幂律流体旋流射流的喷雾特性实验

杜 青，陈世兴，郭瑾朋，杨子明，张晋铭

（天津大学内燃机燃烧学国家重点实验室，天津 300072）

幂律流体旋流射流的喷雾特性实验

杜 青，陈世兴，郭瑾朋，杨子明，张晋铭

（天津大学内燃机燃烧学国家重点实验室，天津 300072）

采用高速摄影技术和三维相位多普勒分析技术，测量了幂律流体旋流射流的破碎形貌、液滴速度和粒径分布，获得了其破碎特征及规律.结果表明，幂律流体旋流射流随喷射压力增加可以划分为3种射流模式，即带旋转的圆柱射流模式、液线液滴共存模式和充分发展模式.黏性越大的流体，要达到同样的射流模式所需要的喷射压力也越大.液滴的轴向速度w、径向速度u和索特平均直径（SMD）在径向各位置呈中心小两侧大的分布规律，切向速度v接近于零.三维速度在轴向各位置随z的增加均有不同程度的减小，SMD也有减小的趋势.不同压力对轴向速度w的影响更为明显，且更多地影响了液滴的二次破碎.

幂律流体；旋流射流；破碎；速度；粒径

幂律流体是非牛顿流体的一种，其剪切应力与剪切速率呈幂指数关系.在工程应用领域，幂律流体广泛存在，如化工中的工程塑料和高分子溶液、食品工业中的琼脂、印刷领域的喷墨等，特别是在航天工业中得到越来越多关注的新型火箭发动机燃料——凝胶推进剂，也属于幂律流体.幂律流体流变性质的复杂性，使得其破碎特征及机理有别于常见的牛顿流体，因此对幂律流体射流破碎现象的研究，不仅有助于丰富非牛顿流体射流破碎理论，在工程应用上也有着十分重要的意义.

幂律流体黏性较大，为在低压下获得好的雾化效果，常采用特殊的射流方式使其破碎，如使用撞击喷嘴射流.Ma等［1］发现，幂律流体撞击射流随喷射压力增加会出现开边界无液滴、封闭边界、开边界有液滴、无边界液膜、弓形液丝和完全发展6种模式，并测量了雾场中粒子的速度和粒径分布，无量纲的平均粒径（SMD/D，SMD为索特平均直径，D为喷孔直径）随压力升高会收敛至0.14.文献［2-6］也进行了有关喷嘴几何参数、凝胶成分、流体中掺混纳米颗粒、流体温度等因素对撞击射流特性影响的充分研究.

除撞击喷嘴之外，Mansour等［7］使用气动喷嘴研究了一系列非牛顿流体的的雾化特性，发现对于剪切变稀的幂律流体，其雾化质量与极限剪切速率下达到表观黏度的流体雾化相当.Rahimi等［8］用气动喷嘴研究凝胶推进剂的雾化，发现燃料中的凝胶成分和喷嘴结构对雾化效果有重要影响.

事实上，旋流喷嘴具有结构简单、低压下也能达到较好雾化效果的优点，在工业上应用广泛［9］.赵娜等［10］采用相位多普勒粒子动态分析仪（phase Doppler analyzer，PDA）研究了旋流喷嘴在定容弹内的雾化特性，发现由于液滴与受限空间壁面的碰撞，使得SMD周向分布均匀性比在大气环境中波动更大.Xiao等［11］则同时考虑喷嘴几何、射流参数和流体物性，提出了一个可以预测粒径的半经验公式，与实验结果吻合较好.但以上都是关于牛顿流体旋流射流的工作，而对于幂律流体在旋流喷嘴中雾化特性的研究却并不多见.

Yang等［12］使用高速摄像技术记录了幂律流体旋流液膜的破碎及喷雾发展，发现充分发展的雾场可以分为4部分，即完整的圆锥形液膜、液膜液线共存区、湍流网格状液线和液线液滴共存区；主要研究了不同几何结构的喷嘴对喷雾特性的影响，发现随喷嘴特征常数的增加（保持旋流室直径和喷孔直径不变，改变切向孔直径和数目），锥形液膜破碎长度增加，喷雾锥角增大，喷嘴流量系数减小；因其使用的幂律流体稠度系数较大，较难破碎形成足够的液滴，故而未涉及喷雾场中的粒径分布.

为此，笔者自行配制了2种不同流变特性的幂律流体，重点考察流体的流变特性对喷雾形貌的影响；并使用三维相位多普勒测速技术，测量旋流喷雾场中速度和粒径分布，获得幂律流体的破碎特征及规律.

