噴霧液體射流模型研究及應(yīng)用

胡 棟，趙明強(qiáng)

噴霧液體射流模型研究及應(yīng)用

胡 棟，趙明強(qiáng)

（長(zhǎng)安大學(xué)汽車學(xué)院，陜西 西安 710064）

噴霧霧化是液體通過噴嘴進(jìn)入到氣體環(huán)境中，經(jīng)過氣體與液體的互相作用使之碎裂成液滴的過程，其中包含著復(fù)雜的能量交換、動(dòng)量交換以及傳熱過程。燃油霧化是內(nèi)燃機(jī)燃燒過程中的一個(gè)重要環(huán)節(jié)，良好的霧化效果可以促進(jìn)燃油粒子與空氣進(jìn)行充分混合，從而使燃燒熱效率得到提高，進(jìn)而使內(nèi)燃機(jī)的動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性以及排放性皆有所改善。由于噴霧液體通過噴嘴的物理結(jié)構(gòu)不同，故所形成的射流形狀也不同。主要的射流形式有平面射流、圓柱射流以及環(huán)狀射流等。文章將對(duì)這三種射流形式進(jìn)行展開研究，從射流的碎裂機(jī)理進(jìn)行深入的分析，通過引入物理方程以及射流表面波理論，將液體射流現(xiàn)象轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)學(xué)模型，從而探究出影響射流霧化效果的關(guān)鍵因素，進(jìn)而促進(jìn)噴霧學(xué)科的發(fā)展。

噴霧；初次碎裂；射流模型

前言

近年來，汽車的保有量與日俱增，給世界能源安全與環(huán)境安全帶來危機(jī)，而發(fā)動(dòng)機(jī)是汽車的動(dòng)力源，也是汽車排放物的主要來源。當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行燃燒不完全時(shí)，許多燃油粒子得不到充分燃燒做功，從而使發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性下降，還有部分燃油也會(huì)因?yàn)闆]有與空氣進(jìn)行充分混合達(dá)不到燃燒組分要求，從而使燃油粒子和燃燒產(chǎn)物從排氣系統(tǒng)排出。這將導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)的排放性變差，好的燃油霧化效果不僅會(huì)使發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性得到提升，還會(huì)使排放性得到改善，故一臺(tái)燃燒效率高的發(fā)動(dòng)機(jī)可以達(dá)到節(jié)能減排的效果。發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒質(zhì)量受到多因素的影響，包括有發(fā)動(dòng)機(jī)自身結(jié)構(gòu)、燃油品質(zhì)以及各個(gè)系統(tǒng)的協(xié)調(diào)搭配。本文從燃油霧化質(zhì)量著手來提高燃燒質(zhì)量，通過理論研究方法來探究液體霧化機(jī)理，旨在從本質(zhì)上提高噴霧霧化質(zhì)量，從而達(dá)到節(jié)能減排的效果。

1 碎裂過程

1.1 初次碎裂過程

初次碎裂指液體從噴嘴噴出后進(jìn)行的第一次碎裂過程，此時(shí)的液體尚未碎裂成小液滴，由于初次碎裂發(fā)生在噴嘴出口處且此時(shí)氣液速度較快，故需要用高速照相機(jī)進(jìn)行拍攝來獲取碎裂過程。通過對(duì)圖像的處理來獲取初次碎裂的相關(guān)參數(shù)，如碎裂長(zhǎng)度、初始振幅比、液泡直徑以及最不穩(wěn)定波長(zhǎng)等參數(shù)，碎裂長(zhǎng)度短、初始振幅比大、泡狀直徑大以及不穩(wěn)定波長(zhǎng)較小都將促進(jìn)液體碎裂，對(duì)初次碎裂過程的研究不僅僅是通過對(duì)相關(guān)參數(shù)的測(cè)量來獲取規(guī)律，還要更加深入地研究初次碎裂機(jī)理。初次碎裂對(duì)液體霧化質(zhì)量具有重要的影響，不同的射流形態(tài)所對(duì)應(yīng)的初次碎裂過程也會(huì)有所區(qū)別，故需要進(jìn)行嚴(yán)謹(jǐn)?shù)姆治鲅芯俊?/p>

