撞擊式射流破碎特性的實驗研究

夏振炎，李珍妮，李建軍，田 硯

（天津大學機械工程學院，天津 300072）

撞擊式射流破碎特性的實驗研究

夏振炎，李珍妮，李建軍，田 硯

（天津大學機械工程學院，天津 300072）

基于自行搭建的撞擊式射流系統(tǒng)，采用高速攝影技術(shù)，研究了對稱射流撞擊和非對稱撞擊射流液膜的破碎特性．分析研究了射流撞擊夾角及噴嘴內(nèi)徑對射流撞擊破碎的破碎模式和破碎特征（破碎長度、液膜長度、液膜寬度、液膜長寬比）的影響規(guī)律．對比研究了3種不同流體——水、甘油、卡波姆凝膠（非牛頓流體）的破碎特性．在實驗的韋伯數(shù)范圍內(nèi)，噴射模式可分為3種破碎模式，即封閉液膜模式、開邊界模式、液線液滴模式；破碎長度隨韋伯數(shù)的增大，呈先增大后減小的趨勢；減小撞擊夾角可以減小液膜的長寬比，噴嘴內(nèi)徑的大小不會改變液膜長寬比的值；與對稱撞擊相比，非對稱撞擊更能加劇液膜的破碎．

撞擊射流；破碎長度；封閉液膜模式；開邊界模式

射流霧化問題在很多領(lǐng)域都有廣泛的應用，例如農(nóng)藥噴霧、噴墨打印機、噴霧涂層、化工造粒［1］等，尤其在內(nèi)燃機領(lǐng)域，燃料在燃燒室中的破碎霧化質(zhì)量直接影響到燃料的燃燒性能．

射流破碎的方式有很多種，有的通過環(huán)形截面噴嘴噴射利用空氣的氣動性而破碎［2］，有的通過射流撞擊固體壁面而破碎，還有的通過2束或多束射流撞擊而破碎［3-4］．采用結(jié)構(gòu)和工藝簡單的平孔壓力噴嘴的撞擊式射流，因霧化效果好，被廣泛應用于包括火箭發(fā)動機［5］在內(nèi)的多種發(fā)動機燃燒系統(tǒng)中．

Yang等［6］利用線性穩(wěn)定性理論提出了能夠預測撞擊射流液膜破碎長度的理論模型，并利用實驗數(shù)據(jù)驗證了模型的可行性．Jayaprakash等［7］研究了一種由煤油和鋁粒子組成的冪律流體的撞擊霧化特性. Fakhri等［8］采用馬爾文系統(tǒng)研究了撞擊射流的粒徑分布情況，發(fā)現(xiàn)同一速度下，長徑比越小對應的SMD的數(shù)值越小．Baek等［9］研究表明，隨射流速度的增加，撞擊射流的噴霧錐角顯著增加．von Kampen等［10］對牛頓流體與冪律流體撞擊射流液膜的破碎模式做了詳細的對比和總結(jié)，他們發(fā)現(xiàn)冪律流體黏度越高液膜越難以破碎．

為了更深入地了解撞擊式射流的破碎機理和破碎形態(tài)，本文通過高速攝像技術(shù)，記錄了射流撞擊的液膜形態(tài)及破碎過程，并對圖像進行了處理，分析提取了不同射流條件下撞擊射流液膜的破碎模式和破碎特征（破碎長度、液膜長度、液膜寬度和液膜長寬比）；對比研究了3種不同流體——水、甘油、卡波姆凝膠（非牛頓流體）的破碎特性；對在非對稱射流撞擊中出現(xiàn)的“魚骨結(jié)構(gòu)”進行了深入的研究．

1　撞擊射流破碎特性實驗

1.1實驗裝置

圖1所示為撞擊射流實驗裝置，包括注射泵、注射器（50，mL）、自制實驗臺（可調(diào)節(jié)預撞擊距離和撞擊夾角）、平口不銹鋼針頭（作為噴嘴）、背景光源、高速相機、圖像采集計算機和液體收集裝置等．撞擊射流的形貌發(fā)展圖像采用日本Photron SA1.1型高速相機拍攝，設定的拍攝頻率為5，400幅/s，圖像分辨率為100×104像素，快門值設定為1/75，000，s．

