環(huán)狀液膜射流霧化研究進展

師浩哲，胡 棟

環(huán)狀液膜射流霧化研究進展

師浩哲1，胡 棟2

（1.長安大學(xué) 能源與電氣工程學(xué)院，陜西 西安 710064；2.東風(fēng)汽車集團有限公司技術(shù)中心，湖北 武漢 430199）

噴霧廣泛應(yīng)用在農(nóng)業(yè)、航空航天、發(fā)動機、醫(yī)療等多個領(lǐng)域。良好的液膜霧化對減少能源損耗起著至關(guān)重要的作用，環(huán)狀射流其獨特的結(jié)構(gòu)具有碎裂長度短以及霧化質(zhì)量高的特點，所以論文從理論研究、實驗研究、仿真分析三個角度闡述了環(huán)狀液膜射流碎裂的研究現(xiàn)狀。重點對液膜碎裂機理，影響液膜碎裂的主要因素進行了相關(guān)分析總結(jié)。結(jié)果表明，線性穩(wěn)定性分析理論和非線性穩(wěn)定性分析理論仍是理論分析的基礎(chǔ)，大渦模擬（LES）和流體體積法（VOF）是數(shù)值模擬應(yīng)用較多的研究方法，液體粘度、韋伯?dāng)?shù)、液體表面張力等對環(huán)狀射流霧化影響較大。但在大液體韋伯?dāng)?shù)下的對霧化質(zhì)量研究還較少，增加工況點的選擇，加大仿真與實驗間的相互驗證，這是環(huán)狀射流在未來研究和發(fā)展的重難點之一。

噴霧；環(huán)狀射流；碎裂機理；韋伯?dāng)?shù)；液膜霧化

噴霧是將液體通過一定的壓力從噴嘴噴射到氣體介質(zhì)中，并且使其以一定的速度分散并碎裂成小顆粒液滴的過程。在日常生活中也有著廣泛的應(yīng)用。近年來“碳達峰、碳中和”是十四五時期經(jīng)濟社會發(fā)展的主要目標(biāo)和任務(wù)之一。在雙碳的大背景下，汽車發(fā)動機的燃油霧化是促進燃油速率和效率的關(guān)鍵因素，也是減少碳排放的重要影響因素[1]。由于平面射流和圓柱射流可視為環(huán)狀射流的特殊形式，本文以環(huán)狀射流為基礎(chǔ)從理論研究、實驗研究、數(shù)值仿真研究三個方面來闡述總結(jié)環(huán)狀液膜射流研究進展。

1 液膜碎裂基本原理

液膜霧化碎裂機理通常有空氣動力干擾說、壓力震蕩說、湍流擾動說、邊界條件突變說等，上述四種碎裂機理假說均有各自的不足之處[2]。在初次碎裂過程中，噴嘴噴出的射流受到其周圍氣體的干擾，使液體射流產(chǎn)生一定的波動，由于氣液之間速度的不斷變化，會產(chǎn)生明顯的液膜、液帶，液體不穩(wěn)定表面波變短，使環(huán)形液膜逐漸碎裂。二次碎裂是在初次碎裂的基礎(chǔ)之上再次分裂成更細小的液體。在氣動力、液體表面張力、氣液相對速度、黏性力等作用下形成更短的液體不穩(wěn)定表面波波長，顯著地擴大了液體與氣體之間的接觸面積[3]。液體在不同條件下的碎裂方式有些許不同，影響因素也不同。目前對液膜射流碎裂理論的研究比較認(rèn)可表面波非線性穩(wěn)定性理論[4]。其中環(huán)狀射流是一個三維柱坐標(biāo)環(huán)形液膜，其模型如圖1所示。

