液膜射流和圆射流雾化过程的湍流演化特性

刘 刚，刘伍权，许 翔，刘瑞林，董素荣，周广猛，汪 洋

（1.军事交通学院 军用车辆系，天津 300161；2.清华大学 汽车工程系，汽车安全与节能国家重点实验室，北京 100084；3.天津大学 内燃机燃烧学国家重点实验室，天津 300072）

0 引 言

喷雾过程是利用压力将液体通过喷嘴喷射进入气体介质中，使之分散并破碎成小颗粒液滴的复杂力学过程［1－2］。喷射液体的破碎雾化过程主要分为圆形射流（简称圆射流）和液膜射流两种形式［1，3－6］。

湍流是自然界中普遍存在的流体运动形式，是在高速流动（大雷诺数）的情况下产生的一种不定常的流体运动［7］。湍流的基本特性在于其随机产生的涡旋结构，以及这些涡旋在流体内部的随机运动。由于不规则性和随机性是其最主要的特征，因此常用统计学的方法定义湍流特性参数。这些参数主要包括湍流强度和湍流尺度。湍流强度是表征流场中质点速度变化强度的参数，分为空间和时间两种湍流强度。湍流尺度［8］是表征湍流场中存在的涡旋运动尺寸大小的特征值，按定义和研究角度的不同分为普朗特混合尺度（lm）、湍流积分尺度（lx）、泰勒微尺度（λ）以及科尔姆格罗夫微尺度（η）。由于湍流积分尺度能够近似反映湍流流场总体旋涡的平均尺度，且计算原理较直观，在流场分析中应用广泛。

目前，学界针对圆射流和液膜射流的雾化流场湍流特性的测量和分析鲜见发表，笔者曾经对两种射流在不同喷射脉宽下的破碎雾化机理进行了试验研究［9］。本文利用 PIV 技术［10－11］对分属于液膜射流和圆射流的涡旋喷嘴和双孔喷嘴的射流雾化流场的空间湍流强度和湍流积分尺度演化过程进行测量和分析，为进一步研究两种射流的雾化湍流演化特征提供试验依据。

1 试验装置及方法

1.1 试验装置

图1所示的试验装置分为油路系统，单片机控制系统，上位机以及PIV系统四个部分，喷雾环境为室温常压环境。所用PIV系统［11］为德国LaVision公司的产品，分析处理软件为Davis6.2，对示踪粒子直径要求为1μm～20μm。由于柴油喷雾的索特平均直径约为20μm～40μm［12］，而汽油相比柴油具有更小的运动粘度和良好的挥发性，理论上具有更小的喷雾索特平均直径。因此，通过对PIV系统参数优化调整，在试验设定的喷射压力下雾化汽油粒子的平均直径可以基本满足PIV测量对示踪粒子粒径的要求［9］。

图1 试验装置示意图Fig.1 Sketch of the experimental facilities

喷雾系统由盛有汽油的封闭容器、浸入其中的直流电动油泵、塑料密封管路、压力表以及水平固定在同一竖直支架上的两个喷油器组成。支架上部为涡旋喷孔喷油器，下部为双喷孔喷油器。两个喷油器都布置在支架中心线上，支架竖直中心线与地面垂直且经过两喷油器的喷孔中心，两喷油器的几何中心线相距65mm。喷雾装置参数见表1所示。

表1 喷雾装置参数Table 1 The parameters of spray facilities

1.2 湍流强度和湍流积分尺度的测量计算原理［7］

喷雾测量时设定喷射压力恒定，考虑到在室内常温常压环境下进行喷射，环境干扰小，只要两次喷射之间的时间间隔足够大，喷射的重复性就会较好［9］，故可选择在同一测量延迟脉冲下采集的样本数n较少，本文取n＝50次。