圖1 實驗裝置示意Fig.1 Schematic diagram of experimental setup

圖2為噴嘴與撞擊射流形成液膜的結(jié)構(gòu)，uj為射流速度，D為噴嘴內(nèi)徑，2α 為撞擊夾角，Lji為預撞擊長度（噴嘴出口到撞擊點的距離），i=1，2．

圖2 撞擊系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意Fig.2 Schematic diagram of impinging jet system

1.2實驗液體

實驗所用液體為蒸餾水、質(zhì)量分數(shù)為50%，的甘油溶液和質(zhì)量分數(shù)為0.15%，的卡波姆934凝膠，其物性參數(shù)如表1所示．其中水和甘油為牛頓流體，卡波姆凝膠是一種冪律型流體，關(guān)于卡波姆凝膠的具體流變特性可參考文獻［11］．

表1 實驗液體的物性參數(shù)Tab.1 Physical properties of working liquids

2　實驗結(jié)果與分析

2.1液膜破碎長度與液膜長寬比

撞擊射流液膜的破碎長度和液膜長寬比是射流破碎研究的重要參數(shù)，本文對撞擊射流液膜破碎長度的定義為：在液膜對稱軸線上，從2束射流撞擊點開始到完整液膜邊緣的長度，如圖3（a）和3（b）所示．

液膜長度H定義為液膜的最高點到最低點之間的距離，液膜寬度W定義為液膜左右邊緣相距的最大距離，如圖3（c）所示，則液膜長寬比為H/W．在實驗中所提取的液膜破碎長度、液膜長度和寬度的值是對每一工況下不同時刻的一個平均值．

圖3 破碎長度與液膜長度、寬度的定義Fig.3Definition of breakup length and length and width of liquid film

2.2破碎模式

在實驗中隨著射流速度的增加一共出現(xiàn)了3種破碎模式，在此以水的撞擊射流為例介紹這3種破碎模式，其中噴嘴內(nèi)徑D=0.7，mm，Lj1=Lj2=6.5，mm，2α=78°．當速度較低時，兩射流撞擊后形成了一個樹葉形狀的液膜，此時液膜是封閉的，液膜的中間薄邊緣厚，是封閉液膜模式，如圖4（a）所示．隨著速度的繼續(xù)增加，液膜上部基本穩(wěn)定，但液膜下游邊界開始破碎，并有細小的液滴開始出現(xiàn)，液膜不再封閉，是開邊界模式，如圖4（b）所示．當速度繼續(xù)增加時，液膜表面出現(xiàn)大量的波動，這種波動不斷向液膜下游傳播，周期性的“弓形”液線開始出現(xiàn)，液線繼續(xù)向下游發(fā)展并破碎成大量液滴，這種破碎模式屬于液線液滴模式，如圖4（c）～（f）所示．

圖4 撞擊射流破碎模式Fig.4 Breakup patterns of the impinging jet

2.3撞擊夾角對對稱撞擊射流液膜破碎特性的影響

圖5為不同撞擊夾角下水撞擊射流形成的液膜發(fā)展形貌．撞擊夾角分別為70°、78°、90°和100°．預撞擊距離Lj1=Lj2=6.5，mm，噴嘴內(nèi)徑D=0.7，mm.由圖5可以明顯看出，在每種撞擊夾角下，隨著速度的增大，撞擊射流液膜依次經(jīng)歷了封閉液膜模式、開邊界模式、液線液滴模式，且出現(xiàn)同一種模式時的We范圍基本相同，如圖6所示．

Li等［12］推導出水撞擊射流在有完整液膜形態(tài)（We較?。r的破碎長度預測公式，即

圖6給出了實驗值與理論值的對比，當We＜100時，液膜的破碎長度隨著We的增大基本上呈線性增長的趨勢，且與理論值有較好的吻合．此外，同一We下，隨著撞擊夾角的增大，破碎長度略有增大．We接近100時，實驗值明顯小于理論值．當We＞100時，液膜進入液線液滴模式，破碎長度隨著We的增大而減小，該預測公式已不適用．