圖1 環(huán)狀射流物理模型

其坐標(biāo)軸分別為軸、軸和軸，沿著射流方向為軸，垂直射流方向為軸，射流軸向旋轉(zhuǎn)方向為軸。液相參數(shù)：液體速度l，液體的壓強l，液體密度l，液體表面張力系數(shù)l；氣相參數(shù)：內(nèi)環(huán)氣體的速度gi，外環(huán)氣體的速度go，氣體的壓力g，氣體的密度g；特征參數(shù)有內(nèi)環(huán)半徑i，外環(huán)半徑為o，內(nèi)環(huán)振幅為i，外環(huán)振幅為o，是沒有經(jīng)過擾動的環(huán)狀液膜半厚度，是內(nèi)環(huán)與外環(huán)氣液交界面表面波的相位角。

2 環(huán)狀液膜碎裂理論研究

環(huán)狀液膜的碎裂在噴嘴出口處呈圓環(huán)狀，形成的射流霧場為錐狀，其射流碎裂過程示意圖如圖2所示。

圖2 環(huán)狀射流碎裂過程示意圖

最早對環(huán)狀液膜射流霧化機理進行研究的是文獻[5]，其在1878年提出液滴平均直徑的經(jīng)驗公式

=3.01(dom)0.5（1）

式中，為液膜厚度；dom為支配表面波波長。

其還研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)氣液速度比較小時，液膜射流先碎裂成環(huán)狀的斷裂帶，而后再碎裂成大量的小液滴，液滴相關(guān)的波長、直徑、液膜厚度的關(guān)系如式（1）所示。

文獻[6]在忽略流體重力、粘性等條件，并在壁面光滑條件下提出了環(huán)狀液膜射流的不穩(wěn)定性模型，研究了波和波的不穩(wěn)定性。

文獻[7]對在無粘性氣體介質(zhì)中運動的環(huán)形粘性液體射流在時間模式的不穩(wěn)定性上進行了線性分析，發(fā)現(xiàn)了兩種獨立的不穩(wěn)定模式，給出了兩個界面處初始擾動的色散關(guān)系和振幅比的一般形式，并給出了不穩(wěn)定波增長率和振幅比下的數(shù)值結(jié)果。在環(huán)形或錐形液膜的破碎過程中，曲率效應(yīng)不可忽略。曲率效應(yīng)通常會增加擾動增長率，從而促進環(huán)形薄板的破碎過程。液體粘度在高韋伯?dāng)?shù)下具有穩(wěn)定作用，而在低韋伯?dāng)?shù)時，它在某些條件下增強了近反對稱波擾動的不穩(wěn)定性。由于大韋伯?dāng)?shù)在實際應(yīng)用中十分重要，如在與液體霧化有關(guān)的韋伯?dāng)?shù)下，近反對稱模式始終占主導(dǎo)地位。

文獻[8]對非牛頓環(huán)形液體射流的線性不穩(wěn)定性模式進行研究，發(fā)現(xiàn)對于無應(yīng)力狀態(tài)，通過正式引入增長率依賴粘度，可以從牛頓關(guān)系中簡單獲得相應(yīng)的色散關(guān)系，避免直接推導(dǎo)所隱含的繁瑣代數(shù)，通過連續(xù)的計算得到了環(huán)形射流不穩(wěn)定模式最大增長率范圍。

文獻[9]考慮了液體粘度對靜止氣體環(huán)境中環(huán)形液膜線性穩(wěn)定性的影響，發(fā)現(xiàn)了自然曲率的存在使表面張力非常特殊，并導(dǎo)出了一個無量綱數(shù)D來解釋液體粘度的穩(wěn)定影響。

文獻[10]應(yīng)用線性穩(wěn)定性分析方法對空心圓柱射流展開研究，發(fā)現(xiàn)射流的擾動發(fā)展與四個無量綱參數(shù)Re、We、Q、Ah（半徑與液膜厚度比）緊密相關(guān)。用無量綱數(shù)Je=We/Q來表征射流形態(tài)，當(dāng)Je大于1時（分裂狀態(tài)），表面張力增大促進擾動的發(fā)展，加速射流的分裂。當(dāng)Je小于1時，表面張力阻礙擾動的發(fā)展，進而阻礙射流的破裂。

