雙路離心式噴嘴液膜形態(tài)的實驗研究

劉趙淼，鄭會龍，林家源，李澤軒

(北京工業(yè)大學(xué)機(jī)械工程與應(yīng)用電子技術(shù)學(xué)院，北京 100124)

燃油噴嘴是航空發(fā)動機(jī)燃燒室中的核心部件，對發(fā)動機(jī)性能具有重要影響[1]. 雙路離心式噴嘴因其結(jié)構(gòu)簡單、霧化性能好、成本低、油量可調(diào)范圍廣，廣泛應(yīng)用于航空發(fā)動機(jī)中. 該型噴嘴依靠壓力將燃油從噴嘴噴出之前在噴嘴內(nèi)部形成高速旋轉(zhuǎn)運動，在噴口內(nèi)旋轉(zhuǎn)形成的液膜與環(huán)境空氣發(fā)生剪切作用進(jìn)而霧化[2]，因此，深入研究液膜的形成與破碎過程可完善環(huán)狀射流霧化機(jī)理，并對于噴嘴實際應(yīng)用于復(fù)雜的燃燒室工作環(huán)境以及燃燒室內(nèi)點火位置的選擇具有重要意義[3].

液膜在形成過程中由于其霧化不夠充分，造成發(fā)動機(jī)燃燒的不穩(wěn)定，學(xué)者[4-6]對液膜的形成過程進(jìn)行了深入研究. Ramamurthi等[4]和Santolaya等[5]將旋轉(zhuǎn)錐形液膜分為低噴射壓力下的郁金香型和高噴射壓力下完全發(fā)展的錐形展開液膜. Ramamurthi等[4]還發(fā)現(xiàn)液膜形態(tài)從郁金香型向錐形散開型的過渡，會在離心力超過表面張力2個數(shù)量級時發(fā)生. Zhao等[6]則對2種形態(tài)下的破碎原因進(jìn)行了區(qū)分，郁金香型液膜主要由穿孔增長引起，而錐形展開型主要由表面不穩(wěn)定性引起. 該實驗數(shù)據(jù)能夠與其建立的經(jīng)驗公式吻合較好，并能有效提高噴霧效果. Reddy等[7]對郁金香型液膜進(jìn)行了更深入的研究，提出隨著液膜逐漸展開，其噴霧特性變得穩(wěn)定；液滴粒徑隨著軸向距離的延長而增大.

液膜的破碎受到介質(zhì)流速、噴嘴內(nèi)氣核與液膜的剪切作用等因素影響，其破碎機(jī)理直接影響噴嘴的霧化效果. Rangel等[8]對無黏液膜進(jìn)行了線性和非線性分析，認(rèn)為氣液密度比較低時，反對稱擾動在液膜失穩(wěn)破碎過程中占據(jù)主導(dǎo)地位. Stapper等[9]將噴射速度對液膜破碎過程進(jìn)行分類，認(rèn)為低速運動時，液膜內(nèi)存在拉伸區(qū)域，該區(qū)域內(nèi)順流速度較大，并容易在兩波長之間發(fā)生破裂；而在高速運動時，液膜內(nèi)形成網(wǎng)狀破碎區(qū)，該區(qū)域內(nèi)流向波和展向波同時存在，展向波使液膜分裂為液絲，而流向波促成小液滴的形成. Liu等[10]提出遠(yuǎn)離噴嘴位置處，二次霧化和液滴碰撞也是影響霧化效果的重要因素，壓差對其發(fā)生概率的影響效果值得注意. 隨著噴霧下游壓差的增大，液滴間發(fā)生碰撞融合的概率逐漸增加，其對液滴尺寸的均勻性產(chǎn)生嚴(yán)重的不利影響. Cui等[11]將噴霧形態(tài)按噴注壓力分為湍流流型、氣核流型和穩(wěn)定空心流型. 對于氣核模型而言，開始階段和發(fā)展階段的流動特性對其流量、噴霧粒徑的影響較為顯著，當(dāng)噴注壓力足夠大時，會轉(zhuǎn)變?yōu)榭招牧餍停阶冃?；對于壓力更大的湍流流型，隨著壓力的增大，噴霧錐角、流量和流量系數(shù)增大，噴霧粒徑減小，并且當(dāng)壓力增大到臨界值后，噴霧錐角和霧化粒徑均開始驟降. 張京等[12]研究噴霧扇面內(nèi)的液滴運動速度分布規(guī)律，推算出液膜破碎速度. 結(jié)果表明噴霧錐表面液滴最小速度小于中央?yún)^(qū)域最小速度，使其更易產(chǎn)生橫向遷移速度，并遠(yuǎn)離霧場. 尤其對于遠(yuǎn)離出口的位置，細(xì)小霧滴速度在其梯度力作用下迅速衰減，因而更易發(fā)生飄失.