空间湍流强度（I）是流场中任意一点的多样本速度脉动分量的均方根值，定义如式（1）。

将空间湍流强度值与多样本算术平均速度值相除就可得到该点的相对湍流强度值。

湍流积分尺度（ILS）是流场中相邻两点脉动速度的相关系数相对两点间可变距离的积分值。

由于按照定义直接在平面内计算二维流场的湍流积分尺度存在一定困难，而经PIV测量和处理得到空间各点的速度原始数据均为x方向和y方向两个分量值，故可以将每个空间中各点的湍流积分尺度（ILS）分解为4个一维分量［13］进行计算，即Lxx、Lyx、Lxy、Lyy，其中第一个下角标代表被积分质点的速度分量的方向，第二个角标代表积分的方向。以Lxy为例，计算方法见式（3）所示，其他分量同理可得。

式（3）中积分上限Δymax是y轴方向上首次使相关系数Rx为0的几何尺寸，相关系数的定义见式（4）。

2 试验结果及分析

调整并设定喷射压力为0.32MPa，喷射脉宽为4ms，对两喷油器喷射过程在同一幅图片中进行测量和分析，其中上部的射流为涡旋喷孔射流，下部的为双孔喷孔射流。图2、图3和图4为喷射后1.5ms、4.0ms、8.0ms时对应的射流照片、射流速度云图、射流相对湍流强度云图。

对图2和图3进行分析得知：喷雾过程中，涡旋射流的油锥前锋以及外缘部分的油膜破碎均匀且雾化效果较好，而双孔射流的雾化油滴粒子都集中分布在喷射中心线上，且油膜连接比较完整，雾化效果相对较差。同时，涡旋射流雾化粒子的速度分布比较膨胀和发散，而双孔射流的雾化粒子集中分布在中心线上（与浓度分布规律一致）；另外，相同时刻，双孔射流雾化粒子速度绝对值的最大值均明显大于涡旋喷孔。以上现象主要与涡旋射流和双孔射流所受空气阻力而振动、破碎的作用方式不同有关；涡旋射流主要依靠喷孔周围的切向狭缝形成切向速度分量，与空气充分撞击和搅拌来完成雾化，而双孔射流则依靠实心液柱在高速飞行中表面与空气摩擦形成的振动波来实现破碎和雾化［9］。

图2 涡旋和双喷孔射流过程照片Fig.2 The photographs of the spray process of the swirl injector and the double－jet injector

图3 涡旋和双喷孔射流速度云图Fig.3 The speed－field nephograms of the spray process of the swirl injector and the double－jet injector

图4 涡旋和双喷孔射流相对湍流强度云图Fig.4 The relative turbulent－intensity nephograms of the spray process of the swirl injector and the double－jet injector

对图4反映的有关射流流场空间相对湍流强度分布情况进行分析［12］，具体过程为：

1.5 ms时，两喷嘴刚射出部分液柱，并且液柱的水平动量很大，来不及进行破碎和雾化，所以计算得到空间湍流强度分布几乎为零。

4ms时，喷射脉宽恰好结束，两射流均获得了最大喷射动量和能量；从速度分布图3可以发现，雾化后的高速粒子基本上分布在射流的前锋或中心线区域，水平动量很大，射流周围空气的振动和卷吸作用对于高速运动的雾化粒子作用尚不明显，所以这些区域空间湍流强度值依旧不高；相反，在两射流雾化粒子速度值较低的区域，由于粒子运动速度相对较低，更易受到空气阻力的影响，所以其湍流强度值稍大。

8ms时，两股射流已经完全脱离喷嘴并依靠惯性自由飞行了4ms。经过与空气之间混合和摩擦作用，除了前锋或中心线等部分区域上存在速度较高的粒子外，涡旋射流的非前锋区域，双孔射流的非前锋和非中心线区域的雾化粒子由于受空气的摩擦和扰动作用均较显著，导致这些区域的空间相对湍流强度值较大，甚至出现了湍流强度值很高的若干区域。造成这种现象的原因［12］是因为这些区域的雾化粒子在整个射流过程中经过与空气充分混合和摩擦，水平动能已经最大程度地转换为湍流能量。

图5为处理得到的两种射流过程喷雾流场的ILS分布云图。如前所述，将射流开始后1.5ms、4.0ms和8.0ms时的ILS值分解为Lxx、Lyx、Lxy、Lyy四个分量的分布图进行分析。图5中，流场中相应区域的湍流积分尺度值的大小是通过颜色亮度值表示的，亮度值越大的区域表明该区域的积分尺度值越大。

