射流參數(shù)對均勻橫向氣流中射流破碎特性的影響

李亞軒 （導(dǎo)師）鄧甜

1緒論

隨著現(xiàn)代航空業(yè)的發(fā)展，高效而又環(huán)保的貧油燃燒技術(shù)成為研究的重點，其中霧化效果是影響發(fā)動機(jī)性能的重要因素，需要對射流破碎特性的深入研究，以建立射流破碎模型，指導(dǎo)低污染燃燒技術(shù)的研發(fā)。

本文通過實驗研究均勻橫向流場中液體射流破碎特性，搭建實驗平臺，制定實驗方案，使用高速攝影儀記錄實驗現(xiàn)象。通過設(shè)計不同的氣流和射流速度，觀察液柱形態(tài)和破碎后液滴的變化。出現(xiàn)液柱破碎、袋式破碎和復(fù)合破碎三種破碎形式。對不同破碎機(jī)理和表面波現(xiàn)象進(jìn)行理論分析，研究破碎相關(guān)物理量和射流參數(shù)的關(guān)系。發(fā)現(xiàn)隨著液氣動量比的增加，射流的橫向破碎距離減小，縱向破碎距離增加;隨著氣流韋伯?dāng)?shù)的增加，射流表面波波長和破碎液滴粒徑減小。對實驗數(shù)據(jù)擬合并總結(jié)出物理量與射流參數(shù)的數(shù)學(xué)關(guān)系式。

本文主要研究的是均勻橫向流場中液體射流的破碎特性，故針對研究對象，參考國內(nèi)外設(shè)計實驗的相關(guān)方案，搭建實驗平臺，如圖1所示。

2破碎機(jī)理和液柱形態(tài)研究

在設(shè)計的實驗方案的基礎(chǔ)上，本章對得到的實驗圖像進(jìn)行分析，研究液柱破碎形態(tài)和破碎機(jī)理。分析圖像時坐標(biāo)軸的定義、橫向氣流和射流來流方向如圖2所示。其中將液體噴射口作為原點，x軸方向和橫向氣流方向一致，y軸方向和射流方向一致。

從得到的實驗圖像來看，本實驗主要涉及到三種破碎模式：液柱破碎、袋式破碎和復(fù)合破碎。破碎模式和橫向射流中液氣動量比、氣體韋伯?dāng)?shù)都有關(guān)系。不同的破碎模式會帶給射流不同的破碎特性，最終導(dǎo)致不同的霧化效果。本章將在之后對三種破碎機(jī)理進(jìn)行分析，并研究不同破碎模式對應(yīng)的工況和液柱表面波特性。

2.1液柱破碎

液柱破碎發(fā)生在低韋伯?dāng)?shù)情況下。

液體從噴嘴垂直方向射出，在橫向氣流的作用下，液柱發(fā)生彎曲，在液柱上可以清晰觀察到表面波。在射流剛從噴射口噴出的一小段距離內(nèi)，表面波類似于對稱波，而隨著射流的發(fā)展，表面波的非對稱特性逐漸顯現(xiàn)出來，且會隨著射流進(jìn)程的進(jìn)行逐漸發(fā)展。同時，液柱的形態(tài)也不是完全的圓弧形，柱體上存在蛇形波。這種體波的形成是由于氣流撞擊到液柱上，從而在迎風(fēng)面和背風(fēng)面形成壓強差，并隨時間推移使液柱不斷擺動。體波的產(chǎn)生會大大加深射流的不穩(wěn)定性，促進(jìn)表面波的發(fā)展，最終產(chǎn)生液柱的斷裂和液滴的形成。

可以說液柱破碎機(jī)理下液柱上波的產(chǎn)生很大程度上決定了液滴的生成。表面波促使液滴向波峰聚集，兩波峰之間的液柱在發(fā)展中逐漸變細(xì)，表面波的波幅逐漸增大并并最終在波和表面張力的影響下斷裂形成液滴。