1　实验系统

1.1工作流体

自行配制的幂律流体为水基卡波姆（Carbopol）凝胶.取一定质量的卡波姆934粉末与去离子水混合，充分搅拌，再加入适量质量分数为15%,的 NaOH溶液，搅拌均匀，使混合液至中性，得到非牛顿幂律流体.本实验配制的2种不同质量分数的卡波姆凝胶，其黏性特征由Bohlin椎板型旋转流变仪（CS50）测得，图1［1］所示为实验用幂律流体流变特性曲线.使用幂律本构方程来描述卡波姆凝胶的流变特性［13］，即

图1　不同流体的流变特性曲线Fig.1 Rheological characteristic curve of various fluids

表1　实验流体的流变参数Tab.1Rheological parameters of various experimental fluids

1.2旋流喷嘴

图2所示为旋流喷嘴结构示意.旋流喷嘴主要由切向孔、旋流室和喷孔3部分组成.在旋流喷嘴中，液体在压力推动下经切向孔进入旋流室，获得周向速度，旋转运动使得液体紧贴壁面，液体以薄液膜形态离开喷嘴后迅速扩张成空心锥形液膜.气液间的相对速度促成了射流表面不稳定波的发展，进而液膜破碎成液线和细小的液滴.本实验中所用旋流喷嘴切向孔直径Dt为1,mm，切向孔数目为4，旋流室直径Ds为10,mm，旋流室长度为14,mm，喷孔直径Dn为2,mm，长径比为2，收缩段角度为90°.

图2　旋流喷嘴结构示意Fig.2 Configuration of a swirl injector

1.3实验装置

图3为实验系统示意，系统由旋流射流系统、高速摄像系统和三维相位多普勒系统3个部分组成.

图3　实验系统示意Fig.3 Schematic diagram of the experimental setup

采用Photron SA1.1型高速摄影系统获取旋流射流图像.拍摄频率设定为5,000幅/s，对应分辨率为1,024×1,024像素.

采用丹迪三维光纤型相位多普勒系统测量喷雾场中液滴的速度和粒径分布.直角坐标系示意如图4所示，沿喷孔轴线方向往下为z轴正方向，y正方向为垂直纸面方向向外，直角坐标系符合右手定则.三维速度u、v、w的正方向分别对应图4中x、y、z的正方向. 对于每个测点，有效采样点数为5,000［14］，采样时间设定为10,s，只要满足上述条件之一，采样即停止.

图4　直角坐标系示意Fig.4 Schematic diagram of coordinate system

图5给出了实验流体在不同喷压下的流量曲线.可以看到，对每种流体来说，其流量均随着喷射压力的增大而增加.在压力较低时，流体的黏性对流量的变化有很大影响，流体越黏稠，其流动性越差，故在相同压力下，黏性最小的水流量最大，而最黏稠的质量分数为0.35%,的卡波姆凝胶流量最小；随着压力升高，剪切速率的增加，幂律流体剪切变稀，黏性减小，黏性对流动的阻力减小，观察到在压力较高时，黏性最大的流体反而有着最大的流量，而黏性最小的水流量最小.这是因为在旋流喷嘴内部，液体紧贴壁面做旋转运动时，液体中心会形成气体核心，在相同喷压下，黏性最小的水在旋流室中获得的旋转运动最强，使得孔内流体静压与大气压差较大，有更多的气体进入喷孔内部，液体的流通截面反而减小，使得流量系数减小.综合来看，喷压较高时，气核对流量的阻碍效果比黏性对速度的抑制作用更强.

图5　不同流体旋流喷嘴下的流量曲线Fig.5Mass flow rate of the swirl injector with different fluids

2　结果及分析

2.1喷雾形貌

图6为不同喷射压力（表压）下0.15%卡波姆凝胶的射流形貌.旋流射流下空心锥形液膜的产生是由于流体经切向孔进入旋流室中获得了周向速度，流体离开喷孔后，初始周向速度转化为径向速度，从而射流沿径向扩展.

图6（a）因喷射压力较低，初始周向速度小，无法形成锥形液膜，可以观察到扭曲的平面液膜.随着压力增大，初始周向速度增大，射流沿径向扩展，图6（b）中出现未闭合的锥形液膜.同时从图6（a）和6（b）均观察到，流体在离开喷孔后，即射流上游，形成较短的圆柱射流阶段，这一现象在文献［12］中也有报道，这是因为凝胶的黏性较大，在喷射压力较低时，孔内流体的速度较小，使得孔内凝胶的静压大于空气压力，外界空气无法进入孔内形成气核.鉴于射流离开喷嘴后仍出现扭曲和一定程度的扩张，表明上游的圆柱射流是带有周向速度的.笔者将之称为带旋转的圆柱射流模式.