1.2 二次碎裂過程

二次碎裂是在初次碎裂進(jìn)行后進(jìn)行的碎裂過程，此時(shí)液滴經(jīng)過初次碎裂后形成較大的液滴，大液滴在運(yùn)動(dòng)的過程中經(jīng)過與空氣的摩擦以及液滴之間的相互碰撞形成較小的液滴。此時(shí)的碎裂稱為液滴的二次碎裂，通過馬爾文激光粒度分析儀對(duì)二次碎裂的液滴進(jìn)行測(cè)量，得到液滴尺寸數(shù)目分布和累積體積分布，進(jìn)而可以計(jì)算出平均直徑和特征直徑等參數(shù)，如索特平均直徑小、質(zhì)量中值直徑0.5也較小，所帶來的霧化質(zhì)量也就越好。

2 射流模型研究

2.1 平面射流模型

平面射流因其射流貫穿距較短、射流面積寬，主要應(yīng)用于農(nóng)業(yè)灌溉。對(duì)于平面射流的研究，國內(nèi)外許多學(xué)者對(duì)此做了不同的研究，早先Hagerty[1]研究了非粘性平面射流進(jìn)入不可壓縮氣流環(huán)境中的穩(wěn)定性研究，隨后Li[2]考慮液體的粘性作用，應(yīng)用線性穩(wěn)定性理論研究了粘性的平面射流進(jìn)入不可壓縮環(huán)境中的穩(wěn)定性，并研究了平面射流兩側(cè)速度不等時(shí)的表面波狀態(tài)，引出近對(duì)稱模式與近反對(duì)稱模式的概念，從而使線性穩(wěn)定性理論得到完善，最后Cao等[3]應(yīng)用線性穩(wěn)定性理論推導(dǎo)出粘性平面射流進(jìn)入可壓縮氣流環(huán)境中的色散關(guān)系式，使平面射流模型得到完善。

圖1 平面射流模型

圖1為平面射流的分析模型，圖中U1、U2為平面射流上下層的氣流擾動(dòng)速度，ρ1、ρ2為上下層氣流的密度，l、l為液體的速度和液體的密度，l、l為液體的粘度系數(shù)與表面張力系數(shù)，為初始相位角。通過引入納維-斯托克斯方程、能量方程以及動(dòng)量守恒方程和質(zhì)量守恒方程，最終得到粘性平面射流進(jìn)入可壓縮氣流環(huán)境中的色散關(guān)系式[6]。

2.2 圓柱射流模型

圓柱射流的射流貫穿距長(zhǎng)、射流較集中，故常應(yīng)用于消防車以及汽油機(jī)的孔式噴油器。Rayleigh[4]最早對(duì)非粘性的圓柱射流進(jìn)行研究，首次通過射流表面波理論進(jìn)行研究射流的碎裂機(jī)理，并提出了支配表面波增長(zhǎng)率等概念。隨后Chen[5]根據(jù)表面波理論引用納維-斯托克斯控制方程組并應(yīng)用線性穩(wěn)定性理論分析，最終推導(dǎo)出粘性圓柱射流進(jìn)入可壓縮氣流環(huán)境中的色散關(guān)系式。最后曹建明[6]將參數(shù)進(jìn)行量綱一化，推導(dǎo)出量綱一形式下的粘性液體進(jìn)入不可壓縮氣流環(huán)境中的色散關(guān)系式，從而使色散關(guān)系式可以分析更多的變量。

圖2 圓柱射流模型

圖2為圓柱射流分析模型，圖中氣相ρ、P、U分別表征氣流的密度、壓力以及速度，液相ρ、P、U分別表征液流的密度、壓力以及速度。通過對(duì)圓柱模型的分析，引入納維-斯托克斯方程并采用線性穩(wěn)定性分析方法，最終得到粘性圓柱射流進(jìn)入可壓縮氣流環(huán)境中的色散關(guān)系式。