有關(guān)雙路離心式噴嘴現(xiàn)有研究多集中于不同注入壓力條件下噴霧錐角、液滴粒徑與流量特性等霧化特性參數(shù)的變化規(guī)律，而針對霧場中液膜的形成與破碎機(jī)理研究較少. 基于此，本文采用高速運動分析系統(tǒng)研究主、副油路液膜的形成與破碎過程. 通過觀測主、副油路液膜的形態(tài)變化，分析不同工況條件下主、副油路液膜的形成與破碎機(jī)理，并針對液膜的形成與破碎過程提出進(jìn)一步提升噴嘴霧化質(zhì)量的影響因素，探究雙路離心式噴嘴的霧化機(jī)理.

1 實驗設(shè)計

實驗采用高速相機(jī)(veo410L，Phantom，America)配合200 mm鏡頭(AF Micro NIKKOR，Nikon)觀察與拍攝霧場中液膜的形成與破碎過程. 高速相機(jī)最大像素為1 280×800，最高拍攝幀率可達(dá)600 000幀/s，最小曝光時間為1 μs. 鏡頭焦距為200 mm，最近對焦距離為0.5 m，最大放大倍率為1倍，適合拍攝一些微小的景物，并能夠得到銳利的圖像. 為滿足拍攝亮度，實驗采用LED光源對環(huán)境補光，功率為100 W，亮度可調(diào). 本文采用背光拍攝的方法，將霧場放置于鏡頭與光源中間，通過背光拍攝可獲得清晰的霧場形態(tài). 高速相機(jī)、鏡頭和LED光源實物如圖 1所示.

噴嘴剖視圖如圖 2所示，噴嘴由副油路與主油路2條油路組成，該結(jié)構(gòu)設(shè)計可以克服單油路離心式噴嘴在低流量工況時霧化效果較差的缺陷，在保證霧化效果的前提下，大幅度提升了油量可調(diào)范圍. 2條油路均具有旋流槽以引導(dǎo)介質(zhì)發(fā)生旋流進(jìn)而霧化. 以副油路為例，介質(zhì)由副油路入口進(jìn)入，經(jīng)流道進(jìn)入旋流槽，由旋流槽流出后介質(zhì)流動速度方向由沿噴嘴軸向變?yōu)檠匦魇抑芟?，并在旋流室?nèi)發(fā)生高速旋轉(zhuǎn)運動，后經(jīng)收縮段加速，在等直段內(nèi)形成液膜，液膜失穩(wěn)后發(fā)生破碎. 噴嘴關(guān)鍵尺寸見表 1.

表1 噴嘴關(guān)鍵幾何尺寸

2 結(jié)果與討論

2.1 雙油路離心式噴嘴液膜形成過程

為滿足發(fā)動機(jī)不同工況下的流量需求，雙油路離心式噴嘴需要將兩油路進(jìn)行合理分配，而主、副油路在打開瞬間內(nèi)部介質(zhì)間，介質(zhì)與環(huán)境空氣間均存在較大的速度差，氣液交界面的剪切作用較強，造成了液膜的不穩(wěn)定性，使得在主、副油路打開的過程中霧化質(zhì)量下降[13-14]. 本節(jié)將對主、副油路液膜形成的過程與展開機(jī)理進(jìn)行深入研究，分析雙路離心式噴嘴液膜的形成過程. 采用高速相機(jī)對霧場形成過程進(jìn)行捕捉，并使用Matlab軟件提取完整液膜的灰度值變化規(guī)律. 噴霧介質(zhì)為水，噴射環(huán)境為大氣，水通過噴嘴內(nèi)部旋流槽到達(dá)噴口，在高速旋轉(zhuǎn)的作用下產(chǎn)生氣核形成液膜，液膜在霧場中展開成形.

