[发明专利]一种喷雾式射流与主流气体掺混的组织方法

说明书

本发明公开了一种喷雾式射流与主流气体掺混的组织方法，通过分析喷雾式射流与主流气体的掺混机理和规律，结合颗粒动力学、涡动力学等理论，提出了基于调控掺混流场中主导喷雾液滴扩散特性的大尺度涡结构‑对称反旋涡对，来实现合理组织喷雾式射流与主流气体掺混过程的新思路，并根据掺混流场中对称反旋涡对的特征尺寸与流场各参数之间的内在关系，给出了基于主流气体状态的喷雾式射流雾化特征参数的确定方法和喷嘴的选型方法，解决了当前工业过程中喷雾式射流与主流气体掺混过程的组织技术缺乏的难题。

技术领域

本发明属于发动机流体技术领域，尤其是一种喷雾式射流与主流气体掺混的组织方法。

背景技术

喷雾式射流与气流的掺混在诸多类航空发动机具有重要应用，如燃烧室内的燃油喷雾预混燃烧过程、涡轮发动机进气道的射流预冷过程、高能燃料发动机尾喷管的射流降温增质过程以及大推力火箭的尾焰喷水降温过程等。液体喷雾射流与主流气体的合理组织是实现两者高效掺混的前提，对上述发动机相关过程的优化和构型设计具有重要意义。长期以来，国内外相关研究集中在横流中射流液体的破碎与雾化过程，且多为半无限大空间内的直射式液体射流。喷雾式射流具有雾化距离短且液滴分散的优势，其与横流的掺混效果更多取决于雾化液滴群的扩散行为以及掺混腔壁面的约束作用。目前对发动机受限空间内喷雾式射流与主流气体的掺混过程仍缺乏合理高效的组织技术。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供一种喷雾式射流与主流气体掺混的组织方法。

为达到上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现：

一种喷雾式射流与主流气体掺混的组织方法，包括以下步骤：

1)选定掺混流场特征截面及其上的对称反旋涡对的涡心深度h和涡心距l；其中，特征截面选择范围为x＝1～1.5D，h和l的取值范围均为0.3～0.4D，x为特征截面距喷口的距离，单位为m；D为掺混腔水力直径；单位为m；

2)根据气液掺混后预设的混合气体状态，结合主流气体的状态参数和初始射流液体工质的状态参数，按照能量守恒定律计算出射流液体的体积流率q，单位为m³/s；

3)根据掺混腔水力直径D、主流气体的速度u_g和密度ρ_g，按照式(1)计算出主流气体的雷诺数Re_g，

式中，μ_g为主流气体的动力粘性系数，单位N·s/m²；u_g为主流气体的速度，单位m/s；ρ_g为主流气体的密度，单位为kg/m³；

4)将h和l带入式(2)和(3)，计算射流喷雾初始雾化液滴的雷诺数Re_d与喷雾液体与主流气体的动量通量比J*的取值范围，

式中，ρ_l为射流液体的密度，单位为kg/m³；

5)基于J*和q，根据式(4)计算喷雾射流初始雾化液滴的速度u_d的取值范围；基于Re_d，根据式(5)计算确定初始雾化液滴的平均粒径d₃₂范围，

6)选择喷嘴，该喷嘴的初始雾化液滴的速度在u_d的取值范围之内、喷嘴的初始雾化液滴的平均粒径在d₃₂的取值范围之内或/和喷嘴的出射流液体的体积流率为q。

进一步的，喷嘴的雾化锥角为70-90°。