2.2袋式破碎

隨著氣體韋伯?dāng)?shù)升高，射流呈現(xiàn)袋式破碎模式。袋式破碎作為很普遍的破碎現(xiàn)象。

袋式結(jié)構(gòu)的形成和體波的原理相似。橫向氣流的沖擊對液柱有剪切作用，并在迎風(fēng)面和背風(fēng)面產(chǎn)生壓強差，導(dǎo)致液柱向下游彎曲形成液袋，呈現(xiàn)橢圓型的彎曲。與液柱破碎的體波現(xiàn)象不同的是，袋式破碎中氣體韋伯?dāng)?shù)更高，橫向氣流帶來的氣動力更強，使得液柱的形態(tài)不僅會彎曲，袋式結(jié)構(gòu)還會逐漸變薄，到最后在氣動力作用超過袋式結(jié)構(gòu)負(fù)荷的情況下發(fā)生破裂，形成液團(tuán)和液滴。

與液柱破碎相比，袋式破碎結(jié)構(gòu)中也存在節(jié)點和連接各節(jié)點的液絲，在氣動力和表面張力的作用下液絲變薄產(chǎn)生液滴，而且液滴的粒徑顯著減小。由于袋式破碎是袋狀結(jié)構(gòu)從中間破裂產(chǎn)生，故在射流上游段有可能產(chǎn)生大段液團(tuán)，液團(tuán)會在之后再次破碎產(chǎn)生液滴，屬于二次破碎的范疇。

在表面波方面，袋式結(jié)構(gòu)中顯然不能保持穩(wěn)定的波的現(xiàn)象。在液柱段，可以觀察到表面波更加緊密和紊亂，屬于高階不穩(wěn)定非對稱波的形式。

在實驗中，韋伯?dāng)?shù)為8時射流液柱就已經(jīng)出現(xiàn)袋式結(jié)構(gòu)。如圖3所示，隨著氣流韋伯?dāng)?shù)的增加，袋式破碎的破碎程度逐漸增大。

2.2復(fù)合破碎

在韋伯?dāng)?shù)較高時，射流破碎模式逐漸向混合破碎模式轉(zhuǎn)變，如圖4所示。

可以看出，雖然在射流過程中可辨認(rèn)出液柱中的袋式結(jié)構(gòu)，但是袋式結(jié)構(gòu)破碎很快，且在破碎后形成非常細(xì)小的液霧，在液柱上也會發(fā)現(xiàn)有細(xì)小液滴剝落的現(xiàn)象。這種破碎的現(xiàn)象可以歸納到復(fù)合破碎機(jī)理中，即在氣動力很強的情況下，液柱發(fā)展并形成了袋狀結(jié)構(gòu)，但很快氣動力作用便突破袋式結(jié)構(gòu)的負(fù)荷并使其破碎成液滴，而這些液滴在很強的剪切作用下繼續(xù)分裂成更細(xì)小的液滴，最終組成了細(xì)小液霧的破碎現(xiàn)象。

在復(fù)合破碎機(jī)理圖片中，射流液柱下游部分可以看到螺旋狀的表面波型，如圖 所示?？梢哉J(rèn)為螺旋波屬于比較高階的非對稱波形，在液柱的發(fā)展過程中隨氣動力的影響產(chǎn)生，但是隨著韋伯?dāng)?shù)的增加螺旋波的抖動會更明顯和激烈。首先，螺旋波的出現(xiàn)使表面波的波峰在迎風(fēng)和背風(fēng)面上位置產(chǎn)生交錯，從而使液柱接觸橫向氣流沖擊的面積增大，在氣動力的作用下易形成袋式破碎現(xiàn)象。其次，液柱在螺旋上升的情況下在切向與氣流的摩擦更強烈，促使高階小表面波的產(chǎn)生，并最終使液柱表面液滴剝離現(xiàn)象出現(xiàn)。

值得一提的是，對于這種液滴剝離的現(xiàn)象，Wu P.K等人已經(jīng)有所研究并把這種現(xiàn)象歸結(jié)為表面破碎機(jī)制。其實這種現(xiàn)象的產(chǎn)生與橫向剪切作用不無關(guān)系，表面破碎機(jī)制和剪切破碎機(jī)制有一定的相似之處。參考Wu P.K等人對破碎模式與射流參數(shù)的關(guān)系，液氣動量比和氣體韋伯?dāng)?shù)對破碎模式的劃分都有影響。