图6（c）之后均可以形成完整的空心锥形液膜，且不再有上游的圆柱射流存在.随着压力增大，液膜与空气之间的扰动作用也在增强，液膜边缘的剥离破碎长度减小，形成的液滴增多.注意到图6（c）～（e）中，上游的锥形液膜与下游的液滴之间，存在着相当的液丝结构；且随着压力升高，越难观察到液丝结构，表明射流仍在进一步发展.将图6（c）～（e）中的旋流射流统称为液线液滴共存模式.

当压力增加到0.40,MPa时，喷雾发展较为充分，射流中下游出现大量液滴；此时随着压力增加，从喷雾形貌、破碎长度等宏观特性上看，变化已不明显，但破碎形成的液滴更密.将图6（f）之后的旋流射流称为充分发展模式.

图6　不同喷射压力下0.15%卡波姆凝胶的射流形貌Fig.6 Spray images of 0.15% Carbopol under different injection pressures

图7为不同流变特性的流体在各喷射压力下的射流形貌.可以看到黏性越大的流体，出现同样的射流破碎模式所需要的喷射压力就越大；此外，对于水来说，即使在更低的压力下（小于0.10,MPa），喷嘴出口处也不会出现圆柱射流阶段，这表明，出现带旋转的圆柱射流模式可能是幂律流体的特殊性质；对于较为黏稠的0.35%卡波姆凝胶来说，在喷压较低时，不仅是射流上游，而是射流整体表现出圆柱射流的形貌，这是因为较小的周向速度无法突破黏性力的约束，未能沿径向扩张.在同样的压力下，流体黏性越大，射流的扩张角度越小，其破碎质量也越差.黏性的增加使得流体在流动中损耗的能量增加，使得出口处无论是轴向速度还是径向速度都会减小，即抑制了射流的破碎和沿径向的扩张.

2.2速度和粒径分布

实验中发现，0.35%卡波姆凝胶因过于黏稠，破碎十分困难，难以获得其液滴的速度和粒径信息.故仅对0.15%卡波姆凝胶这一幂律流体测量了其喷雾场中液滴粒径和速度的分布.

2.2.1幂律流体旋流射流液滴在不同径向位置的速度和粒径分布特征

图8给出了不同压力下幂律流体旋流射流的液滴在不同径向位置的三维速度分布和粒径分布（z=50,mm，y=0,mm）.

由图8（a）可以看出，液滴的径向速度u在较大的范围内表现出负向速度，且越靠近中心其速度绝对值越小.图9给出了各测量位置上u为正值及负值时的液滴数占该位置采样点总数的比值（粒子数占比），二者之和不为1是因为有u为零的点出现.由图9可知，在x＞0,mm的区域，u为负值的液滴占了多数，也导致了图8（a）中越往x正方向延伸，径向速度u越往负方向增加.这表明即使高速摄像结果得到的旋流射流形貌关于x=0,mm有较好的对称性，但在微观上破碎后形成的液滴速度特性却并不完全对称.此外，压力对径向速度u的影响并不明显.

图8（b）中显示液滴的切向速度v始终在-2.0～0.5,m/s的小范围内变化.注意到测量点均是在y=0,mm平面，具有不同正负值的液滴在切向速度上大致抵消，使得总体上v的数值较小.在不同压力下切向速度v变化趋势相同，压力大时，v的峰值更大.

图7　不同流体在各压力下的射流形貌Fig.7 Spray images of various fluids under different injection pressures

由图8（c）可以看到，液滴的轴向速度w呈对称分布，中心小、两侧大.对于旋流射流来说，虽然完整的锥形液膜向下游发展时破碎成液滴，但仍能维持锥形的射流形貌.锥面附近的液滴因在主射流方向上，其轴向动量损失小，因而轴向速度最大（0.8,MPa时位于径向25,mm处）.锥面之内及之外的液滴，为锥面附近液滴扩散而至，运动过程中轴向动量有所损失，故在离锥面较远的中心区域，轴向速度越小.不同压力下轴向速度w变化趋势相同，且随喷射压力增大，w也更大.

