流動聚焦/模糊噴嘴流動形態及流動模式研究

周高偉，閻凱，李峰

(1.中車工業研究院有限公司，北京 100070；2.中車大連機車研究所有限公司，遼寧 大連 116021)

目前，國內外已有研究者對流動聚焦/模糊噴嘴進行了研究。對于流動聚焦模式，噴嘴氣液流量較小(通常為幾毫升每分鐘)。司廷等[9-10]就流動參數對噴嘴生成液滴的影響進行了研究，研究表明，氣相流量的增加有助于噴嘴生成單分散小液滴，液相流量增加時的影響相反。Acero和Vega等[11-14]的研究則表明，通過磨尖噴嘴內管、在內管中添加導桿等方法可以提高噴嘴流動聚焦模式時生成液滴的穩定性。而對于流動模糊模式，噴嘴出口的氣液流動速度通常能達到幾十米每秒，Azevedo等[15]的研究表明，噴嘴采用錐形噴孔時對液相流體工質的霧化效率最高；Simmons和Jiang等[16-17]的研究則表明，較高的氣液比有利于噴嘴外部液滴的二次破碎，從而提高噴嘴的霧化效果。

流動聚焦/模糊噴嘴依靠噴嘴內部氣相流體的調控作用才能在不同的工況下以不同的流動模式工作。但是，目前對噴嘴內部氣液流動的研究仍然十分有限。部分研究者發現噴嘴內部還存在不同于流動聚焦模式和流動模糊模式的第三種流動模式[18]。另外，已有的研究由于研究的目的不同，大多是單獨對噴嘴以流動聚焦模式或流動模糊模式工作時的特點進行研究，而未從整體上對噴嘴的流動模式進行研究，這在一定程度上阻礙了流動聚焦/模糊噴嘴的實際應用，特別是在液體噴霧與燃燒領域的應用。

基于以上原因，本研究將通過試驗和數值模擬方法對流動聚焦/模糊噴嘴內部的氣液流動形態及流動模式進行研究。搭建了流動聚焦/模糊噴嘴內部氣液流動試驗平臺，對噴嘴內部的氣液流動模式進行研究。建立了噴嘴內部氣液流動的數值模擬模型，對不同流動模式時噴嘴內部的氣液流動形態進行研究。在此基礎上，通過流型圖對氣液流動參數和噴嘴結構參數對噴嘴流動模式的影響進行研究。

1 試驗平臺及數值模擬模型

1.1 流動聚焦/模糊噴嘴

本試驗需要對不同工況時流動聚焦/模糊噴嘴內部的氣液流動進行研究，因此，試驗時采用的流動聚焦/模糊噴嘴需滿足可視化和可變結構的要求。基于此，設計了模塊化的流動聚焦/模糊噴嘴，其結構剖視圖以及實物圖見圖1。

圖1 流動聚焦/模糊噴嘴結構剖視圖和實物圖

如圖1a所示，試驗用流動聚焦/模糊噴嘴由噴嘴內管、噴嘴主體和噴孔組件三部分組成。液相流體和氣相流體分別通過噴嘴內管和噴嘴主體進入流動聚焦/模糊噴嘴，在噴嘴內管頭部和噴孔組件構成的混合區內相互作用后，通過在噴孔組件底部的噴孔流出噴嘴。由于研究不針對某一具體應用，且考慮到試驗的安全性以及對環境的影響，采用水和空氣作為流動聚焦/模糊噴嘴的試驗工質。

噴孔組件采用亞克力材料制作并進行拋光處理，從而滿足可視化試驗的需求。進行研究時，主要改變的噴嘴結構參數為管孔距H(內管與噴孔間的距離)、噴孔直徑Dh和噴孔長度Lh。試驗用流動聚焦/模糊噴嘴的噴孔組件和噴嘴主體間通過螺紋進行連接，更換不同的噴孔組件即可以對噴孔直徑和噴孔長度進行調整。而通過在噴孔組件與噴嘴主體的連接螺紋處添加不同數量厚度為1 mm的墊片則可以實現對管孔距的調整。試驗用流動聚焦/模糊噴嘴的主要結構參數見表1。

