节流阀中航空燃油的气液两相空化流动特性

作者:晁文雄; 刊名:工业技术创新 上传者:仵彦波

【摘要】基于k-ε湍流模型和SIMPLE算法,将Mixture多相流模型与汽蚀模型相结合,对节流阀中的航空燃油进行气液两相定常数值模拟,研究节流阀在不同活门开度和进口压力下的空化流动特性。结果表明:随着活门开度的减小,节流阀内航空燃油的汽化区域面积增大,最大流动速度先增加后减小;航空燃油在节流阀内的进口压力越小,越容易产生气体析出和液相汽化。

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引言节流阀是航空燃油系统的重要控制元件之一,多用于燃油泵和调节器的流量调节。节流阀需满足两点要求:一是对航空燃油流量、压力控制的稳定性和可靠性;二是阻力小、损失少。节流阀的工作原理是利用阀体内阀芯的相对运动来控制阀口的通断以及阀口开口的大小[1,2]。在燃油的节流过程中,阀芯容易受到空化气蚀,引起节流阀发生振动、产生噪声等[3-5],破坏燃油的连续性,使节流阀的工作寿命缩短、可靠性降低。因此,计算节流阀内部的流动规律、分析节流阀内部的空化相变,具有重要的意义[6-10]。本文基于气液两相空化流动的流体动力学模型,数值模拟分析节流阀内部的空化流动特性,并研究活门开度和进口压力对空化区域、流速、压力等物理参数的影响。1物理模型采用节流阀三维几何流道模型,剖面如图1所示。通过活门开度的控制,实现供油流量的调节。进口节流活门开度Z如图2所示,选取全调节范围内8个典型活门开度(0.3 mm、0.5 mm、1 mm、1.5 mm、2 mm、3 mm、3.5 mm、4 mm)进行研究。在计算过程中引入的基本假设条件为:1)为描述空化过程,将流动方式简化为气、液两相流动,并将其视为不可压缩流体;2)流动过程视为恒温绝热过程。2网格划分及数学模型2.1网格划分采用非结构化四边形网格,对图1所示的几何流道图1节流阀几何流道模型剖面图2节流阀活门开度示意图模型进行网格划分。兼顾网格无关性和计算能效,对不同网格数目下的计算结果进行比较,总结于表1。综合考虑,以总网格单元数为100万的模型进行数值模拟计算。2.2数学模型节流阀内的流动主要为三维黏性不可压缩的定常流动,满足雷诺时均Navier-Stokes方程组。选取k-ε双方程湍流模型和SIMPLE算法,将Mixture多相流模型与汽蚀模型相结合,第一相为航空燃油,第二相为航空燃油气泡。采用Schnerr-Sauer空化模型,相互作用相选择mass,汽蚀模型选择cavitation。输送介质为300 K的航空燃油,物理属性如表2所示。分别采用进口压力为600 000 Pa及表2航空燃油物理属性表表1不同网格数目下的计算结果物理属性摩尔质量M/(kg/kmol)密度ρ/(kg/m3)等压定比热容Cp/[J/(kg·K)]动力粘度ν/(kg/m2·s)热导率λ/[W/(m·K)]表面张力系数σ/(N/m)饱和蒸汽压P/Pa167.310.026 325 71329液相7802 0900.002 40.149汽相7.12 5717e-60.017 8网格数609 683812 1691 044 3771 215 8141 444 636出口压力Pc/Pa368 885369 260369 271369 219369 367图3节流阀汽化形态分布图出口流速为8.137 m/s的边界条件,松驰因子默认,收敛精度设置为10-5。3结果与讨论3.1汽化形态、流速、压力分析图3、图4、图5所示分别为不同活门开度对汽化形态、流动速度、压力分布的影响。由图3、图5可见,小进口节流活门开度为常节流状态工况;全进口节流活门开度为全通状态工况;进口节流活门处于最大开度时,对航空燃油没有节流作用。当压力降低至航空燃油饱和蒸汽气压时,部分低压区域的液态航空燃油开始汽化;继续减小进口节流活门开度,大量航空燃油蒸汽被压缩在流道壁面处,形成汽化区域。进口节流活门开度为1 mm时的气态区域范围相比其他开度更大;进口节流活门开度为4 mm时,不再存在气态航空燃油。随着进口节流活门开度的增大,气态区域逐渐减小,减小方向为径向向外。汽化主要从外壁面拐角开始发生,且

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