魏光升等：集束氧枪结构参数对射流流场分布特征的影响 79· 表2气相物化参数 Table 2 Parameters of the gas flow Gas Viscosity/(kg-ms)Thermal conductivity/(W.m1.K-) Oxygen gas 1.919×105 0.0246 CHa 1.087×10-5 0.0332 Air 1.789×105 0.0242 3结果与分析 图2计算域网格结构图 Fig.2 Simulation model of the computational domain 3.1集束射流速度分布规律 图3为不同环境温度及几何结构下集束氧枪 表1数值模拟模型边界条件 主氧射流轴线速度分布模式.图中X代表距拉瓦 Table 1 Simulation boundary conditions 尔出口处的轴向距离.同时，室温及高温条件分别 Lable Type Value 代指环境温度为298K及1700K.如图3所示，数 Mass inlet/(kg's) 0.9921 值模拟与试验测量值结果相近，表明数值模拟结 Main oxygen jet Mass fraction/% 02,100 果可靠.模拟结果表明：在室温条件下，传统集束 Temperature/K 298 氧枪、直管式约束集束氧枪和收束式约束集束氧 Mass inlet/(kgs) 0.1190 枪射流速度核心段长度分别为22D,27D。和 Shrouding oxygen jet Mass fraction/% 02,100 29D:在高温环境下，传统集束氧枪、直管式约束 Temperature/K 298 集束氧枪和收束式约束集束氧枪射流速度核心段 Mass inlet/(kgs) 0.0595 长度分别为26De,29D。及31D。同时，传统超音速 Shrouiding CHa Mass fraction/% CH,100 氧枪在室温和高温时，其速度核心段长度分别为 Temperature/K 298 11和16D。.结果表明，约束式集束氧枪平均速度 Pressure/Pa 101325 核心段长度分别为传统超音速氧枪及传统集束氧 Outlet Mass fraction/% 02,23;N2,77 枪的2.22倍及1.25倍.因此，约束式集束氧枪可 Temperature/K 298,1700 有效提高射流冲击能力，且收束式约束集束氧枪 在抑制射流动能衰减方便效果最优 结合稳态计算模式求解雷诺时均方程.Standard离散 研究结果表明，高温条件下传统超音速氧枪、 方程用于计算气体压力，其他物理项（能量，湍流 传统集束氧枪、直管式约束集束氧枪和收束式约 动能及耗散率)则采用QUICK离散方程进行计算， 束集束氧枪射流速度核心段长度分别为其在常温 壁面选取标准壁面无滑移模式.辐射及灰度方程 条件下的1.45倍、1.18倍、1.07倍和1.07倍.因 分别为DO及WSGG模型.模型收敛标准定义为：能 此，尽管环境温度的提高可有效延长射流速度核 量残差小于10？，其余各相残差小于10，且计算域 心段长度，但其影响效果对传统超音速氧枪最大， 出口平均温度及速度分别小于1.0Kand1.0ms 对收束式约束集束氧枪最弱 500 a 500 400 400 300 300 200 200 100 T=298K 100 7T=1700K 0 0 20 40 60 80 20 40 60 80 XD。 XID. 图3主氧射流轴线速度分布模式.(a)环境温度为298K:(b)环境温度为1700K Fig.3 Axial velocity of main oxygen jet at centerline:(a)the ambient temperature is 298 K;(b)ambient temperature is 1700 K结合稳态计算模式求解雷诺时均方程. Standard 离散 方程用于计算气体压力，其他物理项（能量，湍流 动能及耗散率）则采用 QUICK 离散方程进行计算， 壁面选取标准壁面无滑移模式. 辐射及灰度方程 分别为 DO 及 WSGG 模型. 模型收敛标准定义为：能 量残差小于 10−7，其余各相残差小于 10−5，且计算域 出口平均温度及速度分别小于 1.0 K and 1.0 m·s−1 . 3    结果与分析 3.1    集束射流速度分布规律 图 3 为不同环境温度及几何结构下集束氧枪 主氧射流轴线速度分布模式. 图中 X 代表距拉瓦 尔出口处的轴向距离. 同时，室温及高温条件分别 代指环境温度为 298 K 及 1700 K. 如图 3 所示，数 值模拟与试验测量值结果相近，表明数值模拟结 果可靠. 模拟结果表明：在室温条件下，传统集束 氧枪、直管式约束集束氧枪和收束式约束集束氧 枪 射 流 速 度 核 心 段 长 度 分 别 为 22De， 27De 和 29De；在高温环境下，传统集束氧枪、直管式约束 集束氧枪和收束式约束集束氧枪射流速度核心段 长度分别为 26De，29De 及 31De . 同时，传统超音速 氧枪在室温和高温时，其速度核心段长度分别为 11 和 16De . 结果表明，约束式集束氧枪平均速度 核心段长度分别为传统超音速氧枪及传统集束氧 枪的 2.22 倍及 1.25 倍. 因此，约束式集束氧枪可 有效提高射流冲击能力，且收束式约束集束氧枪 在抑制射流动能衰减方便效果最优. 研究结果表明，高温条件下传统超音速氧枪、 传统集束氧枪、直管式约束集束氧枪和收束式约 束集束氧枪射流速度核心段长度分别为其在常温 条件下的 1.45 倍 、 1.18 倍 、 1.07 倍和 1.07 倍. 因 此，尽管环境温度的提高可有效延长射流速度核 心段长度，但其影响效果对传统超音速氧枪最大， 对收束式约束集束氧枪最弱. 表 1    数值模拟模型边界条件 Table 1    Simulation boundary conditions Lable Type Value Main oxygen jet Mass inlet/(kg·s−1) 0.9921 Mass fraction/% O2 , 100 Temperature/K 298 Shrouding oxygen jet Mass inlet/(kg·s−1) 0.1190 Mass fraction/% O2 , 100 Temperature/K 298 Shrouiding CH4 Mass inlet/(kg·s−1) 0.0595 Mass fraction/% CH4 , 100 Temperature/K 298 Outlet Pressure/Pa 101325 Mass fraction/% O2 , 23; N2 ,77 Temperature/K 298, 1700 表 2    气相物化参数 Table 2    Parameters of the gas flow Gas Viscosity/(kg·m−1·s−1) Thermal conductivity/(W·m−1·K−1) Oxygen gas 1.919×10−5 0.0246 CH4 1.087×10−5 0.0332 Air 1.789×10−5 0.0242 图 2    计算域网格结构图 Fig.2    Simulation model of the computational domain 0 20 40 60 80 0 100 200 300 400 500 T=298 K Axial velocity/(m·s−1 ) 0 100 200 300 400 500 Axial velocity/(m·s−1 ) 0 20 40 60 80 (a) Flap coherent lance Open coherent lance Conventional coherent lance Conventional lance T=1700 K (b) Flap coherent lance Open coherent lance Conventional coherent lance Conventional lance 图 3    主氧射流轴线速度分布模式. （a）环境温度为 298 K；（b）环境温度为 1700 K Fig.3    Axial velocity of main oxygen jet at centerline: (a) the ambient temperature is 298 K; (b) ambient temperature is 1700 K 魏光升等： 集束氧枪结构参数对射流流场分布特征的影响 · 79 ·