表1 流動聚焦/模糊噴嘴主要結構參數

1.2 流動聚焦/模糊噴嘴內部氣液流動試驗平臺

根據對流動聚焦/模糊噴嘴內部氣液流動研究的需要，搭建了流動聚焦/模糊內部氣液流動試驗平臺(見圖2)。

圖2 流動聚焦/模糊噴嘴試驗平臺

采用空氣壓縮機和液體泵作為流動聚焦/模糊噴嘴氣液兩相流體供給的動力源，以氣液兩相流體管路上安裝的容積式流量計和壓力調節閥對噴嘴的氣液兩相流量進行調節, 試驗時氣體流量的調節范圍為10～100 L/min，液體流量的調節范圍為100～1 000 mL/min。不同工況時氣液流體的壓力均保持恒定且氣體壓力比液體壓力更大；氣體壓力的最大值為0.7 MPa，液體壓力的最大值為0.5 MPa。通過FASTCAM Mini UX100高速攝像機對噴嘴內部的氣液流動形態進行拍攝，將白色光源與高速攝像機相對布置以提高拍攝的清晰度。進行每組試驗時，分別打開空氣壓縮機和液體泵，檢查氣液流體管路，在不存在泄漏的情況下，緩慢調節氣液流量計和壓力閥，使噴嘴氣液流量達到試驗目標值。待噴嘴穩定工作1 min后，通過高速攝像機對噴嘴內部的氣液流動形態拍攝10張圖像，完成該組試驗。

1.3 流動聚焦/模糊噴嘴內部氣液流動的數值模擬模型

以流動聚焦/模糊噴嘴混合區和噴孔區域作為數值模擬的計算域。考慮到計算域為軸對稱結構，為節省計算時間，取計算域橫截面的1/2區域作為數值模擬的最終計算域(如圖3所示)。

圖3 流動聚焦/模糊噴嘴數值模擬計算域示意圖及其范圍

如圖3所示，虛線框區域為本研究對流動聚焦/模糊噴嘴內部氣液流動進行數值模擬的計算區域。計算區域在噴嘴徑向的寬度為4 mm，在噴嘴軸向上，由于不同流動模式時噴嘴的管孔距不同，計算區域的長度范圍為13～15 mm。

對計算域劃分網格并試算后發現，當網格尺寸小于一定程度后繼續減小網格尺寸對計算結果基本沒有影響。因此，最終選定的計算網格尺寸為0.02～0.1 mm，對混合區及噴孔中心氣液相互作用較為劇烈區域的網格進行了加密，最小網格尺寸為0.02 mm。數值模擬模型計算網格總數為140萬個。

為對噴嘴內部氣液流動的細微結構進行深入研究，采用大渦模擬方法對噴嘴內部氣液流動的控制方程進行求解。大渦模擬的控制方程如下：

(1)

(2)

式中：u為流體速度；ρ為流體密度；μ為流體黏度；p為流體壓力；τij為亞網格應力；g為流體重力加速度；F為表面張力項。

大渦模擬方法采用濾波函數對氣液流動中的大尺度渦團與小尺度渦團進行分離。對于大尺度渦團，可以直接通過式(1)和式(2)進行求解計算。對于小尺度渦團，則可以通過引入亞網格應力模型使式(2)封閉后進行求解。在兼顧計算精度和計算效率的情況下，選擇Smagorinsky-Lilly模型作為數值計算的亞網格應力模型，其亞網格應力可由大尺度流場的應變率確定：

(3)

式中：τkk為亞網格各項同性應力；δij為克羅內克函數；μt為亞網格渦黏系數。

數值模擬時，通過PISO算法對噴嘴內部氣液流動壓力與速度的耦合進行處理，利用二階迎風格式對動量方程進行離散，采用PRESTO法對噴嘴內部壓力進行處理。為精確對氣液兩相流體相界面進行計算，采用VOF方法對流動聚焦/模糊噴嘴內部氣液兩相流體相界面進行追蹤。通過氣相體積函數α確定氣液區域：當氣相體積函數α為0時，表明該區域為液相區域；當氣相體積函數α為1時，表明該區域為氣相區域；當氣相體積函數α介于0和1之間時，表明該區域液相和氣相共存，即混合區域。針對研究對象的特點，在進行噴嘴內部氣液兩相流體流動數值模擬時，計算區域氣相流體和液相流體入口邊界采用速度邊界條件，噴孔出口邊界采用壓力邊界條件，計算區域噴嘴壁面邊界采用無滑移壁面邊界條件，對稱線邊界采用對稱線邊界條件。

