環狀液膜碎裂過程實驗研究

張鑫 李艷霞

【摘要】本文根據幾何相似理論，設計制造了環狀液膜噴嘴，建立了恒壓水射流試驗臺，制定了試驗方案，采用的是佳能高清晰度EOS30D數碼單反照相機，拍攝了0.4MPa下的環狀液膜射流的照片。采用Photoshop軟件處理圖片，繪制表格，每種工況點選取50張照片，計算碎裂點的平均值，繪出曲線圖。在噴射的瑞利（Rayleigh）模式下，水膜的碎裂主要受噴射速度的影響，即與雷諾數和韋伯數密切相關，而與噴射壓力沒有直接關系。把得到的結論與先前一些學者的研究進行對比，力求最大限度的提高發動機的動力性、經濟性和降低排放。

【關鍵詞】環狀液膜;噴嘴;碎裂點;瑞利模式

1.引言

噴霧可以由各種各樣的途徑產生，有幾個基本的因素適用于所有的霧化過程：

（1）噴嘴內部的液體動力學;

（2）圓射流或液膜射流噴射表面波的發展和氣體的擾動作用;

（3）噴嘴的幾何形狀、噴射壓力與環境氣體背壓的差值、氣體介質的性質和液體本身的物理特性。這些因素并非獨立存在，而是相互影響、相輔相成，最終決定了霧化的效果。本文一方面是要探討環狀液膜的碎裂過程;另一方面是分析影響環狀液膜碎裂的主要因素。

2.環狀液膜射流碎裂的三種流動模式

環狀液膜射流的液束為一個空芯錐形環狀液膜，預膜噴氣噴嘴和柴油機軸針式噴嘴等的噴霧是環狀液膜射流的實例。環狀液膜射流受環境氣體的擾動作用，在噴嘴出口處就產生了波動，其碎裂長度比平面液膜射流的短。

環狀液膜射流有三種流動模式，即瑞利模式、斷續模式和霧化模式。液泡只有在低內環氣流速度（ui=3.85～15.44m/s）下形成，這個模式成為瑞利模式，液泡的尺寸幾乎和流動條件無關，其直徑近似地等于1.92倍的噴嘴直徑。環狀液膜碎裂長度隨著內環氣流速度的增大而縮短。隨著內環氣流速度的增大，液泡的碎裂將逐漸接近于噴嘴出口，碎裂長度變短，液泡的表面變得粗糙不平，外形也不規則，但液泡的大小卻沒什么改變，這個模式成為斷續模式，以粗糙的的液泡表面和不規則的外形為特點。如果再增大內環氣流速度，則液泡會消失氣液體交界面變得極不規則，噴嘴出口處的液膜射流表面粗糙并離散，大量比噴嘴直徑小得多的液滴形成，液滴噴散開來形成液霧，稱為霧化模式，水膜的碎裂長度隨內環氣流速度的增大而減小。隨著氣流速度的進一步增大，碎裂長度變短，水膜的表面和形狀變得粗糙不平。進一步增大水流和氣流速度，氣液交界面變得極為不規則，粗糙的液體層在噴嘴的出口處就會碎裂成為液線，隨之形成大量的比噴嘴直徑小得多的細小水滴。

3.液體射流的測量方法

目前，液體射流的測量方法是多種多樣的，射流的測試方法經歷了傳統與現代測試技術兩個階段。從先前的二維光學測量發展到了當前能反映三維時空動態的激光測試技術階段。如高速攝影法、熔蠟法、激光散射方法、激光誘導熒光法、激光全息法、激光多普勒法、高分辨率數碼相機法等。本文采用高分辨率數碼照相法。

4.試驗臺的建立和實驗步驟

4.1 水射流試驗臺的建立

建成后的恒壓水射流試驗臺。它由壓力儲水罐、空氣壓縮機、玻璃轉子流量計、噴嘴和噴嘴架組成。實驗首先將空氣壓縮機通向壓力儲水罐，控制罐內水的壓力，試驗設定的噴射壓力為0.4MPa，氣體壓力表的量程為0～0.8MPa。玻璃轉子流量計也是兩只，一只為水流量計，測量壓力儲水罐向噴嘴提供的水流量。玻璃轉子水流流量計產品型號：SA10-25，管號/浮子號：N21.18/AIII21，浮子密度：7.94g/cm3，流量量程：160-1600L/h。經過換算，可測量1～9m/s流速的水流;另一只為空氣流量計，測量空氣瓶向噴嘴內部液膜兩側空氣助力氣流噴口提供高速氣體的流量。玻璃轉子氣流流量計產品型號：SA10-15，管號/浮子號：N19.13/AIII19，浮子密度：7.94g/cm3，流量量程：0.6～6m3/h。經過換算，可測量1～30m/s流速的氣流。試驗參數一覽表，如表1所示。