文獻[11]對旋轉(zhuǎn)粘性環(huán)狀液膜在無粘性氣體作用下進行了時間模式下的穩(wěn)定性分析，推導(dǎo)出了旋轉(zhuǎn)粘性環(huán)狀液膜的無量綱色散關(guān)系式，發(fā)現(xiàn)隨著液體粘度和液體速度的降低，表面波最大增長率都增大，碎裂長度變短，液滴變小。

文獻[12-14]利用線性不穩(wěn)定理論分析了氣體旋轉(zhuǎn)運動對類反對稱模式下環(huán)狀液膜射流的碎裂過程，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，外氣體介質(zhì)的旋轉(zhuǎn)運動是環(huán)狀液膜趨于穩(wěn)定，內(nèi)氣體介質(zhì)的旋轉(zhuǎn)運動增加環(huán)狀液膜的不穩(wěn)定性，旋轉(zhuǎn)運動加強時，碎裂模式迅速發(fā)生變化，且內(nèi)氣體介質(zhì)對液膜的不穩(wěn)定性起決定性作用。

文獻[15]基于空間模式對環(huán)狀液膜界面失穩(wěn)機理進行了三維非線性穩(wěn)定性分析，發(fā)現(xiàn)氣體流動對環(huán)狀液膜的不穩(wěn)定性有很大的影響。當(dāng)氣液速度差較小時，液膜碎裂受到抑制，碎裂長度變長。氣液速度差較大時，碎裂長度變短，氣體速度越大，液膜越不穩(wěn)定。還發(fā)現(xiàn)一階和二階最大擾動增長率隨著氣液速度差和液膜曲率的增大而增大，環(huán)狀液膜的內(nèi)外剪切作用是環(huán)狀液膜不穩(wěn)定的根源。

文獻[16]使用粘性勢流理論（Viscous Pressure Forming, VPF）研究環(huán)狀流在毛細管中的不穩(wěn)定性，并主要分析了層流速度狀態(tài)下的環(huán)形射流的不穩(wěn)定性。利用切比雪夫配點法和邊界技術(shù)，推導(dǎo)出了色散關(guān)系式。VPF是基于速度矢量場無旋性假設(shè)的簡化流動模型，在小韋伯?dāng)?shù)和小雷諾數(shù)下，基于VPF建立的模型可以準(zhǔn)確預(yù)測環(huán)形射流的不穩(wěn)定性和影響不穩(wěn)定性的臨界參數(shù)。

文獻[17]基于時間模式運用線性不穩(wěn)定理論研究了熱質(zhì)傳遞對環(huán)狀液膜在氣體介質(zhì)中軸向運動的影響，得到了色散關(guān)系式。其研究發(fā)現(xiàn)，熱質(zhì)在小波數(shù)下，促進波的增長速率，并在零波數(shù)下達到最大。當(dāng)波數(shù)大于1.15時，增加液體韋伯?dāng)?shù)，會增加環(huán)狀液膜的不穩(wěn)定性；波數(shù)小于1.15時，增大液體韋伯?dāng)?shù)，則抑制液膜的不穩(wěn)定性。在較強的傳熱傳質(zhì)條件下，當(dāng)波數(shù)大于0.28時，增大氣液密度比，由于內(nèi)部氣體的擾動作用，會增加表面波的最大增長率，增加液膜的不穩(wěn)定性；當(dāng)波數(shù)小于0.28時，增大氣液密度比，則抑制液膜的不穩(wěn)定性。在較大的液體韋伯?dāng)?shù)下，內(nèi)部氣體擾動對波增長率的促進作用最大，在環(huán)向液膜失穩(wěn)過程中，內(nèi)界面起主導(dǎo)作用。