通過對比相同工況下流動聚焦/模糊噴嘴內部氣液流動的試驗圖像和數值模擬結果對噴嘴內部氣液流動數值模擬模型進行了驗證。圖4示出流動聚焦模式下噴孔直徑5 mm、管孔距5 mm、液相流體流量100 mL/min條件，不同氣相流量時噴嘴內部氣液流動形態的試驗結果與數值模擬結果的對比。圖5示出流動過渡模式下噴孔直徑5 mm、管孔距1 mm、液相流體流量1 000 mL/min條件，不同氣相流量時噴嘴內部氣液流動形態的試驗結果與數值模擬結果的對比。

圖4 流動聚焦模式下不同工況時噴嘴內部氣液流動試驗結果與數值模擬結果的對比

圖5 流動過渡模式下不同工況時噴嘴內部氣液流動試驗結果與數值模擬結果的對比

從圖4和圖5可以看出，流動聚焦模式時，通過數值模擬方法計算得到的噴嘴混合區錐形液體射流和噴孔內柱形液體射流的形態與試驗結果基本相同；流動過渡模式時，通過數值模擬方法計算得到的噴嘴噴孔內柱形液體射流的破碎點位置與試驗結果基本相同。這說明本研究建立的流動聚焦/模糊噴嘴內部氣液流動數值模擬模型較為準確，可用于對噴嘴內部的氣液流動形態進行計算。

2 流動聚焦/模糊噴嘴內部的氣液流動模式

噴嘴內部的氣液流動模式對流動聚焦/模糊噴嘴的工作有重要的影響，但目前對流動聚焦/模糊噴嘴內部存在的氣液流動模式還未有定論。利用本研究中設計的可視化流動聚焦/模糊噴嘴進行試驗后發現，噴嘴內部存在流動聚焦模式、流動過渡模式和流動模糊模式3種流動模式。流動聚焦模式時，噴嘴內部液體射流未發生破碎；流動過渡模式時，液體射流在噴嘴噴孔內破碎；流動模糊模式時，噴嘴混合區和噴孔內的液體射流均破碎。在噴孔直徑5 mm、噴孔長度10 mm和液相流量200 mL/min時，試驗觀測到的流動聚焦/模糊噴嘴內部不同流動模式下的流動圖像見圖6。

從圖6可以看出，3種流動模式時流動聚焦/模糊噴嘴內部氣液流動的差異主要體現為氣液兩相流體間混合狀況的不同。

圖6給出的可視化試驗結果表明：流動聚焦模式時，氣液兩相流體間的相互作用相對較弱，噴嘴內不存在氣液兩相流體間的摻混，因此可以在噴嘴混合區和噴孔內觀察到清晰的錐形液體射流和柱形液體射流；流動過渡模式時，氣液兩相流體間的相互作用增強，在噴嘴噴孔內出現液體射流破碎，在液體射流破碎點下游的噴孔內存在著劇烈的氣液兩相流體間的摻混，而在液體射流破碎點上游的噴嘴混合區和噴孔內仍然可以觀察到清晰的錐形液體射流和柱形液體射流；流動模糊模式時，噴嘴內部氣液兩相流體間的相互作用十分劇烈，在噴嘴混合區和噴孔內均存在著氣液兩相流體間劇烈摻混，此時已很難再觀察到明顯的氣液兩相流體的分界面。

圖6 不同流動模式時噴嘴內部的氣液流動試驗圖像(Ql=200 mL/min)

3 不同流動模式下噴嘴內部流動形態的數值模擬

不同流動模式時，流動聚焦/模糊噴嘴內部的氣液相互作用程度不同，噴嘴流動參數和結構參數的改變不僅會影響噴嘴內部的流動模式，也會影響相同流動模式時噴嘴內部的氣液流動形態。本節將通過數值模擬方法對不同流動模式時噴嘴內部的氣液流動形態進行深入研究，從氣液相互作用的角度對噴嘴內部不同流動模式產生的原因進行分析。

