為降低發動機污染物排放，航空發動機低污染燃燒技術逐漸引起重視。在低污染燃燒技術中，燃料霧化程度以及燃料空氣混合程度的好壞都是影響燃燒室內燃燒效率及排放性能的關鍵。

圖1 航空發動機

橫向射流是一種簡單高效的霧化方式，能夠依靠浮力增強射流的穿透深度。在霧化過程中，射流角度、射流速度、來流速度及噴嘴孔徑等參數均會影響射流的霧化效果。由于燃油在橫向氣流中的破碎及油氣摻混均勻性對污染物的生成、燃燒性能以及燃燒不穩定性等均有重要影響。

本案例采用行業專用流體仿真軟件CFDPro對單噴嘴射流在橫向來流中發生霧化和摻混過程進行模擬仿真，并對比分析不同噴射角度和噴嘴尺寸的射流霧化效果。

計算模型及網格劃分

圖2為計算區域模型及縱剖面計算網格圖，整個計算域尺寸為22D×6D×11D（D為孔徑），網格量333萬。噴嘴口與射流破碎區域射流與空氣交界面變化復雜，為更清晰捕捉到霧化現象，計算域內局部網格進行加密處理，網格最小單元尺度為Δmin= 26μm。

圖2 計算域模型及縱剖面網格

計算域入口采用速度邊界，出口采用壓力邊界，噴嘴底面為無滑移壁面，兩側為對稱面。

數學模型及工況

采用非穩態方法模擬射流在橫向氣流中的霧化過程。

湍流模型和界面捕捉是研究射流破碎和霧化的關鍵。湍流模型能有效描述流態湍流狀態；界面捕捉方法可以有效捕捉精細的破碎霧化結構，尤其是一次霧化及液體結構的復雜運動，并獲得霧化發展過程。本案例采用超大渦（V-LES）湍流模型和Level Set界面捕捉方法。

超大渦（V-LES）湍流模型 

超大渦模擬（V-LES）與大渦模擬（LES）的區別在于超大渦模擬（V-LES）的過濾尺度不再是網格尺度，而是介于網格尺度和宏觀尺度（如管道直徑）之間的一個值。當過濾尺度大于網格尺度時，超大渦模擬（V-LES）與雷諾時均（RANS）模型近似；當過濾尺度接近網格尺度時，超大渦模擬（V-LES）近似大渦模擬（LES）。因此，可以認為V-LES是U-RANS與LES之間的過渡，而在效率與精確性的平衡上優于URANS與LES。

Level Set界面捕捉方法 

Level Set界面捕捉方法是一種常見的界面捕捉方法，該方法用光滑的LS函數捕捉界面，界面法向的計算精度高，復雜界面處理能力強，可以很好的捕捉到霧化發展過程，故本文采用Level Set方法對霧化過程進行研究。

射流速度設定為30m/s，來流速度設定為30m/s，這里共開展了三種射流角度和三種噴嘴孔徑下的橫向射流霧化模擬，共計5種工況，具體工況參數如下所示。

工況編號	射流角度（°）	噴嘴孔徑（mm）
1	90	0.3
2	90	0.5
3	90	0.8
4	60	0.5
5	120	0.5

仿真結果分析

不同時刻下的霧化狀態

以下為采用CFDPro針對工況2進行仿真得到的結果：

圖3 工況2仿真結果

選取工況2某時刻的射流液面狀態進行分析，如圖4所示。

液面狀態

中軸面上的流動狀態（速度）

中軸面上的流動狀態（渦量）

圖4 工況2某時刻射流液面仿真結果

由圖4可以看到，在射流液柱軸向上存在大尺度擾動傳播，這些擾動在射流表面出現后，沿軸向逐漸增長，幅度增長到足夠大后會最終導致射流液柱破碎、坍縮成塊狀液體。同時也能觀察到射流邊緣的周向小尺度擾動，尤其是射流側翼，這種軸向擾動的形成和發展最終導致了射流側翼的流體破碎。

圖5為射流中心的中軸面上Y方向渦量隨時間發展的云圖。可以觀察到射流隨著時間的推移，穿透深度不斷增加，最終達到相對穩定的狀態。

圖5 工況2中軸面上Y方向渦量發展過程

可以從圖5中軸面的迎風面觀察到軸向大尺度擾動的傳播。同樣地，背風面也存在類似的擾動，而且比迎風面更加復雜和不規則。從渦量分布來看，背風面的渦量結構也更為復雜，這是因為背風面氣流擾動更不規則。

圖6 工況2中軸面上壓力分布（白色實線是氣液界面）

圖6是工況2中軸面上壓力分布，可以觀察到射流的迎風面和背風面存在明顯的高氣壓區和低氣壓區，壓差導致了液面變形。從數值模擬的結果來看，射流破碎是兩種擾動共同作用的結果：軸向擾動導致射流液柱破裂；周向擾動導致兩相界面破裂。 

為更好地觀察液柱破碎和霧化現象，在射流液柱的不同高度設置了截面，如圖 7所示，分別是從迎風面駐點到射流側向的壓力和渦量Z分量的分布云圖。

圖7 工況2不同高度截面上壓力和渦量分布（白色實線是氣液界面）

從壓力云圖上觀察到，由于射流周向壓力的不同（迎風面氣壓高，背風面氣壓低），射流截面會發生變形，而且這種變形在遠離噴嘴口地方更強烈（Z=1.0-2.0mm），在噴嘴口附近（Z=0.5mm）變形不明顯。

從圖 7上可以觀察到迎風面和背風面小擾動的形成，迎風面的擾動存在規律性，而背風面擾動由于低壓復雜氣流的影響顯得不規則。當迎風面的擾動振幅增長到足夠大，界面上就形成了擾動波紋。隨著擾動波紋逐漸向射流背風面發展，液柱急劇變形成為片狀液塊，這些液塊最終會分解成小液滴。

不同射流孔徑和角度對霧化效果的影響

圖8是工況1、2和3模擬結果，孔徑D分別為0.3mm、0.5mm和0.8mm。

圖8 孔徑D(0.3mm、0.5mm和0.8mm)噴嘴垂直來流入射的射流狀態

通過觀察不同孔徑射流的霧化狀態，可以發現：孔徑越小，霧化效果越好，同時液滴含率越小，液柱穿透距離越小。對液相含率、霧化粒徑分布和穿透距離綜合分析，可以得到合適的孔徑。

圖9是工況4、2和5計算結果，射流與橫風呈60°、90°和120°角度。

圖9 孔徑0.5mm的射流與來流呈60°、90°和120°入射的射流狀態

通過觀察不同入射角度的霧化狀態，可以發現：入射角60°時，相對速度小，霧化效果差，但動能損失最小；入射角120°時，相對速度大，霧化效果好，動能損失大，且液滴分布不均勻；入射角90°時，綜合來看，垂直橫風液滴均勻性和霧化效果較好。

采用行業專用流體仿真軟件CFDPro模擬分析航空發動機的橫向射流霧化過程，結果表明，導致射流表面破裂的擾動從噴嘴附近開始出現并沿射流軸向進一步發展。在兩相界面區域，橫向氣流與射流存在相對速度，速度差導致界面出現不穩定性擾動。不穩定性的增長則導致界面波紋出現并使液柱變形為片狀結構，薄片會進一步變薄破裂并產生液絲和液滴。通過對比不同入射角度和噴嘴尺寸射流的霧化效果，分析入射角度和噴嘴尺寸對液相含率、霧化粒徑分布和穿透距離等霧化特性的影響，有助于工程應用中選擇最合適的噴嘴，優化霧化性能。

文章來源：多相流在線