2.1.1 雙路離心式噴嘴副油路液膜形成過程

為研究副油路打開過程中液膜形成過程，副油路壓力作用范圍在0～2 MPa，考慮到副油路的液膜完全發(fā)展，設(shè)定其入口壓力為1.0 MPa，高速相機(jī)采集的照片分辨率為300 DPI，選取圖片像素為306×219，拍攝幀率23 000 fps，油膜展開過程如圖3所示.

由圖3可知，副油路液膜展開可以分為射流、成膜、展開3個階段，不同階段的液膜灰度值圖像變化規(guī)律不同. 其中射流階段如圖3(a)所示. 開始時，在恒流條件下，流動逐漸發(fā)展，介質(zhì)流速較低，未能形成氣核，呈現(xiàn)射流模式，但由于噴嘴內(nèi)部旋流槽結(jié)構(gòu)的引導(dǎo)作用，產(chǎn)生的液柱在發(fā)生射流的同時還伴有自身的旋轉(zhuǎn)運動，使得斷裂的液滴產(chǎn)生橫向的拉扯(15 ms)并發(fā)生橫向斷裂(23 ms). 由于存在射流斷裂產(chǎn)生大液滴，液膜灰度值曲線呈現(xiàn)一個伴隨著斷裂的低值的波動狀態(tài). 隨著介質(zhì)流速的增加，噴嘴內(nèi)部形成氣核，并擠壓介質(zhì)形成液膜(46 ms)，成膜階段如圖3(b)所示. 上游液膜已經(jīng)形成，同時受到環(huán)境空氣的擾動形成表面波，液膜發(fā)生抖動. 但介質(zhì)流速較低，液膜在自身表面張力的作用下在下游發(fā)生收縮(52 ms)，液膜在表面波作用下發(fā)生斷裂(53、54 ms)，由于環(huán)境空氣擾動的作用，使液膜發(fā)生了較大的抖動，成膜階段的灰度值變化曲線呈現(xiàn)了大的波動狀態(tài). 展開階段如圖3(c)所示. 隨著流速持續(xù)增大，液膜受到的離心力最終克服表面張力，液膜不斷張開，并最終穩(wěn)定. 液膜表面形成穩(wěn)定的表面波，表面波延液膜展開方向不斷傳遞(84～87 ms)，直到液膜失穩(wěn)發(fā)生斷裂，發(fā)生初級破碎，破碎的液絲發(fā)生二次破碎生成小液滴. 由于液膜已經(jīng)充分發(fā)展，并存在一定的表面波，液膜灰度值表現(xiàn)了從低到高的整體變化，并伴隨著小的波動.

2.1.2 雙路離心式噴嘴主油路液膜形成過程

主油路壓力的作用范圍是0～4 MPa，為研究主油路打開過程中液膜形成過程，實驗設(shè)定入口壓力為2.0 MPa，高速相機(jī)采集照片的分辨率為300 DPI，拍攝圖片像素為303×199，拍攝幀率5 300 fps，具體展開過程如圖4所示.