流動聚焦/模糊噴嘴內部的氣液流動形態和流動模式與氣相流體有密切聯系，氣相流體的慣性力及黏性力對液相流體的流動起主要影響作用。雷諾數反映了流體慣性力與黏性力的相對大小，因此，通過氣相流體雷諾數對不同流動模式時噴嘴內部的氣液流動形態進行分析。氣相流體雷諾數定義為

(4)

式中：ρg為氣體密度；μg為氣體黏度；Qg為氣相流體流量。

3.1 流動聚焦模式下噴嘴內部流動形態的數值模擬研究

圖7示出管孔距4 mm、噴孔直徑5 mm、噴孔長度10 mm、液相流量200 mL/min時，不同氣體雷諾數下通過數值模擬得到的噴嘴內部氣液流動相分布、速度分布和壓力分布。

圖7 流動聚焦模式時不同氣相流量下噴嘴內部氣液流動數值模擬結果

從圖7a中可以看出，流動聚焦模式時，隨著氣體雷諾數的增加，流動聚焦/模糊噴嘴混合區內的錐形液體射流外凸程度逐漸減弱，錐形液體射流形態依次表現為外凸錐形、標準錐形和內凹錐形三種形態；噴嘴噴孔內的柱形液體射流直徑逐漸減小。

從圖7b和圖7c中可以看出，流動聚焦模式時，隨著氣體雷諾數的增加，流動聚焦/模糊噴嘴混合區及噴孔內氣液兩相流體間速度與壓力的差距增加，氣相流體對液相流體的慣性力作用增強，這可能是噴嘴混合區錐形液體射流外凸程度減弱、噴孔內柱形液體射流直徑減小的主要原因。從圖中可以發現，流動聚焦模式時盡管噴嘴內部氣液兩相流動速度差與壓力差隨著氣體雷諾數增加而增加，但噴嘴內部大部分區域氣液兩相流體流動的流線較為穩定，這可能是流動聚焦模式時噴嘴內部氣液流體間未發生摻混的主要原因。而在氣體雷諾數較大時，由于氣液流體間壓力差的增大，噴嘴噴孔下游區域氣液兩相流體流線開始出現一定的扭曲(圖7中虛線圈所示)，這種氣液兩相流動間的擾動(也就是氣體紊流作用增強的體現)正是流動聚焦模式向流動過渡模式轉變的原因。

從圖7還可以看到，流動聚焦模式時，噴嘴內部液體射流表面存在一定的不穩定波動。隨著氣體雷諾數的增加，流動聚焦模式時噴嘴內部液體射流表面的不穩定波動有一定的減弱。這說明，流動聚焦模式時氣體的慣性力作用在使液體射流直徑減小的同時還能在一定程度上增強液體射流的穩定性，這正是流動聚焦模式時噴嘴能夠生成較小粒徑液滴的重要原因之一。

3.2 流動過渡模式下噴嘴內部流動形態的數值模擬

圖8示出管孔距3 mm、噴孔直徑5 mm、噴孔長度10 mm、液相流量400 mL/min時，不同氣體雷諾數下通過數值模擬得到的噴嘴內部氣液流動相分布、速度分布和壓力分布。

從圖8a中可以看到，流動過渡模式時，流動聚焦/模糊噴嘴內部氣液流動形態的差異主要體現為噴孔內柱形液體射流的破碎。噴嘴氣體雷諾數較大時，噴嘴噴孔內柱形液體射流破碎點距噴孔出口的距離增加，柱形液體射流的破碎程度提高。