文獻[18]對同軸旋流噴嘴的霧化過程進行了研究，建立了K-H和R-T兩階段的理論碎裂模型來預(yù)測環(huán)狀液膜噴霧場的索特平均直徑（Sauter Mean Diamter, SMD），結(jié)果表明，其理論模型與以往的實驗數(shù)據(jù)高度吻合，說明了該理論模型的有效性。隨后也研究了流體物理性質(zhì)和流動參數(shù)對液滴SMD的影響，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，氣體粘度和壓縮性對同軸旋流噴嘴的SMD影響較小，當(dāng)液體密度增加時，SMD增大，當(dāng)氣體密度增加時，SMD減小。SMD隨著表面張力的增加而增加。隨著半錐角的增大，SMD先增大后減小，通過預(yù)測碎裂模型可以得到最佳噴霧錐角。

3 環(huán)狀射流的實驗研究

文獻[19]對旋轉(zhuǎn)霧化器的噴嘴進行了射流初次碎裂動力學(xué)和噴霧特性的實驗研究。采用了脈沖背光照明的高分辨率陰影成像技術(shù)對噴霧可視化觀察。研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)了瑞利模式、袋狀模式、拉伸碎裂模式以及剪切碎裂模式四種射流碎裂模式。而后又使用Particle Droplet Image Analysis（PDIA）技術(shù)進行了霧滴尺寸測量，發(fā)現(xiàn)液體韋伯?dāng)?shù)對SMD值有較大的影響。

文獻[20]通過實驗研究了射流中表面活性劑液滴的剪切破碎和射流中的過渡韋伯?dāng)?shù)，研究結(jié)果表明，表面活性劑的濃度對液膜的碎裂有著重要的影響（影響表面張力），并得到過渡韋伯?dāng)?shù)的預(yù)測表達式。

文獻[21]對航空燃氣輪機的壓力旋流噴嘴展開研究，重點研究了在燃油溫度變化的條件下，粘度對液膜厚度和碎裂長度的影響。通過實驗測量質(zhì)量流量、流量系數(shù)（d）、噴霧錐角等參數(shù)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，隨著溫度的降低，燃料的粘度會增大，局部液滴不均勻分布，噴霧錐角增大，會導(dǎo)致液膜厚度變大，兩次碎裂的碎裂長度變長，霧化質(zhì)量變差。在考慮粘度影響的條件下，推導(dǎo)出一個新的預(yù)測碎裂長度的表達式為

文獻[22]采用平行電導(dǎo)探針測量了旋轉(zhuǎn)環(huán)形流的液膜厚度，對垂直向下旋轉(zhuǎn)環(huán)形流和直流之間液膜的差異進行了研究。通過理論分析建立了預(yù)測液膜厚度的數(shù)學(xué)模型，其數(shù)學(xué)模型采用相關(guān)數(shù)據(jù)點有93.2%，在10%誤差范圍內(nèi)，說明其預(yù)測模型有良好的數(shù)學(xué)精度。

文獻[23]采用一種新型的非入侵式多層電導(dǎo)傳感器，測量了垂直向上和傾斜向上環(huán)狀流管壁內(nèi)的瞬時液膜厚度。研究了垂直和傾斜管道中同向上升氣水環(huán)狀流的波浪狀界面結(jié)構(gòu)，并對液膜表面波實現(xiàn)三維重建。發(fā)現(xiàn)了擴散波、擾動波以及失穩(wěn)波三種類型的界面波。對于較大的液體流速，擾動波對界面起主要的控制作用。對于較低的液速，方位角和傾角對界面結(jié)構(gòu)起主導(dǎo)作用。界面波形圖是這些角度的函數(shù)。

文獻[24]采用相位多普勒風(fēng)速儀測量多個徑向位置的液滴尺寸和速度，研究了垂直氣液兩相環(huán)形流，得出液滴流速、尺寸、速度和動量的徑向演化特征。結(jié)果表明，隨著夾帶液滴從液膜-氣芯交界面向中心軸線移動，液滴的數(shù)目逐漸減小，這是由于液滴聚合作用大于液滴碎裂，表明氣核內(nèi)液滴的徑向演化是影響氣液交界面特性的關(guān)鍵因素。