圖5 不同撞擊夾角液膜隨速度的變化情況Fig.5Variation of liquid film with jet velocity under different impinging angles

圖6 不同撞擊夾角下液膜破碎長度隨We的變化Fig.6Variation of breakup length of liquid film with We under different impinging angles

圖7為液膜處于封閉液膜模式和開邊界模式時，不同撞擊夾角下液膜長度、寬度及長寬比隨速度的變化趨勢．同一流速下，不同撞擊夾角的液膜長度變化很小，而液膜寬度則隨著撞擊夾角的增大而增大，這主要是因為撞擊夾角越大，撞擊動量在軸向上的分量越小，在橫向上的分量越大．雖然每一種撞擊夾角下液膜長度和寬度均隨著速度的增大而增大，但是液膜的長寬比隨著速度的變化一直保持在某一恒定值．撞擊夾角大的液膜長寬比大，其中90°時的液膜長寬比為2.2．

圖7 不同撞擊夾角下液膜長度、寬度及長寬比隨速度的變化Fig.7 Variations of length，width of liquid film and aspect ratio with jet velocity under different impinging angles

2.4噴嘴內(nèi)徑對對稱撞擊射流液膜破碎特性的影響

圖8是水射流以78°撞擊夾角，噴嘴內(nèi)徑分別為0.9，mm、0.7，mm和0.5，mm，在不同速度下的撞擊射流液膜發(fā)展、破碎過程，其中預撞擊距離Lj1=Lj2= 6.5，mm．隨著速度的增大，3種噴嘴的射流撞擊液膜均依次經(jīng)歷了封閉液膜模式、開邊界模式、液線液滴模式．由圖8可以看出，3種不同內(nèi)徑的噴嘴形成的液膜由封閉液膜模式向開邊界模式轉(zhuǎn)變時的We值一樣，開邊界模式向液線液滴模式轉(zhuǎn)變時的We值則隨噴嘴內(nèi)徑的增大而增大．

圖8 不同噴嘴內(nèi)徑的液膜隨速度的變化Fig.8Variation of liquid film with jet velocity under different nozzle orifice diameters

圖9為液膜破碎長度隨We的變化情況．3種噴嘴的破碎長度隨We的增大均是先增大后減小，同一We下內(nèi)徑大的破碎長度長，因為內(nèi)徑大的噴嘴其質(zhì)量流量大，撞擊時動量大，進而增大了液膜的破碎長度．總而言之，噴嘴內(nèi)徑對射流撞擊液膜的破碎尺度有影響，對其破碎特征及破碎規(guī)律的影響不大．

圖9不同噴嘴內(nèi)徑下液膜破碎長度隨We的變化情況Fig.9Variation of the breakup length of liquid film with Weber number under different nozzle orifice diameters

圖10為3種噴嘴的液膜在有完整液膜輪廓時（封閉液膜模式和開邊界模式），液膜長度、寬度及長寬比隨射流速度的變化．由圖可看出，3種噴嘴的液膜長度及寬度均隨著速度的增大呈線性增長，且3種噴嘴的液膜的長寬比都為2.3．由此更能證明噴嘴內(nèi)徑只影響液膜的破碎尺度及輪廓的大小．

圖10 不同噴嘴內(nèi)徑下液膜長度、寬度及長寬比隨速度的變化Fig.10 Variations of liquid film length，width and aspect ratio with jet velocity under different nozzle orifice diameters

2.5不同流體對稱撞擊射流液膜的破碎特性

圖11分別是水射流、質(zhì)量分數(shù)為50%，的甘油溶液（50g）、質(zhì)量分數(shù)為0.15%，的卡波姆水溶液（0.15C）在不同流速下的破碎形貌．從圖中可以看出，水射流和50g甘油溶液射流的液膜隨著速度的不斷增大都依次出現(xiàn)了封閉液膜模式、開邊界模式和液線液滴模式．水射流的液膜最不穩(wěn)定，只有在速度很低時，才能保持液膜的完整輪廓．開邊界模式和液線液滴模式下，水射流液膜邊界和液膜破碎程度都很劇烈. 0.15C卡波姆凝膠只出現(xiàn)了封閉液膜模式、開邊界模式2種破碎模式，液膜輪廓比質(zhì)量分數(shù)為50%，的甘油溶液更明顯，且更穩(wěn)定，并且在速度達到4.55，m/s時才出現(xiàn)開邊界模式，速度較低時液膜輪廓也較小.這主要是由于卡波姆凝膠是剪切變稀的冪律型非牛頓流體，在剪切速率比較低時，黏度很高，射流撞擊后形成的液膜更難破碎．