從圖8b和圖8c中可以看到，流動過渡模式時，噴嘴混合區內氣液流體流動的速度場和壓力場與流動聚焦模式時類似，而從噴孔內氣液流動速度場和壓力場中可以發現，氣液兩相流體的壓力增加，氣相流體流動中存在大量的漩渦，氣體紊流對液體的擾動作用增強。噴孔內氣體紊流導致的氣相流體漩渦對液體射流的剪切和擾動作用正是流動過渡模式時液體射流發生破碎的主要原因。從圖中還可以發現，噴嘴氣體雷諾數較大時，噴嘴噴孔內氣相流體漩渦逐漸向噴孔中心區域以及接近噴孔入口區域移動，這應該就是氣體雷諾數較大時流動過渡模式下噴孔內液體射流破碎位置上升、破碎程度提高的主要原因。

圖8 流動過渡模式時不同氣相流量下噴嘴內部氣液流動數值模擬結果

對比圖8和圖7可以發現，氣體雷諾數較大時，流動聚焦/模糊噴嘴內部氣體慣性力作用的增加主要起減弱液體射流穩定性的作用，這也是導致流動過渡模式時噴嘴噴孔內液體射流發生破碎的主要原因。

3.3 流動模糊模式下噴嘴內部流動形態的數值模擬

圖9示出管孔距2 mm、噴孔直徑5 mm、噴孔長度10 mm、液相流量400 mL/min時，不同氣體雷諾數下通過數值模擬得到的噴嘴內部氣液流動相分布、速度分布和壓力分布。

從圖9(a)中可以看到，流動模糊模式時，流動聚焦/模糊噴嘴混合區與噴孔內的液體射流均已發生劇烈的破碎。噴嘴氣體雷諾數不同時，噴嘴內部氣液流動形態的差異主要體現在液體射流的破碎程度上，氣體雷諾數較大時，噴嘴內部液體射流破碎的程度較高。

圖9 流動模糊模式時不同氣相流量下噴嘴內部氣液流動數值模擬結果

從圖9b和圖9c中可以看到，流動模糊模式時，流動聚焦/模糊噴嘴混合區內氣液流體流動的流線有明顯的扭曲，且存在一定的氣液流動漩渦，即氣體紊流對液相流體的擾動作用較強，這應該是導致噴嘴混合區內錐形液體射流發生破碎的主要原因。噴嘴氣體雷諾數較大時，噴嘴內部存在的氣液流動漩渦更明顯，氣液流動漩渦對噴孔中心區域的影響更明顯，氣體紊流對液相流體的擾動作用更強，氣液流動壓力較大且壓力的擾動更明顯，這可能是氣體雷諾數較大時噴嘴內部液體射流破碎程度較高的原因。

從圖9還可以看到，盡管流動模糊模式時噴嘴內部液相流體已發生破碎，但噴嘴混合區內破碎后的射流整體形態仍然呈錐形，噴孔內仍然存在一些未完全破碎的液柱。這主要是由于流動模糊模式時氣體雷諾數較高，氣體的慣性作用力對破碎液絲或液滴的擠壓作用較強，導致部分液絲和液滴之間出現碰撞融合現象。

上述研究結果表明，不同流動模式時，流動聚焦/模糊噴嘴內部存在的不同氣液流動形態是由不同工況時氣相流體對液相流體的慣性力作用不同導致的。流動聚焦/模糊噴嘴內部氣液流動模式由流動聚焦模式向流動過渡模式及流動模糊模式的轉變，與氣體慣性力作用增強時噴嘴內部出現的氣液流動漩渦向噴孔中心區域及接近噴孔入口區域的移動有一定的關系。

4 噴嘴內部氣液流動模式的試驗研究

不同流動模式時流動聚焦/模糊噴嘴應用的領域有明顯的差異，明確流動聚焦模式、流動過渡模式和流動模糊模式出現的工況對流動聚焦/模糊噴嘴結構的設計與實際應用有重要意義。本研究將通過氣液流型圖對氣液流動參數和噴嘴結構參數對流動聚焦/模糊噴嘴內部三種流動模式的影響進行研究。

