射流参数对均匀横向气流中射流破碎特性的影响

李亚轩 （导师）邓甜

1绪论

随着现代航空业的发展，高效而又环保的贫油燃烧技术成为研究的重点，其中雾化效果是影响发动机性能的重要因素，需要对射流破碎特性的深入研究，以建立射流破碎模型，指导低污染燃烧技术的研发。

本文通过实验研究均匀横向流场中液体射流破碎特性，搭建实验平台，制定实验方案，使用高速摄影仪记录实验现象。通过设计不同的气流和射流速度，观察液柱形态和破碎后液滴的变化。出现液柱破碎、袋式破碎和复合破碎三种破碎形式。对不同破碎机理和表面波现象进行理论分析，研究破碎相关物理量和射流参数的关系。发现随着液气动量比的增加，射流的横向破碎距离减小，纵向破碎距离增加;随着气流韦伯数的增加，射流表面波波長和破碎液滴粒径减小。对实验数据拟合并总结出物理量与射流参数的数学关系式。

本文主要研究的是均匀横向流场中液体射流的破碎特性，故针对研究对象，参考国内外设计实验的相关方案，搭建实验平台，如图1所示。

2破碎机理和液柱形态研究

在设计的实验方案的基础上，本章对得到的实验图像进行分析，研究液柱破碎形态和破碎机理。分析图像时坐标轴的定义、横向气流和射流来流方向如图2所示。其中将液体喷射口作为原点，x轴方向和横向气流方向一致，y轴方向和射流方向一致。

从得到的实验图像来看，本实验主要涉及到三种破碎模式：液柱破碎、袋式破碎和复合破碎。破碎模式和横向射流中液气动量比、气体韦伯数都有关系。不同的破碎模式会带给射流不同的破碎特性，最终导致不同的雾化效果。本章将在之后对三种破碎机理进行分析，并研究不同破碎模式对应的工况和液柱表面波特性。

2.1液柱破碎

液柱破碎发生在低韦伯数情况下。

液体从喷嘴垂直方向射出，在横向气流的作用下，液柱发生弯曲，在液柱上可以清晰观察到表面波。在射流刚从喷射口喷出的一小段距离内，表面波类似于对称波，而随着射流的发展，表面波的非对称特性逐渐显现出来，且会随着射流进程的进行逐渐发展。同时，液柱的形态也不是完全的圆弧形，柱体上存在蛇形波。这种体波的形成是由于气流撞击到液柱上，从而在迎风面和背风面形成压强差，并随时间推移使液柱不断摆动。体波的产生会大大加深射流的不稳定性，促进表面波的发展，最终产生液柱的断裂和液滴的形成。

可以说液柱破碎机理下液柱上波的产生很大程度上决定了液滴的生成。表面波促使液滴向波峰聚集，两波峰之间的液柱在发展中逐渐变细，表面波的波幅逐渐增大并并最终在波和表面张力的影响下断裂形成液滴。

2.2袋式破碎

随着气体韦伯数升高，射流呈现袋式破碎模式。袋式破碎作为很普遍的破碎现象。

袋式结构的形成和体波的原理相似。横向气流的冲击对液柱有剪切作用，并在迎风面和背风面产生压强差，导致液柱向下游弯曲形成液袋，呈现椭圆型的弯曲。与液柱破碎的体波现象不同的是，袋式破碎中气体韦伯数更高，横向气流带来的气动力更强，使得液柱的形态不仅会弯曲，袋式结构还会逐渐变薄，到最后在气动力作用超过袋式结构负荷的情况下发生破裂，形成液团和液滴。

与液柱破碎相比，袋式破碎结构中也存在节点和连接各节点的液丝，在气动力和表面张力的作用下液丝变薄产生液滴，而且液滴的粒径显著减小。由于袋式破碎是袋状结构从中间破裂产生，故在射流上游段有可能产生大段液团，液团会在之后再次破碎产生液滴，属于二次破碎的范畴。