圖11不同流體的液膜隨速度的變化（2α=78°，D= 0.7，mm，Lj=6.5，mm）Fig.11Variation of liquid film with jet velocity for different liquids（2α=78°，D=0.7，mm，Lj=6.5，mm）

圖12給出了與圖11所示工況相對應的液膜破碎長度隨We變化的趨勢．從圖中可以看出，3種流體所形成的液膜破碎長度均隨著We的增大而呈現(xiàn)出大體一致的變化規(guī)律，即先增大后減?。?0g甘油溶液射流撞擊液膜的破碎長度都在We達到100左右時出現(xiàn)最大值．而0.15，C的卡波姆凝膠射流撞擊液膜的破碎長度在We=200左右時達到最大值．此外從圖中還可以看出：水溶液撞擊射流最先由封閉液膜模式轉(zhuǎn)變?yōu)殚_邊界模式，50g甘油溶液次之，卡波姆溶液的封閉模式一直持續(xù)到We為180左右才進入到開邊界模式．

圖12 不同流體的液膜破碎長度隨We的變化情況Fig.12Variation of breakup length of liquid film with We for different liquids

圖13是對圖11對應的3種流體的撞擊射流液膜處于封閉液膜模式和開邊界模式，具有較完整的液膜輪廓時，液膜的長度、寬度以及長寬比隨速度的變化曲線．從圖中可以看出，3種流體撞擊射流液膜的長度和寬度，都隨速度的增大而不斷增大，且在速度相同時，50g甘油溶液的液膜長度和寬度最大，0.15C卡波姆凝膠的液膜長度和寬度曲線與水的曲線有交點，速度較大時，0.15C卡波姆凝膠的液膜長度和寬度較大，這主要與卡波姆凝膠剪切變稀的非牛頓特性有關(guān)．3種流體的液膜長寬比基本都保持在一固定值左右．水、50g甘油溶液、0.15C卡波姆凝膠所對應的撞擊射流液膜長寬比分別為2.3、3.0和3.2．

圖13 不同流體的液膜長度、寬度和長寬比隨速度的變化Fig.13 Variations of length，width of liquid film and aspect ratio with jet velocity for different liquids

2.6對稱撞擊與非對稱撞擊的破碎模式對比

圖14為預撞擊距離Lj1=3.5，mm、Lj2=6.5，mm、撞擊夾角為78°時卡波姆凝膠非對稱射流撞擊的液膜破碎圖像．與圖11（c）中的卡波姆凝膠對稱撞擊液膜圖像相比，在相同的速度范圍內(nèi)，對稱撞擊液膜只出現(xiàn)了破碎程度很小的封閉液膜模式和開邊界模式，而在非對稱撞擊的條件下，液膜的破碎程度遠大于對稱撞擊，出現(xiàn)了破碎程度較大的液線液滴模式．從對稱撞擊與非對稱撞擊的液膜破碎長度對比中（見圖15）可以看出，相同韋伯數(shù)下，對稱撞擊的液膜破碎長度明顯大于非對稱撞擊．由此可見，非對稱撞擊產(chǎn)生的擾動波對液膜的破碎起到了加強作用．

圖14 卡波姆凝膠撞擊射流破碎模式（D=0.7，mm）Fig.14Breakup regime of impinging jet of Carbopol gel（D=0.7，mm）