圖10示出噴嘴噴孔直徑5 mm、噴孔長度10 mm時，不同噴嘴管孔距下通過試驗方法得到的流動聚焦/模糊噴嘴內部基于噴嘴氣液流動參數的流型圖。

圖10 不同管孔距時噴嘴內部氣液流動參數流型圖

從圖10可以看到，流動聚焦模式主要出現在噴嘴氣相流量和液相流量較小的工況，流動模糊模式主要出現在噴嘴液相流量較小而氣相流量較大的工況。隨著噴嘴氣相流量的增加，噴嘴內部的氣液流動模式會由流動聚焦模式向流動過渡模式及流動模糊模式轉變；而隨著噴嘴液相流量的增加，噴嘴內部的氣液流動模式會由流動聚焦模式或流動模糊模式向流動過渡模式轉變。從整體上看，在大部分工況時流動聚焦/模糊噴嘴內部均表現為流動過渡模式。

從圖10中還可以看到，隨著噴嘴管孔距的增加，流動聚焦/模糊噴嘴內部流動聚焦模式出現的工況范圍有一定的增加，流動模糊模式出現的工況范圍有明顯的減小，管孔距增加到一定程度后，噴嘴內部已不存在流動模糊模式。說明管孔距增加不利于噴嘴內部流動模式向流動模糊模式轉變。

圖11示出噴嘴管孔距2 mm、噴孔長度10 mm時，不同噴嘴噴孔直徑下通過試驗方法得到的流動聚焦/模糊噴嘴內部基于噴嘴氣液流動參數的流型圖。

圖11 不同噴孔直徑時噴嘴內部氣液流動參數流型圖

從圖11中可以看出，氣液兩相流量對噴嘴內部流動模式的影響不受噴孔直徑的影響。隨著噴孔直徑的增加，流動模糊模式出現的工況范圍減小，流動聚焦模式出現的工況范圍增大。說明噴孔直徑的增加同樣不利于噴嘴內部流動模式向流動模糊模式轉變。對比圖10和圖11可以發現，噴孔直徑對流動聚焦模式出現工況范圍的影響比管孔距大，而對流動模糊模式出現工況范圍的影響比管孔距小。

圖12示出噴嘴管孔距2 mm、噴孔直徑5 mm時，不同噴嘴噴孔長度下通過試驗方法得到的流動聚焦/模糊噴嘴內部基于噴嘴氣液流動參數的流型圖。

從圖12中可以看到，氣液兩相流量對噴嘴內部流動模式的影響同樣不受噴孔長度的影響。隨著噴孔長度的增加，流動聚焦模式出現的工況范圍減小，流動模糊模式出現的工況范圍增加，噴孔長度對流動聚焦模式出現工況范圍的影響程度比流動模糊模式時更明顯。但從整體上看，噴孔長度對噴嘴內部流動模式的影響相對較小。

圖12 不同噴孔長度時噴嘴內部氣液流動參數流型圖

上述研究結果表明，噴嘴內部的氣液流動模式與氣液流動參數和噴嘴結構參數有密切的關系。流動聚焦模式主要出現在液相流量和氣相流量較小工況，流動模糊模式主要出現在液相流量較小而氣相流量較大工況；噴嘴管孔距和噴孔直徑的增加均不利于噴嘴內部流動模糊模式的出現，噴孔長度的增加雖然有利于噴嘴內部流動模糊模式的出現，但影響相對較小。

5 結論

a) 試驗研究發現，由于氣液兩相流體間混合狀況的不同，流動聚焦/模糊噴嘴內部的氣液流動模式可以分為流動聚焦模式、流動過渡模式和流動模糊模式3種；

b) 對噴嘴內部氣液流動形態及流動模式的數值模擬研究發現，不同流動模式下，不同工況時氣相流體對液相流體慣性力作用的不同導致了噴嘴內部的氣液流動形態不同；流動聚焦/模糊噴嘴內部氣液流動模式由流動聚焦模式向流動過渡模式及流動模糊模式的轉變，與氣體慣性力作用增強時噴嘴內部出現的氣液流動漩渦向噴孔中心區域及接近噴孔入口區域的移動有一定的關系；

c) 通過流型圖對試驗結果的分析表明，流動聚焦模式主要出現在液相流量和氣相流量較小工況，流動模糊模式主要出現在液相流量較小而氣相流量較大工況；噴嘴管孔距和噴孔直徑的增加均不利于噴嘴內部流動模糊模式的出現，噴孔長度的增加雖然有利于噴嘴內部流動模糊模式的出現，但影響相對較小。