由圖4可知，主油路液膜展開過程可分為聚集、成膜與展開3個階段，液膜灰度值也表現(xiàn)出類似的變化. 聚集階段如圖4(a)所示，由于主油路噴口直徑較大，同時實驗噴嘴所用的306不銹鋼為親水材料，介質(zhì)在噴口附近發(fā)生粘壁現(xiàn)象，阻礙了噴嘴內(nèi)部氣核的生成，但由于旋流槽結(jié)構(gòu)的引導(dǎo)作用，噴口附近的介質(zhì)發(fā)生轉(zhuǎn)動，轉(zhuǎn)動的同時有液滴剝離出來. 由于與副油路結(jié)構(gòu)不同，液膜形成過程呈現(xiàn)區(qū)別. 由于大液滴的斷裂，聚集階段的液膜灰度值曲線存在斷裂行為. 成膜階段如圖4(b)所示，隨著介質(zhì)流速的增加，噴嘴內(nèi)部形成氣核，黏附在噴嘴壁上的液膜在自身慣性作用下脫離噴嘴壁(72 ms)，黏附的水簇在光滑的液膜表面的移動最終滴落，但它的存在阻礙了液膜的形成，使得液膜在展開的同時發(fā)生扭曲(74～85 ms)，引起霧化質(zhì)量下降. 成膜階段由于液膜波動和底端的大液滴脫落，液膜灰度值曲線整體表現(xiàn)出由低到高再到低的過程，并存在自身的波動. 展開階段如圖4(c)所示. 噴嘴附近粘壁的介質(zhì)全部剝離下來，液膜上形成了穩(wěn)定的表面波，隨著介質(zhì)流速的增加，噴霧錐角逐漸增加，最終形成穩(wěn)定霧場. 主油路展開階段的液膜灰度值表現(xiàn)出和副油路相似的變化規(guī)律，曲線表現(xiàn)了從低到高的整體變化，并伴隨著小的波動.

2.1.3 副油路介質(zhì)流動對主油路液膜形成過程的影響

為了使雙路離心式噴嘴的霧化效果符合多種實際情況，本節(jié)實驗將重點分析副油路介質(zhì)流動時主油路打開時2層液膜的形成過程，以及2層液膜之間的相互作用. 設(shè)置副油路壓力為1 MPa，此時可以形成穩(wěn)定霧場；主油路壓力為2 MPa，打開主油路，觀察主油路液膜形成過程. 圖片像素設(shè)置為283×215，拍攝幀率為23 000 fps，以主油路啟動時為初始時刻，具體展開過程如圖5所示.

由圖5可知，當(dāng)副油路已形成穩(wěn)定霧場后，主油路的液體剛流出旋流槽時流量較小，由于副油路液膜流速較快，使其周圍產(chǎn)生了低壓區(qū)，主油路的介質(zhì)在低壓的作用下向副油路液膜貼近(27 ms)，主油路液滴不再發(fā)生粘壁現(xiàn)象，而是在副油路介質(zhì)剪切作用下發(fā)生霧化(46、65 ms)，生成了雜亂的微小液滴，提升了霧化質(zhì)量. 隨著主油路介質(zhì)旋轉(zhuǎn)速度的增加，逐漸形成獨立的液膜，由于主油路噴霧錐角遠(yuǎn)大于副油路噴霧錐角，導(dǎo)致主、副油路介質(zhì)的剪切作用逐漸降低，液膜周圍飛濺的小霧滴逐漸消失(82 ms). 隨著介質(zhì)流速的進(jìn)一步增加，主油路液膜逐漸展開，相比于上一個時間段，液膜范圍更大(107 ms). 最后液膜范圍到達(dá)最大，由于主油路液膜已經(jīng)完全展開，液膜范圍保持不變，形成了穩(wěn)定的表面波和霧場(116 ms、131 ms).

2.2 雙路離心式噴嘴液膜破碎過程

液膜在注入壓力與環(huán)境空氣的共同作用下發(fā)生破碎[15]. 由于旋轉(zhuǎn)液膜的復(fù)雜性，基于各種假設(shè)所做的理論分析只能給出定性的描述，尚未給出旋轉(zhuǎn)液膜的實際破碎情況. 本節(jié)將采用高速運動分析系統(tǒng)對液膜破碎過程進(jìn)行深入研究，為完善液膜破碎機(jī)理提供理論依據(jù). 本節(jié)實驗所用的噴霧介質(zhì)為水，出口環(huán)境為大氣.

2.2.1 雙路離心式噴嘴副油路液膜破碎過程

為研究副油路液膜破碎過程，壓力設(shè)置為1 MPa. 為保證拍攝的清晰度，以噴口圓心處為坐標(biāo)原點，拍攝位置為原點以下30 cm處，分別拍攝初級破碎過程與二級破碎過程，初級破碎拍攝幀率設(shè)置為40 000 fps，圖片像素為320×320，曝光時間為1 μs. 二級破碎拍攝幀率為48 000 fps，圖片像素為256×304，曝光時間1 μs. 破碎過程如圖6所示.