表1 試驗參數一覽表

參數 數值

試驗溫度（℃） 25

水的密度（kg/m3） 999

空氣的密度（kg/m3） 1.205

水的粘度（m2/s） 1.006×10-6

空氣的粘度（m2/s） 1.506×10-5

水的表面張力（N/m） 0.073

大氣壓力（Pa） 1.01×10-5

空氣的絕熱指數 1.4

聲速（m/s） 331

4.2 實驗方案和步驟

由靜止空氣環境中水膜碎裂長度的試驗和理論計算結果，可知噴射壓力（壓力儲水罐中的壓力）對水膜的碎裂過程沒有直接影響。因此，在研究碎裂長度時，我們為0.4MPa選了28個工況點，拍攝碎裂長度照片1400余幅，預設水射流流速分別為2m/s、4m/s、6m/s、8m/s，內環空氣助力流速分別為0m/s、5m/s、10m/s、15m/s、20m/s、25m/s、30m/s，共預設試驗工況點28個，平均每個工況點50幅左右，取這50幅左右照片碎裂長度的算術平均數，作為該工況點的碎裂長度，這樣就得到了28個工況點水膜碎裂長度數據。

首先，用千分尺測量內環空氣通孔d=8mm;環形液膜外直徑d=16mm，內直徑d=14mm。

s = ? ? ? ? ? ? ? ?（2.1）

（2.2）

其中：

s ——噴嘴出口截面積;

——速度;

qm——流量。

由公式（2.1）（2.2）計算出來的水流流量如表2所示：

表2 速度與流量換算表

速度（m/s） 2 4 6 8

流量（L/h） 340 680 1020 1360

根據噴嘴出口截面積、儲水罐容積和轉子流量計的量程范圍，經過換算，我們預設了0.4MPa壓力下水射流流速為2m/s、4m/s、6m/s、8m/s共28個試驗工況點。在此流體噴射速度下，如果沒有空氣助力作用，噴射的表面波將遵循瑞利（Rayleigh）模式。

5.實驗結果和數據處理

5.1 照片處理

如上述步驟所述，我們取這50幅左右照片碎裂長度的算術平均值作為該工況點的碎裂長度，同時取一幅最清晰的照片作為該工況點的代表性樣片（如圖1所示）。

圖1 靜止空氣環境中水膜表面波碎裂長度照片圖（噴射壓力0.4MPa，噴射流速2m/s，內環氣體流速5m/s）

5.2 實驗數據處理

表3 水膜表面波的碎裂長度（mm）（噴射壓力：0.4MPa）

液體

氣體 2m/s 4m/s 6m/s 8m/s

0m/s 600 930 930 920

5m/s 560 910 900 880

10m/s 510 900 880 840

15m/s 350 800 830 820

20m/s 310 730 820 800

25m/s 160 500 780 780

30m/s 100 450 760 760

圖2

將表3繪制成圖，表示水膜的碎裂長度Lb隨水流噴射流速的變化關系，如圖2所示。從圖中可以看出，隨著水流噴射流速的增大，水膜的碎裂長度幾乎呈直線增大。說明在噴射的瑞利（Rayleigh）模式下，增大噴射速度將使水膜的穩定度增大，不易碎裂，這可能是由于液體的表面張力起作用的緣故。從圖中還可以看出在噴射的瑞利（Rayleigh）模式下，水膜的碎裂主要受噴射速度的影響，即與雷諾數和韋伯數密切相關，而與噴射壓力沒有直接關系。噴射壓力僅通過噴射速度影響液膜的碎裂和霧化效果。上述結論會對液體霧化學說體系的完善和各種噴射系統的改進具有重要影響和深遠意義。

試驗結果表明，射流的碎裂長度隨噴射流速的增大幾乎呈直線增大。也就是說，在其它參數不變的情況下，射流的碎裂長度隨韋伯數的增大而增大。由射流碎裂長度隨噴射流速的增大而減小向隨噴射流速的增大而增大的過渡。即存在不同的射流不穩定區，不同區域內射流所呈現的不穩定性是大不相同的。因此，過渡臨界點（或平衡點）的尋求將成為液膜射流穩定性研究的下一個待定問題。

6.總結

本文利用噴射射流試驗臺，采用高分辨率數碼單反照相機對液膜碎裂過程進行研究，探討噴射流速、噴射壓力和噴嘴出口幾何尺寸對射流碎裂過程的影響。高清晰度數碼照相機是近年來才開始普遍應用的成像手段，它拍攝便捷、可靠性高，易于對拍攝位置和參數進行調整，圖像清晰，試驗成本低，拍攝到的圖片可以直接存入計算機中，圖片格式規范，便于圖片色差等的調整，以及讀片和數據處理，可以推廣應用于噴霧的比較研究。本論文進行的工作，包括試驗臺的建立，試驗照片的處理，獲得各種工況點的碎裂長度。

主要結論如下：

（1）根據幾何相似理論，建立恒壓水射流試驗臺，制定了試驗方案。

（2）為每種工況挑選50張照片，計算碎裂點的平均值。從繪出的曲線圖可以看出，在瑞利模式下，碎裂長度隨著流速的增大而增加，水膜的碎裂主要受噴射速度的影響，即與雷諾數和韋伯數密切相關，而與噴射壓力沒有直接關系。

參考文獻

[1]曹建明編著.噴霧學[M].北京：機械工業出版社，2005.

[2]曹建明.噴霧學研究的國際進展[J].長安大學學報（自然科學版），2005，Vol.25（01）：82-87.

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作者簡介：張鑫（1988—），男，現就讀于長安大學汽車學院動力機械及工程專業。