例仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。