3射流參數(shù)關(guān)系式擬合

對得到的圖像經(jīng)二值法處理后，各射流破碎參數(shù)的測量方法如圖5所示。為了使數(shù)據(jù)更有普遍性，對得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行無量綱處理，即取數(shù)據(jù)與射流噴嘴直徑的比值。下文將描述射流破碎位置和表面波波長的數(shù)值擬合結(jié)果。

3.1射流破碎位置與射流參數(shù)擬合

射流破碎距離特性是橫向氣流射流霧化流程中很重要的研究項目，代表著射流的液柱斷裂位置和液滴生成位置。研究破碎距離時分為橫向破碎距離和縱向破碎距離兩方面。分析時先確定射流破碎點，即第一個液滴脫離液柱時液柱的斷裂點，此點與原點的x方向距離為橫向破碎距離，與原點y方向為縱向破碎距離。

豎直方向的射流在橫向氣流的作用下彎曲，橫向和縱向破碎距離在一定程度上反映了氣流對液柱的影響程度。在實驗圖像中可以觀察到一般規(guī)律。射流速度不變的情況下，不同的氣流速度帶來液柱發(fā)展形態(tài)的改變，并影響射流破碎點的移動，如圖6所示。

可以看出，隨著氣流速度的增加，液柱彎曲的程度增大，射流破碎點向右下方向移動，大體趨勢是橫向破碎距離的增加和縱向破碎距離的減小。這種現(xiàn)象是由于氣流速度的增加使得氣動力作用更強，液柱抵抗氣流沖擊變形的能力減弱，射流穿透深度減小。同樣的，當(dāng)氣流速度不變而射流速度減小時，可以觀察到類似現(xiàn)象。

在得到射流液柱變化的規(guī)律后，考慮用液氣動量比來表示氣體和液體的影響和抵抗能力的大小，并根據(jù)此參量研究破碎位置的變化關(guān)系。對于得到的橫向和縱向破碎距離無量綱化后記為x/d和y/d。

兩曲線擬合關(guān)系式分別為：

由此擬合結(jié)果可知，隨著氣流韋伯?dāng)?shù)的增加，表面波的波長減小。從理論上分析，韋伯?dāng)?shù)的增加意味著氣動力作用增加，此時液柱會受到更強的擾動效果變得更加不穩(wěn)定，表面波的發(fā)展隨液柱加快，從而使表面波的波長減小。

3.3破碎液滴粒徑分析

3.3.1粒徑特性的理論分析

射流破碎產(chǎn)生的液滴大小是分析霧化效果中重要的參量。在破碎過程中，液柱在橫向氣流場中發(fā)生破裂，生成大液團(tuán)和液滴，這是一次霧化的過程。隨后，液團(tuán)和液滴在氣流場中受到擾動繼續(xù)分裂，形成更小的液滴，最后形成液霧，這是基于分裂出的液滴下射流的二次霧化過程。一次霧化形成的液滴對二次霧化過程有很大的影響，液滴的直徑越小，隨后二次霧化的破碎過程會更快速，最終形成的液霧也更細(xì)密。由于實驗條件的限制，本文主要分析一次霧化中液滴的粒徑隨流場參數(shù)的變化。

破碎產(chǎn)生液滴大小與破碎模式有很大關(guān)系（圖7）?？梢钥闯?，在液柱破碎中，液滴的形成很依賴于液柱中表面波的發(fā)展，并隨著波幅的增大，節(jié)點之間相互脫離斷裂產(chǎn)生液滴。對于袋式破碎，液滴從袋式結(jié)構(gòu)的分解中產(chǎn)生，而袋式結(jié)構(gòu)在氣動力的壓迫下厚度很小，隨后其中的小節(jié)點斷開產(chǎn)生大量細(xì)小液滴。對于剪切破碎，射流液柱在剪切作用下產(chǎn)生液霧的過程本身就屬于二次破碎，在這種破碎模式下液滴粒徑最低。