文獻[25]研究了低中心射流雷諾數(shù)下環(huán)空脈動對雙同心射流流動特性和混合特性的影響。使用激光光片可視化的方法觀察到射流的長曝光圖像和條紋圖像，并通過粒子測速成像儀測量了速度特性、湍流強度分布、渦度輪廓和射流擴散寬度等參數(shù)。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，當(dāng)環(huán)形液膜射流收到脈動沖擊時，環(huán)狀射流會向中心軸線上匯合，流場中的湍流強度增加，中心射流分散到環(huán)形射流中，射流之間的混合能力增強。噴射效率和霧化質(zhì)量得到提高。

文獻[26]通過向液相中加入少量1-丁醇改變垂直環(huán)形液膜射流水的表面張力（不改變液體動力粘度），對環(huán)狀液膜射流的表面波和液膜厚度進行了實驗研究。測量了表面波的平均振幅、頻率和液膜厚度。分析了表面張力對氣液兩相流中速度及其他物理量的影響。

文獻[27]研究了絕熱條件下氣液環(huán)形液膜擾動波的特性。利用亮度的激光誘導(dǎo)熒光技術(shù)（Brightness-Based Laser-Induced Fluorescence, BBLIF）對下游過程中單個擾動波的特性和聚集過程進行了重點研究。結(jié)果顯示，擾動波在入口下方150 mm～200 mm的距離處穩(wěn)定，擾動波速率呈現(xiàn)先增大后減緩的趨勢，其研究還表明，當(dāng)一個擾動波吸收另一個擾動波時，其速度會增加2%，振幅增加5%～6%，縱向尺寸保持不變。

文獻[28]利用激光誘導(dǎo)熒光（Laser-Induced Fluoresence, LIF）和共焦色度傳感器（Confocal Chroma Sensor, CCS）對加熱管中環(huán)形流動的對流沸騰傳熱進行了實驗研究，得到了管內(nèi)液體薄膜動力學(xué)和不穩(wěn)定性。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，傳熱系數(shù)隨著液體表觀速度的增加而增加，隨著蒸汽表觀速度的增加而減小。蒸汽表觀速度是影響基底膜厚度和波幅的主要因素。蒸汽表觀速度的增大和液體速度的減小會使液膜厚度和波幅均減小。

4 環(huán)狀射流的仿真研究

文獻[29]通過使用流體幾何體積法（Volume Of Fluid, VOF）和有界壓縮格式，采用大規(guī)模網(wǎng)格計算方式對環(huán)形液膜的失穩(wěn)性和液膜的初次碎裂進行了模擬仿真研究。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，進入的流體頭部最先受到?jīng)_擊和擾動，從而引起氣液兩相之間剪切力以及之間的相互碰撞，從而增強了液膜的不穩(wěn)定性，促進了液膜的霧化進程。

文獻[30]采用計算流體力學(xué)中的兩相流大渦模擬（Large Eddy Simulations, LES）和VOF等方法對大型壓力旋流霧化器在高粘度流體流動時液膜內(nèi)部流動和噴嘴的不穩(wěn)定性進行了研究。其研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)，當(dāng)液體雷諾數(shù)在420時，由于噴嘴出口處速度分布不均，液膜噴霧呈S型；當(dāng)液體雷諾數(shù)大于420且小于830時，液膜為混合型液膜。當(dāng)液體雷諾數(shù)大于1 660時，形成空心錐型液膜。還發(fā)現(xiàn)了增加液體雷諾數(shù)會使噴嘴附近液體的質(zhì)量流量分布更均勻。

文獻[31]使用Smagorinsky亞網(wǎng)格模型的LES對同軸環(huán)形氣流對高粘性液體射流的初始破碎進行了模擬研究。結(jié)果表明，在破碎頻率、速度場和形態(tài)記錄方面與使用高速相機以及粒子圖像測速法（Particle Image Velocimetry, PIV）和激光多普勒測速技術(shù)（Laser Doppler Anemometry, LDA）系統(tǒng)對射流破碎的研究結(jié)果高度吻合。