圖6(a)中液膜的灰度值可反映液膜的薄厚，液膜在離開噴口后逐漸變薄，這是由于液膜離開噴嘴出口后受自身慣性影響，旋轉(zhuǎn)半徑逐漸增加，面積逐漸增大，液膜厚度逐漸變薄. 同時，噴嘴出口處附近的液膜受到環(huán)境空氣的擾動作用，液膜上出現(xiàn)表面波[16](見圖6). 由于液膜各處厚度的不均勻性，抖動的液膜會在較薄的區(qū)域發(fā)生斷裂，出現(xiàn)孔洞(25 μs紅圈處)，孔洞邊緣處的介質(zhì)受到表面張力的作用，使得孔洞迅速擴(kuò)大(50 μs紅圈處)，孔洞下方的液膜(75、100 μs中紅圈處)與整體發(fā)生斷裂，完成液膜的初級破碎.

斷裂的液膜在自身慣性作用下仍存在繞噴霧軸心的旋轉(zhuǎn)運動，發(fā)生如圖6(b)所示的二級破碎. 由于液膜延軸向的收縮速度遠(yuǎn)小于沿徑向的收縮速度，初級破碎所形成的液膜會逐漸形成沿徑向的液帶(75 μs)，液帶邊緣上的介質(zhì)受到不同方向的表面張力，其運動方向各有不同，造成液滴持續(xù)失穩(wěn)，發(fā)生二級破碎，最終霧化成小液滴.

2.2.2 副油路周期振動及壓力對液膜的影響

通過對副油路液膜破碎過程的觀測發(fā)現(xiàn)，液膜本身存在不穩(wěn)定性，并且其表面波的振動頻率呈現(xiàn)周期性. 排除了實驗系統(tǒng)中相機(jī)參數(shù)、油壓、實驗臺振動的影響，得到以壓力為1 MPa為例振動周期的液膜變化過程，如圖7所示.

以采集到的一個振動周期為例，發(fā)現(xiàn)在0～125 μs內(nèi)，液膜表面波較為平穩(wěn)(如圖7中霧場邊緣處紅線所示)，液膜形態(tài)為規(guī)則圓錐體，表面波的波峰與波谷較為均勻. 從175 μs開始，液膜上的表面波振幅逐漸增大，在225 μs時下游開始呈現(xiàn)擺動. 在上端表面波與下端液膜的共同擺動的作用下，液膜整體在250 μs時開始發(fā)生整體擺動，使得發(fā)生初級破碎的位置更靠近噴口，減小破碎長度(如圖7中紅色橫細(xì)線所示)，提升了霧化效果. 液膜擺動的時間持續(xù)至550 μs，此時液膜表面波在此趨于平穩(wěn)，液膜形態(tài)還原為規(guī)則的圓錐體，一個振動周期結(jié)束. 在一個液膜振動周期內(nèi)，當(dāng)液膜發(fā)生擺動時，液膜破碎過程更加劇烈，生成的霧滴更小更均勻，其霧化效果會優(yōu)于未發(fā)生擺動時.

為研究不同注入壓力下液膜振動周期的長度，入口壓力選取0.4、0.6、0.8、1.0 MPa，拍攝幀率設(shè)置為40 000 fps，圖片像素為320×320，曝光時間為1 μs. 通過測量取得液膜振動周期和擺動時間的平均值如表2所示.

由表2所知，隨著注入壓力的增加，液膜振動周期逐漸減小. 當(dāng)壓力為0.4 MPa時，液膜振動周期為1 400 μs，在整個周期中液膜發(fā)生擺動的時間為800 μs，占總周期的57.14%；當(dāng)壓力為0.6 MPa時，液膜振動周期為1 175 μs，在整個周期中液膜發(fā)生擺動的時間為700 μs，占總周期的59.57%；當(dāng)壓力為0.8 MPa時，液膜振動周期為950 μs，在整個周期中液膜發(fā)生擺動的時間為575 μs，占總周期的60.52%；當(dāng)壓力為1.0 MPa時，液膜振動周期為525 μs，在整個周期中液膜發(fā)生擺動的時間為350 μs，占總周期的66.67%. 呈現(xiàn)該規(guī)律的原因是壓力的增大使得液膜表面波動頻率增加. 液膜擺動時長雖然逐漸減小，但是在一個周期內(nèi)振動時長占比逐漸增加，強化了霧化效果.