另外，對比不同工況下的實驗圖像，在氣流韋伯?dāng)?shù)不變的情況下，通過觀察可以發(fā)現(xiàn)隨著液氣動量比的增加，射流的破碎程度一定程度上呈增大態(tài)勢。這種情況一方面可能是由于隨著液體動量的增加，液氣之間的沖擊變強，液體的粘性力致使表面波發(fā)展加快，所以破碎效果更明顯;另一方面結(jié)合破碎模式的分析，液氣動量比和氣流韋伯?dāng)?shù)都會引起破碎模式的變化，固定韋伯?dāng)?shù)、增加動量比會引起射流向更強破碎模式方向發(fā)展，使得液滴粒徑發(fā)生變化。

3.3.2液滴粒徑的數(shù)值擬合

對于得到的粒徑的數(shù)值分析，本實驗主要將其結(jié)合氣流韋伯?dāng)?shù)的變化做數(shù)值擬合。對粒徑的選取是液柱破碎后產(chǎn)生的第一個液滴。在袋式破碎結(jié)構(gòu)中，選取袋式末端的液滴，此液滴是袋式結(jié)構(gòu)破碎的最大液滴，可以看成破碎液滴粒徑的最大值。數(shù)據(jù)結(jié)果取10組圖像分析的平均值，并將無量綱化后的粒徑記為D/d。

由此擬合結(jié)果可知，隨著氣流韋伯?dāng)?shù)的增加，射流破碎液滴的粒徑逐漸減小。在氣動力影響增強的情況下，表面波的發(fā)展加快，射流破碎模式也向更有利破碎的模式轉(zhuǎn)變，產(chǎn)生的粒徑不斷減小，符合前面的理論分析。值得一提的是，在后幾個參量中破碎模式主要為袋式破碎，在形成的大液滴粒徑更小的情況下也有很多從袋狀結(jié)構(gòu)脫離出的細(xì)小的小液滴，形成更強的破碎效果;而在更高風(fēng)速形成的剪切破碎情況下，會生成極小液滴組成的液霧。由此可見，提高氣流速度是減小粒徑的十分有效的方法。

總結(jié)

本文通過實驗方法對均勻橫向氣流場中液體射流的特性研究，得出以下結(jié)果。

（1）對橫向流場中四種破碎模式和液柱發(fā)展形態(tài)進(jìn)行了分析。破碎模式的區(qū)分與氣流韋伯?dāng)?shù)和液氣動量比都有一定關(guān)系。在液柱發(fā)展的過程中存在非對稱表面波和體波的現(xiàn)象，有時會出現(xiàn)螺旋狀波形。在波的影響下液柱不穩(wěn)定性大大增加，最終導(dǎo)致破裂和液滴的形成。

（2）在韋伯?dāng)?shù)升高的情況下出現(xiàn)袋式破碎。在氣動力沖擊下液柱迎風(fēng)面和背風(fēng)面形成壓強差，出現(xiàn)向下游彎曲的袋狀結(jié)構(gòu)，并隨著射流進(jìn)程袋狀結(jié)構(gòu)逐漸變薄，破碎成細(xì)小的液滴。

（3）在實驗中還出現(xiàn)袋式破碎和剪切破碎并存的復(fù)合破碎模式。剪切破碎是在高韋伯?dāng)?shù)的情況下，液柱收到剪切作用在一射出噴射口時就破碎成細(xì)小的液霧。在本實驗中觀察到的復(fù)合破碎模式中，可以觀察到袋式結(jié)構(gòu)，但其很快就破碎并形成極小的液滴。

（4）對橫向氣流中射流的無量綱橫向破碎距離和縱向破碎距離分別與液氣動量比進(jìn)行數(shù)值擬合，得到以下擬合式：

（5）對橫向氣流中射流的無量綱表面波波長與氣流韋伯?dāng)?shù)進(jìn)行數(shù)值擬合，得到以下擬合式：

（6）對射流破碎產(chǎn)生的液滴粒徑進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)不同的破碎模式下液滴大小有很大不同，本實驗中復(fù)合破碎機(jī)理下的破碎效果最好。袋式破碎下在生成大液滴的同時袋狀結(jié)構(gòu)破裂會產(chǎn)生細(xì)小的液滴。得到了提高氣流速度可以有效提高射流效果的結(jié)論，并對無量綱粒徑的數(shù)值與氣流韋伯?dāng)?shù)進(jìn)行擬合，得到的擬合式為：