在表面波方面，袋式结构中显然不能保持稳定的波的现象。在液柱段，可以观察到表面波更加紧密和紊乱，属于高阶不稳定非对称波的形式。

在实验中，韦伯数为8时射流液柱就已经出现袋式结构。如图3所示，随着气流韦伯数的增加，袋式破碎的破碎程度逐渐增大。

2.2复合破碎

在韦伯数较高时，射流破碎模式逐渐向混合破碎模式转变，如图4所示。

可以看出，虽然在射流过程中可辨认出液柱中的袋式结构，但是袋式结构破碎很快，且在破碎后形成非常细小的液雾，在液柱上也会发现有细小液滴剥落的现象。这种破碎的现象可以归纳到复合破碎机理中，即在气动力很强的情况下，液柱发展并形成了袋状结构，但很快气动力作用便突破袋式结构的负荷并使其破碎成液滴，而这些液滴在很强的剪切作用下继续分裂成更细小的液滴，最终组成了细小液雾的破碎现象。

在复合破碎机理图片中，射流液柱下游部分可以看到螺旋状的表面波型，如图 所示。可以认为螺旋波属于比较高阶的非对称波形，在液柱的发展过程中随气动力的影响产生，但是随着韦伯数的增加螺旋波的抖动会更明显和激烈。首先，螺旋波的出现使表面波的波峰在迎风和背风面上位置产生交错，从而使液柱接触横向气流冲击的面积增大，在气动力的作用下易形成袋式破碎现象。其次，液柱在螺旋上升的情况下在切向与气流的摩擦更强烈，促使高阶小表面波的产生，并最终使液柱表面液滴剥离现象出现。

值得一提的是，对于这种液滴剥离的现象，Wu P.K等人已经有所研究并把这种现象归结为表面破碎机制。其实这种现象的产生与横向剪切作用不无关系，表面破碎机制和剪切破碎机制有一定的相似之处。参考Wu P.K等人对破碎模式与射流参数的关系，液气动量比和气体韦伯数对破碎模式的划分都有影响。

3射流参数关系式拟合

对得到的图像经二值法处理后，各射流破碎参数的测量方法如图5所示。为了使数据更有普遍性，对得到的数据进行无量纲处理，即取数据与射流喷嘴直径的比值。下文将描述射流破碎位置和表面波波长的数值拟合结果。

3.1射流破碎位置与射流参数拟合

射流破碎距离特性是横向气流射流雾化流程中很重要的研究项目，代表着射流的液柱断裂位置和液滴生成位置。研究破碎距离时分为横向破碎距离和纵向破碎距离两方面。分析时先确定射流破碎点，即第一个液滴脱离液柱时液柱的断裂点，此点与原点的x方向距离为横向破碎距离，与原点y方向为纵向破碎距离。

竖直方向的射流在横向气流的作用下弯曲，横向和纵向破碎距离在一定程度上反映了气流对液柱的影响程度。在实验图像中可以观察到一般规律。射流速度不变的情况下，不同的气流速度带来液柱发展形态的改变，并影响射流破碎点的移动，如图6所示。

可以看出，随着气流速度的增加，液柱弯曲的程度增大，射流破碎点向右下方向移动，大体趋势是横向破碎距离的增加和纵向破碎距离的减小。这种现象是由于气流速度的增加使得气动力作用更强，液柱抵抗气流冲击变形的能力减弱，射流穿透深度减小。同样的，当气流速度不变而射流速度减小时，可以观察到类似现象。

在得到射流液柱變化的规律后，考虑用液气动量比来表示气体和液体的影响和抵抗能力的大小，并根据此参量研究破碎位置的变化关系。对于得到的横向和纵向破碎距离无量纲化后记为x/d和y/d。

两曲线拟合关系式分别为：

由此拟合结果可知，随着气流韦伯数的增加，表面波的波长减小。从理论上分析，韦伯数的增加意味着气动力作用增加，此时液柱会受到更强的扰动效果变得更加不稳定，表面波的发展随液柱加快，从而使表面波的波长减小。

3.3破碎液滴粒径分析

3.3.1粒径特性的理论分析

射流破碎产生的液滴大小是分析雾化效果中重要的参量。在破碎过程中，液柱在横向气流场中发生破裂，生成大液团和液滴，这是一次雾化的过程。随后，液团和液滴在气流场中受到扰动继续分裂，形成更小的液滴，最后形成液雾，这是基于分裂出的液滴下射流的二次雾化过程。一次雾化形成的液滴对二次雾化过程有很大的影响，液滴的直径越小，随后二次雾化的破碎过程会更快速，最终形成的液雾也更细密。由于实验条件的限制，本文主要分析一次雾化中液滴的粒径随流场参数的变化。

