58 工程科学学报.第42卷，增刊1 109325 (a) (b) 2.08 -Cone-line lance ■-Cone-line lance 105325■■ Curve-line lance ◆-Curve-line lance 2.04 -Design mach number ◆ -Design static pressure 101325 97325 1.96 ■ 93325 1.92 89325 0 4.1 8.212.316.4 20.5 02468101214161820 Radial distance/mm Radial distance/mm 图4锥形喷管与曲线喷管出口处径向流场分布.()马赫数分布：(b)静压分布 Fig.4 Mach number and static pressure distributions using various Laval nozzles at the nozzle exit:(a)Mach number profile;(b)static pressure profile 种工况下锥形及曲线喷管所形成氧气射流的流动 量、设计流量及大流量工况下，其射流核心段长度 特性. 分别为0.30、0.54及0.64m.因此，曲线喷管与锥 3.2射流马赫数分布特性 形喷管的核心段长度比值在低流量、设计流量及 图5为锥形喷管与曲线喷管射流在轴向方向 大流量工况下的分别为1.25、1.29及1.14.结果表 上的马赫数分布.图5中直线及虚线分别为数值 明，曲线喷管的初始冲击搅拌能力在不同流量状 模拟结果及设计值，各标识（口及。）为试验测量值 态下均优于锥形喷管，且在设计流量状态下冲击 从图5中可以看出，数值模拟与试验测量值结果 效果最佳.同时，曲线喷管在高流量状态对射流初 重合度较高，表明数值模拟结果准确度高.锥形喷 始冲击能力的提升效果低于低流量状态 管在低流量、设计流量及大流量工况下，其超音速 3.3射流氧含量分布特性 段长度分别为0.92、0.79及0.99m;曲线喷管在低 图6为锥形喷管与曲线喷管射流在轴向方向 流量、设计流量及大流量工况下，其超音速段长度 上的氧气摩尔分数分布.模拟结果表明，曲线喷管 分别为0.98、0.84及1.01m.因此，曲线喷管与锥 与锥形喷管的射流的卷吸位置与射流核心段末端 形喷管的超音速段比值在低流量、设计流量及大 位置重合，核心段内射流氧气纯度与出口位置相 流量工况下的分别为1.07、1.06及1.02.超音速段 同均为100%，即核心段氧气纯度与射流激波形貌 长度结果也表明曲线喷管的冲击搅拌能力在不同 及强度大小无关.曲线喷管与锥形喷管的卷吸量 流量状态下均优于锥形喷管，但随着供氧流量的 比值在低流量、设计流量及大流量工况下的分别 提高，曲线喷管所形成射流冲击的优势能力逐渐 为1.02、1.03及1.01.因此，曲线喷管的卷吸现象 降低 在不同流量状态下均优于锥形喷管，在设计流量 模拟结果表明在高温条件时，锥形喷管在低 状态下冲击效果最佳.当供氧流量进一步提高时， 流量、设计流量及大流量工况下，其射流核心段长 曲线喷管在卷吸方面的优势逐渐下降，且其优势 度分别为0.24、0.42及0.56m:曲线喷管在低流 明显弱于低供氧流量状态的卷吸效果， 2.5 2.5 2.5 (a) (b) (c) 2.0 2.0 2.04 8e 1.5 -Curve-lise lance 5 10 --Design mach number Design mach number 05 0.5 0 0 0.51.01.52.0 2.5 0.51.01.52.0 2.5 0 0.51.0.1.52.0 2.5 Radial distance/m Radial distance/m Radial distance/m 图5不同氧气流量条件下，锥形喷管与曲线喷管射流在轴向方向上的马赫数分布.()低流量.即氧气流量=2950m3h':(b)设计流量，即氧气流 量=3450m3h:(c)大流量.即氧气流量=3950mh Fig.5 Mach number distributions using various Laval nozzles at centerline with different oxygen flow rate:(a)oxygen flow rate =2950 mh (b)oxygen flow rate=3450 mh (c)oxygen flow rate=3950 mh-种工况下锥形及曲线喷管所形成氧气射流的流动 特性. 3.2    射流马赫数分布特性 图 5 为锥形喷管与曲线喷管射流在轴向方向 上的马赫数分布. 图 5 中直线及虚线分别为数值 模拟结果及设计值，各标识（□及○）为试验测量值. 从图 5 中可以看出，数值模拟与试验测量值结果 重合度较高，表明数值模拟结果准确度高. 