文獻[32]等利用LES、傅里葉高階代碼、高階差分形式和壓力-速度耦合方法對環(huán)形無旋射流進行了仿真模擬研究。重點研究了不同的雷諾數(shù)和內(nèi)部剪切層厚度，并發(fā)現(xiàn)這兩個參數(shù)對流動動力學(xué)的影響，隨著內(nèi)剪切層厚度和雷諾數(shù)的增加，射流的逆流強度得到增強。

5 結(jié)論

綜上所述，環(huán)狀液膜射流霧化和碎裂機理一直是當(dāng)今噴霧學(xué)研究的重點內(nèi)容之一。

理論研究方面，隨著環(huán)狀液膜碎裂研究的逐步發(fā)展，從液體的無粘性到有粘性，氣體的不可壓縮性到可壓縮性，從最初的基于時間模式到空間模式再到現(xiàn)在的時空模式，從線性穩(wěn)定性理論到非線性穩(wěn)定性理論，都對環(huán)狀液膜射流的發(fā)展有著一定的支持。

實驗研究方面，實驗中所用到的儀器精密度越來越高，可以測量的物理量也越來越多，從高速攝影法到激光誘導(dǎo)熒光法再到粒子成像法，從平行電導(dǎo)探針到非入侵式多層電導(dǎo)傳感器到相位多普勒風(fēng)速儀等在一定條件下對環(huán)狀射流碎裂機理進行了闡述。

數(shù)值模擬方面，射流碎裂的模擬采用VOF、LES、Open FOAM等采用高階代碼等方法對射流進行仿真研究，仿真的模型更能體現(xiàn)真實情況，仿真的精確度進一步提高。

影響環(huán)形液膜射流碎裂的因素有很多，如氣液速度比、液流韋伯?dāng)?shù)、液流雷諾數(shù)、氣液密度比、氣流馬赫數(shù)、噴嘴含氣率、表面張力、空氣動力等。前人對此進行了一定量的研究。但在大液流韋伯?dāng)?shù)下，對液膜射流碎裂的影響包括支配表面波數(shù)，表面波增長率等研究的較少，在流體流動徑向方向上也是研究的重點之一。實驗研究只針對某單一現(xiàn)象，有一定的局限性，豐富對環(huán)狀射流的研究方法，實驗、理論、仿真三者結(jié)合的方式相輔相成，從而提高實驗的精確性。

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Research Progress of Annular Liquid Film Jet Atomization

SHI Haozhe1, HU Dong2

( 1.School of Energy and Electrical Engineering, Chang'an University, Xi'an 710064, China;2.Dongfeng Motor Corporation Technology Center, Wuhan 430199, China )

Spraying is widely used in many fields such as agriculture, aerospace, engine, medical and so on. Good liquid film atomization plays a vital role in reducing energy loss, among which annular jet has the characteristics of short fragmentation length and high atomization quality with its unique structure, so this paper elaborates the research status of annular liquid film jet fragmentation from three perspectives: theoretical research, experimental research and simulation analysis. The focus is on the mechanism of liquid film fragmentation, and the main factors affecting the liquid film fragmentation are summarized in the relevant analysis. The results show that linear stability analysis theory and nonlinear stability analysis theory are still the basis of theoretical analysis, large eddy simulation (LES) and volume of fluid (VOF)method are the more applied research methods of numerical simulation, liquid viscosity, Weber number, liquid surface tension, etc. have a greater influence on annular jet atomization. However, the study of atomization quality under large liquid Weber number is still relatively small, increasing the choice of operating point and increasing the mutual verification between simulation and experiment, which is one of the important difficulties in the future research and development of the annular jet.

Spray; Annular jet; Fragmentation mechanism; Weber number;Liquid film atomization

U473

A

1671-7988(2022)23-238-06

U473

A

1671-7988(2022)23-238-06

10.16638/j.cnki.1671-7988.2022.023.044

師浩哲（1997—），男，碩士研究生，研究方向為動力裝置內(nèi)部流動，E-mail:shihaozhe1007@126.com。