2.3 環(huán)狀射流模型

環(huán)狀射流因其射流貫穿距短，霧化效果好，主要應(yīng)用于柴油機(jī)的軸針式噴油器。Ooms[7]最早提出在理想流體下環(huán)狀射流的線性穩(wěn)定性分析模型，隨后Jeandel等[8]在考慮了液體粘性影響的基礎(chǔ)上，研究了環(huán)狀液膜的穩(wěn)定性，他們發(fā)現(xiàn)環(huán)狀液膜內(nèi)環(huán)的存在引入了附加表面張力，使擾動(dòng)增長(zhǎng)率增加，在小波數(shù)擾動(dòng)時(shí)尤其明顯，這個(gè)表面張力的作用隨著內(nèi)環(huán)半徑的減小而增強(qiáng)，其研究還表明了液體粘性會(huì)使支配表面波數(shù)減小，對(duì)截止波數(shù)卻幾乎沒有影響。嚴(yán)春吉等[9]應(yīng)用線性穩(wěn)定性理論研究環(huán)狀射流進(jìn)入可壓縮氣流環(huán)境中的穩(wěn)定性，并分析氣液速度和密度以及液體的粘性和表面張力對(duì)環(huán)狀射流的穩(wěn)定性，從而使環(huán)狀射流模型得到進(jìn)一步分析研究。

圖3 環(huán)狀射流模型

圖3為環(huán)狀射流分析模型，圖中U、U分別為內(nèi)環(huán)狀氣流速度和外環(huán)氣流速度，r、r分別為內(nèi)外環(huán)半徑，ζ、ζ分別為內(nèi)外環(huán)振幅，U為液體速度，為初始相位角。通過引入納維-斯托克斯方程以及線性穩(wěn)定性分析方法，最終得到粘性環(huán)狀射流進(jìn)入可壓縮氣流環(huán)境中的色散關(guān)系式[10]。

3 結(jié)論

本文通過對(duì)液體碎裂過程的研究發(fā)現(xiàn)，初次碎裂過程對(duì)整個(gè)液體碎裂過程有著重要的影響，只有對(duì)初次碎裂過程的碎裂機(jī)理進(jìn)行深入的研究，才能真正有所實(shí)用。對(duì)于液體射流模型的研究，國內(nèi)外許多學(xué)者已經(jīng)取得了不錯(cuò)的成果，通過對(duì)平面射流、圓柱射流以及環(huán)狀射流的理論分析推導(dǎo)，最終得到不同的粘性液體射流進(jìn)入可壓縮氣流環(huán)境中的色散關(guān)系式，從而使理論研究為實(shí)驗(yàn)研究提供幫助，但對(duì)液體射流的研究遠(yuǎn)遠(yuǎn)沒有結(jié)束，最終需要達(dá)到在工程領(lǐng)域內(nèi)應(yīng)用。

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Research and Application of Spray Liquid Jet Model

HU Dong, ZHAO Mingqiang

( School of Automobile, Chang'an University, Shaanxi Xi'an 710064 )

Spray atomization is a process in which liquid enters into a gas environment through a nozzle, and it is broken down into droplets through the interaction of gas and liquid, which involves complex energy exchange, momentum exchange and heat transfer process. Fuel atomization is an important link in the combustion process of internal combustion engine. Good atomization effect can promote the full mixing of fuel particles and air, so as to improve the thermal efficiency of combustion, and then improve the power performance, economy and emission of internal combustion engine. Due to the different physical structure of the spray liquid through the nozzle, the shape of the jet formed is also different. The main jet forms include plane jet, cylindrical jet and annular jet. In this paper, the three kinds of jet forms are studied, and the deep penetration analysis is carried out from the mechanism of the jet fragmentation. By introducing the physical equation and the theory of the surface wave of the jet, the liquid jet phenomenon is transformed into a mathematical model, and the key factors affecting the atomization effect are explored, thus promoting the development of the spray discipline.

Spray; Primary fragmentation; Jet model

A

1671-7988(2022)01-197-04

U473

A

1671-7988(2022)01-197-04

CLC NO.: U473

胡棟，碩士研究生，就讀于長(zhǎng)安大學(xué)汽車學(xué)院，研究方向：動(dòng)力工程及工程熱物理。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2022.001.045