表2 不同壓力下的擺動周期與液膜擺動時間

2.2.3 雙路離心式噴嘴主油路液膜破碎過程

考慮到主油路的液膜充分發(fā)展，為研究主油路液膜破碎過程，壓力設(shè)置為0.2 MPa. 為保證拍攝的清晰度，以噴口圓心處為坐標(biāo)原點，拍攝位置為原點以下50 cm處，分別拍攝初級破碎過程與二級破碎過程，初級破碎拍攝幀率設(shè)置為10 000 fps，曝光時間為1 μs，圖片像素為832×600. 二級破碎拍攝幀率設(shè)置為35 000 fps，曝光時間為1 μs，圖片像素為512×256. 初級破碎和二級破碎過程分別如圖8、9所示.

由圖8可知，由于液膜表面形成表面波，液膜會發(fā)生抖動，液膜表面隨機(jī)呈現(xiàn)孔洞，如圖8(b)所示. 孔洞是否生成主要取決于液膜的薄厚是否均勻. 主油路液膜的初級破碎按是否形成孔洞分為2類. 當(dāng)液膜周向厚度比較均勻時，以任意時刻為初始時刻，都可以觀察到如圖8(a)所示的第1類破碎，液膜在自身慣性的作用下展開后，隨著液膜與空氣的剪切作用，液膜速度逐漸衰減，由于液膜邊緣處的介質(zhì)無法克服自身表面張力時發(fā)生失穩(wěn)，并最終碎裂成小液滴. 此類初級破碎的特點是破碎長度僅受噴口壓力與介質(zhì)表面張力的影響(見圖8(a)中紅線位置)，破碎長度較為穩(wěn)定. 當(dāng)液膜軸向厚度不均勻時，會發(fā)生如圖8(b)所示的第2類破碎，液膜表面波引起較薄處發(fā)生破碎，形成孔洞，孔洞邊緣處的介質(zhì)受到表面張力的作用逐漸擴(kuò)大，最終造成大塊液膜脫落，完成初級破碎. 此類初級破碎的特點是：影響破碎長度的主要因素為液膜的隨機(jī)性破碎，其破碎長度不穩(wěn)定.

初級破碎完成后，液膜變成與副油路相似的液帶，隨著液體的運動，液帶會發(fā)生二級破碎，二級破碎過程如圖9所示，定義液膜發(fā)生破碎的一瞬間為初始時刻(0 μs)，液膜邊緣處的介質(zhì)在表面張力的作用下發(fā)生集聚，并在下落過程中液膜逐漸變窄并轉(zhuǎn)變?yōu)橐簬?58 μs)，與此同時，邊緣處的介質(zhì)受到液膜反作用力的拉扯在液帶四周逐漸形成衛(wèi)星液滴(87、145 μs). 液帶中各部分質(zhì)量是不均勻的，表面張力與環(huán)境空氣阻力的共同作用使得更易在液帶直徑較小處發(fā)生斷裂(174、203 μs)，最終形成穩(wěn)定的液滴.

3 結(jié)論

1) 副油路液膜形成過程分為射流、成膜、展開3個階段，主油路液膜形成過程為聚集、成膜、展開3個階段. 在副油路液膜完全展開的基礎(chǔ)上再打開主油路，主油路油膜形成過程中受到副油路的剪切作用，霧化效果得到提升.

2) 實驗觀測到了副油路液膜周期性擺動現(xiàn)象，測量了不同壓力下副油路液膜的振動周期. 發(fā)現(xiàn)注入壓力由0.2 MPa增加至1.0 MPa時，液膜擺動時長雖逐漸減小，但是在一個周期內(nèi)擺動周期占比逐漸增加，液膜擺動時間增長，優(yōu)化了霧化效果.