对图5分析可知，射流流场的湍流积分尺度变化过程如下：

图5 4ms喷射脉宽下涡旋和双喷孔射流过程湍流积分尺度分布图Fig.5 The distribution maps of the ILS at the inject pulse of 4ms for the swirl injector and the double－jet injector

1.5ms时，在Lxx分布图中，涡旋射流流场中心区域的湍流积分尺度值明显高于其他3幅图，达到6mm的量级，说明该区域雾化粒子x方向速度分量沿水平x方向相关系数的积分值很大，可能出现较大尺度的涡旋运动。而其他3幅图中，不论从值的大小和分布形状上看，涡旋射流和双孔射流的湍流积分尺度分布情况都差别不大。

4ms时，在Lxx分布图中，涡旋射流流场靠近喷嘴的中心区域继续出现了较大的湍流积分尺度值分布，达到了7mm的量级，而双孔射流流场中也出现了积分尺度值较高的区域，但数量很少且离散分布在射流前锋或边缘区域。在其他3幅图中，涡旋射流与双孔射流的湍流积分尺度值大小及分布情况则基本一致；同时，Lyx以及Lxy两图中积湍流积分尺度值大小明显小于Lxx和Lyy，原因可能是当速度分量方向和积分方向不一致时，相关性较差［13］，流场中形成较大的湍流积分尺度的可能性较小。

8ms时，由于两股射流与空气之间经过充分作用，雾化比较充分，故4个湍流积分尺度分量都已经连续地充满了整个流场空间；同时，涡旋射流流场湍流积分尺度的膨胀和发散程度明显强于双孔射流，这与涡旋射流和双孔射流的雾化特征相吻合［9］；同时，Lxx和Lyy两图湍流积分尺度分布情况基本相似，而Lyx和Lxy两图分布情况则相差较大，具体表现为：Lyx图中湍流积分尺度值比其他3幅图都小且在空间分布上也比较离散，而Lxy图中湍流积分尺度值明显大于其他3幅图，平均值在3mm左右，在双孔射流中心区域甚至出现了5mm的区域；这一现象可应用普朗特混合长度理论［14］进行解释，即当射流的雾化粒子沿水平x方向的速度分量增加到了一定数值后将在y方向受到强烈的附加切应力而产生振动，所以，Lxy图中对应的湍流积分尺度值明显高于该时刻其他3幅图中的相应值。

另外，在1.5ms、4ms、8ms3个不同时刻，Lyx分布图上湍流积分尺度值均小于相同时刻其他3个分布图，且分布的不连续性明显；造成这一现象的原因是，在整个射流过程中喷雾流场x方向的速度分量远大于竖直方向的速度，所以根据积分尺度计算原理［13］，Lyx值对应的相关系数也应小于其他3个分量。

3 结 论

利用PIV技术对分别属于液膜射流和圆射流模型的涡旋喷嘴和双孔喷嘴的雾化流场湍流演化过程进行测量和分析，得到如下结论：

（1）两股射流流场的空间相对湍流强度分布比速度分布发散，且集中分布在上下边缘和根部区域；随着喷射时间的增加，射流流场中湍流强度值逐渐增大，且主要分布在涡旋射流的非前锋区域以及双孔射流的非前锋和非中心线区域。

（2）为方便计算分析，将射流流场的湍流积分尺度分解为Lxx、Lxy、Lyx和Lyy4个分量的空间分布。1.5ms和4ms时，在Lxx分布图中，涡旋射流中心区域的湍流积分尺度值较大，分别达到约6mm和7mm的量级，而在其他3幅图中，涡旋射流和双孔射流的湍流积分尺度值分布都差别不大；8ms时，4个分量分布图中涡旋射流湍流积分尺度分布的发散程度明显强于双孔射流，Lyx图中湍流积分尺度值小于其他3幅图，且在空间分布上也比较离散，而Lxy图中湍流积分尺度值的大小和分布情况则正好相反；在整个射流过程中，Lyx分布图中湍流积分尺度值均小于另外3个分量，且分布的不连续性明显。

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