破碎产生液滴大小与破碎模式有很大关系（图7）。可以看出，在液柱破碎中，液滴的形成很依赖于液柱中表面波的发展，并随着波幅的增大，节点之间相互脱离断裂产生液滴。对于袋式破碎，液滴从袋式结构的分解中产生，而袋式结构在气动力的压迫下厚度很小，随后其中的小节点断开产生大量细小液滴。对于剪切破碎，射流液柱在剪切作用下产生液雾的过程本身就属于二次破碎，在这种破碎模式下液滴粒径最低。

另外，对比不同工况下的实验图像，在气流韦伯数不变的情况下，通过观察可以发现随着液气动量比的增加，射流的破碎程度一定程度上呈增大态势。这种情况一方面可能是由于随着液体动量的增加，液气之间的冲击变强，液体的粘性力致使表面波发展加快，所以破碎效果更明显;另一方面结合破碎模式的分析，液气动量比和气流韦伯数都会引起破碎模式的变化，固定韦伯数、增加动量比会引起射流向更强破碎模式方向发展，使得液滴粒径发生变化。

3.3.2液滴粒径的数值拟合

对于得到的粒径的数值分析，本实验主要将其结合气流韦伯数的变化做数值拟合。对粒径的选取是液柱破碎后产生的第一个液滴。在袋式破碎结构中，选取袋式末端的液滴，此液滴是袋式结构破碎的最大液滴，可以看成破碎液滴粒径的最大值。数据结果取10组图像分析的平均值，并将无量纲化后的粒径记为D/d。

由此拟合结果可知，随着气流韦伯数的增加，射流破碎液滴的粒径逐渐减小。在气动力影响增强的情况下，表面波的发展加快，射流破碎模式也向更有利破碎的模式转变，产生的粒径不断减小，符合前面的理论分析。值得一提的是，在后几个参量中破碎模式主要为袋式破碎，在形成的大液滴粒径更小的情况下也有很多从袋状结构脱离出的细小的小液滴，形成更强的破碎效果;而在更高风速形成的剪切破碎情况下，会生成极小液滴组成的液雾。由此可见，提高气流速度是减小粒径的十分有效的方法。

总结

本文通过实验方法对均匀横向气流场中液体射流的特性研究，得出以下结果。

（1）对横向流场中四种破碎模式和液柱发展形态进行了分析。破碎模式的区分与气流韦伯数和液气动量比都有一定关系。在液柱发展的过程中存在非对称表面波和体波的现象，有时会出现螺旋状波形。在波的影响下液柱不稳定性大大增加，最终导致破裂和液滴的形成。

（2）在韦伯数升高的情况下出现袋式破碎。在气动力冲击下液柱迎风面和背风面形成压强差，出现向下游弯曲的袋状结构，并随着射流进程袋状结构逐渐变薄，破碎成细小的液滴。

（3）在实验中还出现袋式破碎和剪切破碎并存的复合破碎模式。剪切破碎是在高韦伯数的情况下，液柱收到剪切作用在一射出喷射口时就破碎成细小的液雾。在本实验中观察到的复合破碎模式中，可以观察到袋式结构，但其很快就破碎并形成极小的液滴。

（4）对横向气流中射流的无量纲横向破碎距离和纵向破碎距离分别与液气动量比进行数值拟合，得到以下拟合式：

（5）对横向气流中射流的无量纲表面波波长与气流韦伯数进行数值拟合，得到以下拟合式：

（6）对射流破碎产生的液滴粒径进行分析，发现不同的破碎模式下液滴大小有很大不同，本实验中复合破碎机理下的破碎效果最好。袋式破碎下在生成大液滴的同时袋状结构破裂会产生细小的液滴。得到了提高气流速度可以有效提高射流效果的结论，并对无量纲粒径的数值与气流韦伯数进行拟合，得到的拟合式为：