图8（d）中，SMD沿径向x的分布与轴向速度类似，也是中心小、两侧大.锥面附近的液滴所以粒径较大，一是上游液膜刚破碎形成的初级大液滴，还未进行二次破碎；二是主射流界面上液滴较为密集，易发生液滴的碰撞融合.而从锥面往空心内部扩散的液滴，运动过程中继续破碎，从而粒径较小.不同压力下锥面附近的液滴粒径大小是差不多的，而随着液滴向中心扩散，1.0,MPa下的液滴粒径要小于0.8,MPa的粒径，这说明，压力的变化更多地影响了液滴的二次破碎，从而使得较大压力下中心区域的液滴粒径更小.

2.2.2幂律流体旋流射流液滴在不同轴向位置的速度和粒径分布特征

图10给出了不同压力下幂律流体旋流射流的液滴在不同轴向位置的三维速度和粒径分布（x=y=0,mm）.

图8　不同压力下0.15%卡波姆液滴在不同径向位置的三维速度和粒径分布Fig.8 3-D velocities and droplet size distribution of 0.15% Carbopol under different injection pressures vs x

图90　.8,MPa下液滴按径向速度u正负划分的粒子数占比沿x的分布Fig.9Droplets number ration distribution with plus or minus radial velocity at injection pressure 0.8,MPa vs x

由图10（a）可以看出，液滴三维速度随z值的增加均有一定程度的减小，表明液滴向下运动的过程中，在3个方向上的动量都有所损失.随压力增大，三维速度的绝对值都要稍大一些，在轴向速度w上表现尤为明显.

图10（b）从整体来看，压力越大，粒径越小.0.8,MPa时液滴粒径随z增大略有减小，但变化不显著，而在1.0,MPa下液滴往下游发展时，其粒径有明显的降低，即随喷射压力增大，液滴更有可能发生二次破碎，使得平均的液滴直径减小.

图10　不同压力下0.15%卡波姆液滴在不同轴向位置的三维速度和粒径分布Fig.103-D velocities and droplet size distribution of 0.15% Carbopol under different injection pressures vs z

3　结　论

（1） 幂律流体旋流射流随喷射压力增加会出现3种射流模式，即带旋转的圆柱射流模式、液线液滴共存模式和充分发展模式.黏性越大的流体，要达到同样的射流模式，所需要的喷射压力也越大.同样压力下，幂律流体相比水，射流张开的锥角更小，幂律流体越黏稠，射流张角越小.

（2） 幂律流体旋流射流下，轴向速度w和径向速度u在径向各位置呈中心小两侧大的分布规律，轴向速度w分布的对称性更好，切向速度v在接近零的小范围内变动；不同压力对轴向速度w的影响更为明显.在轴向各位置，三维速度随z增加均有所减小.

（3） 幂律流体旋流射流下，SMD沿径向x呈对称分布，两侧大、中心小；不同压力下SMD在两侧变化不大，越靠近中心，SMD随压力增大而减小得更快.沿轴向z，SMD随z增大有减小趋势，且压力越大，变化趋势越明显.总体来看，随压力增大，SMD减小.

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（责任编辑：金顺爱）

Experiment on the Spray Characteristics of Power Law Fluid in a Swirl Injector

Du Qing，Chen Shixing，Guo Jinpeng，Yang Ziming，Zhang Jinming
（State Key Laboratory of Engines，Tianjin University，Tianjin 300072，China）

High-speed photography and 3-D phase Doppler methods were used to obtain the swirl jet breakup images，droplet velocities and size distribution of power law fluid and analyze its breakup characteristics.Results show that the spray patterns could be categorized into three types with injection pressure increasing：rotating cylindrical jet，coexistence of ligaments and droplets，and fully developed spray pattern.Fluid with greater viscosity needs higher injection pressure to achieve the same spray pattern.The axial velocity w，radial velocity u and Sauter mean diameter（SMD）of droplets are small in central area and big on both sides at different radial positions；the tangential velocity v is close to zero.The three-dimensional velocity and SMD decrease to some extent with the increment of z.The injection pressure has an obvious influence on axial velocity w and droplets' secondary breakup.

power law fluid；swirl jet；breakup；velocity；droplet size

TK49

A

0493-2137（2016）09-0929-07

10.11784/tdxbz201511044

2015-11-17；

2015-12-09.

国家自然科学基金资助项目（51176136）.

杜 青（1968— ），男，博士，研究员.

杜 青，duqing@tju.edu.cn.

网络出版时间：2015-12-20. 网络出版地址：http://www.cnki.net/kcms/detail/12.1127.N.20151220.1113.002.html.