圖15 破碎長度隨We的變化Fig.15 Variation of breakup length with We

在非對稱撞擊中出現(xiàn)了一種形如圖14（d）的破碎形態(tài)，即液膜的邊緣有規(guī)律、穩(wěn)定地破碎成兩束液線，形似魚骨的“魚骨模式”．為了便于進一步研究“魚骨模式”，定義了如圖16所示的魚骨角θ，即從“魚骨”結(jié)構(gòu)液膜邊緣液滴將要脫離的液滴開始，沿液膜兩邊界的液滴做兩條直線，這兩條直線之間的夾角就是魚骨角θ．當“魚骨”破碎模式出現(xiàn)時，隨速度的增加，在進入下一種破碎模式前，會出現(xiàn)魚骨角最大的情況，最大魚骨角能體現(xiàn)撞擊射流液膜在達到“魚骨”破碎模式階段時液膜的破碎程度，因此可以用最大魚骨角θmax代表在特定流動條件下的“魚骨”破碎模式．圖17為固定Lj1=3.5，mm時，液膜最大魚骨角隨Lj2的變化規(guī)律．可以看出：能出現(xiàn)“魚骨結(jié)構(gòu)”的Lj2范圍是5，mm＜Lj2＜13，mm，在該范圍內(nèi)最大魚骨角隨撞擊距離Lj2的增大呈先增大后減小的趨勢．

圖16 魚骨角Fig.16 Fishbone angle

圖17 最大魚骨角隨Lj2的變化曲線Fig.17 Variation of the maximum fishbone angle with Lj2

3　結(jié) 論

（1） 在本實驗的We范圍內(nèi)，對稱撞擊射流液膜破碎出現(xiàn)3種破碎模式：封閉液膜模式、開邊界模式、液線液滴模式．而質(zhì)量分數(shù)為0.15%，的卡波姆凝膠由于其較大的黏度只出現(xiàn)封閉液膜模式、開邊界模式，且液膜比較穩(wěn)定，破碎現(xiàn)象不劇烈．

（2） 在本實驗的We范圍內(nèi)，破碎長度均隨We的增大呈先增大后減小的變化趨勢．

（3） 射流撞擊形成較完整液膜輪廓時，液膜長度和寬度都隨速度的增大而增大，而液膜長寬比則穩(wěn)定在某一定值．在本實驗中，3種噴嘴的液膜長寬比均為2.3；撞擊夾角越大，長寬比越?。c水和甘油相比，0.15C卡波姆凝膠形成的液膜更不容易破碎，液膜的長寬比最大．

（4） 在其他射流撞擊條件相同的情況下，與對稱撞擊相比，非對稱撞擊更容易使液膜破碎．在能出現(xiàn)“魚骨結(jié)構(gòu)”的預撞擊距離范圍內(nèi)（5，mm＜Lj2＜13，mm），最大魚骨角隨預撞擊距離的增大先增大后減小．

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（責任編輯：金順愛）

An Experimental Study on Breakup Characteristics of Impinging Jets

Xia Zhenyan，Li Zhenni，Li Jianjun，Tian Yan
（School of Mechanical Engineering，Tianjin University，Tianjin 300072，China）

An impinging jet system was developed and high-speed photography was applied to investigating the breakup characteristics of symmetric and asymmetric impinging jets．The effects of impinging angle and orifice diameter on the breakup patterns and breakup characteristics（breakup length，length of liquid film，width of liquid film，aspect ratio）were analyzed．A contrastive study was conducted to explore the different breakup characteristics of three kinds of liquid，namely water，glycerinum and Carbopol gel．In the Weber number range of the experiment，the spray patterns could be categorized into three types：closed rim，open rim with shedding droplets and bow shaped ligament．When the Weber number increases，the breakup length first increases and then decreases. The aspect ratio of liquid film decreases with the decrease of impinging angle and keeps constant with different orifice diameters．Compared with symmetric impinging jet，asymmetric impinging jet can accelerate the breakup of the liquid film to a greater extent.

impinging jet；breakup length；closed rim；open rim with shedding droplets

O358

A

0493-2137（2016）07-0770-07

10.11784/tdxbz201509008

2015-09-06；

2015-11-12.

國家自然科學基金資助項目（11172205，11372219）.

夏振炎（1969— ），男，副教授.

夏振炎，xia_zhy@hotmail.com.

網(wǎng)絡出版時間：2015-11-26. 網(wǎng)絡出版地址：http://www.cnki.net/kcms/detail/12.1127.N.20151126.1422.002.html.