锥形喷 管在低流量、设计流量及大流量工况下，其超音速 段长度分别为 0.92、0.79 及 0.99 m；曲线喷管在低 流量、设计流量及大流量工况下，其超音速段长度 分别为 0.98、0.84 及 1.01 m. 因此，曲线喷管与锥 形喷管的超音速段比值在低流量、设计流量及大 流量工况下的分别为 1.07、1.06 及 1.02. 超音速段 长度结果也表明曲线喷管的冲击搅拌能力在不同 流量状态下均优于锥形喷管，但随着供氧流量的 提高，曲线喷管所形成射流冲击的优势能力逐渐 降低. 模拟结果表明在高温条件时，锥形喷管在低 流量、设计流量及大流量工况下，其射流核心段长 度分别为 0.24、 0.42 及 0.56 m；曲线喷管在低流 量、设计流量及大流量工况下，其射流核心段长度 分别为 0.30、0.54 及 0.64 m. 因此，曲线喷管与锥 形喷管的核心段长度比值在低流量、设计流量及 大流量工况下的分别为 1.25、1.29 及 1.14. 结果表 明，曲线喷管的初始冲击搅拌能力在不同流量状 态下均优于锥形喷管，且在设计流量状态下冲击 效果最佳. 同时，曲线喷管在高流量状态对射流初 始冲击能力的提升效果低于低流量状态. 3.3    射流氧含量分布特性 图 6 为锥形喷管与曲线喷管射流在轴向方向 上的氧气摩尔分数分布. 模拟结果表明，曲线喷管 与锥形喷管的射流的卷吸位置与射流核心段末端 位置重合，核心段内射流氧气纯度与出口位置相 同均为 100%，即核心段氧气纯度与射流激波形貌 及强度大小无关. 曲线喷管与锥形喷管的卷吸量 比值在低流量、设计流量及大流量工况下的分别 为 1.02、1.03 及 1.01. 因此，曲线喷管的卷吸现象 在不同流量状态下均优于锥形喷管，在设计流量 状态下冲击效果最佳. 当供氧流量进一步提高时， 曲线喷管在卷吸方面的优势逐渐下降，且其优势 明显弱于低供氧流量状态的卷吸效果. 0 4.1 8.2 12.3 16.4 20.5 1.92 1.96 2.00 2.04 2.08 Mach number Radial distance/mm Cone-line lance Curve-line lance Design mach number (a) 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 89325 93325 97325 101325 105325 109325 Static pressure/Pa Radial distance/mm Cone-line lance Curve-line lance Design static pressure (b) 图 4    锥形喷管与曲线喷管出口处径向流场分布. （a）马赫数分布；（b）静压分布 Fig.4    Mach number and static pressure distributions using various Laval nozzles at the nozzle exit: (a) Mach number profile; (b) static pressure profile 0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 Cone-line lance Curve-line lance Design mach number Mach number Radial distance/m (a) 0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 Cone-line lance Curve-line lance Design mach number Mach number Radial distance/m (b) 0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 Cone-line lance Curve-line lance Design mach number Mach number Radial distance/m (c) 图 5    不同氧气流量条件下，锥形喷管与曲线喷管射流在轴向方向上的马赫数分布. （a）低流量，即氧气流量=2950 m 3 ·h−1；（b）设计流量，即氧气流 量=3450 m 3 ·h−1；（c）大流量，即氧气流量=3950 m 3 ·h−1 Fig.5     Mach  number  distributions  using  various  Laval  nozzles  at  centerline  with  different  oxygen  flow  rate:  (a)  oxygen  flow  rate  = 2950 m 3 ·h−1; (b) oxygen flow rate = 3450 m 3 ·h−1; (c) oxygen flow rate = 3950 m 3 ·h−1 · 58 · 工程科学学报，第 42 卷，增刊 1