環狀液膜射流霧化研究進展

師浩哲，胡 棟

環狀液膜射流霧化研究進展

師浩哲1，胡 棟2

（1.長安大學 能源與電氣工程學院，陜西 西安 710064；2.東風汽車集團有限公司技術中心，湖北 武漢 430199）

噴霧廣泛應用在農業、航空航天、發動機、醫療等多個領域。良好的液膜霧化對減少能源損耗起著至關重要的作用，環狀射流其獨特的結構具有碎裂長度短以及霧化質量高的特點，所以論文從理論研究、實驗研究、仿真分析三個角度闡述了環狀液膜射流碎裂的研究現狀。重點對液膜碎裂機理，影響液膜碎裂的主要因素進行了相關分析總結。結果表明，線性穩定性分析理論和非線性穩定性分析理論仍是理論分析的基礎，大渦模擬（LES）和流體體積法（VOF）是數值模擬應用較多的研究方法，液體粘度、韋伯數、液體表面張力等對環狀射流霧化影響較大。但在大液體韋伯數下的對霧化質量研究還較少，增加工況點的選擇，加大仿真與實驗間的相互驗證，這是環狀射流在未來研究和發展的重難點之一。

噴霧；環狀射流；碎裂機理；韋伯數；液膜霧化

噴霧是將液體通過一定的壓力從噴嘴噴射到氣體介質中，并且使其以一定的速度分散并碎裂成小顆粒液滴的過程。在日常生活中也有著廣泛的應用。近年來“碳達峰、碳中和”是十四五時期經濟社會發展的主要目標和任務之一。在雙碳的大背景下，汽車發動機的燃油霧化是促進燃油速率和效率的關鍵因素，也是減少碳排放的重要影響因素[1]。由于平面射流和圓柱射流可視為環狀射流的特殊形式，本文以環狀射流為基礎從理論研究、實驗研究、數值仿真研究三個方面來闡述總結環狀液膜射流研究進展。

1 液膜碎裂基本原理

液膜霧化碎裂機理通常有空氣動力干擾說、壓力震蕩說、湍流擾動說、邊界條件突變說等，上述四種碎裂機理假說均有各自的不足之處[2]。在初次碎裂過程中，噴嘴噴出的射流受到其周圍氣體的干擾，使液體射流產生一定的波動，由于氣液之間速度的不斷變化，會產生明顯的液膜、液帶，液體不穩定表面波變短，使環形液膜逐漸碎裂。二次碎裂是在初次碎裂的基礎之上再次分裂成更細小的液體。在氣動力、液體表面張力、氣液相對速度、黏性力等作用下形成更短的液體不穩定表面波波長，顯著地擴大了液體與氣體之間的接觸面積[3]。液體在不同條件下的碎裂方式有些許不同，影響因素也不同。目前對液膜射流碎裂理論的研究比較認可表面波非線性穩定性理論[4]。其中環狀射流是一個三維柱坐標環形液膜，其模型如圖1所示。

圖1 環狀射流物理模型

其坐標軸分別為軸、軸和軸，沿著射流方向為軸，垂直射流方向為軸，射流軸向旋轉方向為軸。液相參數：液體速度l，液體的壓強l，液體密度l，液體表面張力系數l；氣相參數：內環氣體的速度gi，外環氣體的速度go，氣體的壓力g，氣體的密度g；特征參數有內環半徑i，外環半徑為o，內環振幅為i，外環振幅為o，是沒有經過擾動的環狀液膜半厚度，是內環與外環氣液交界面表面波的相位角。

2 環狀液膜碎裂理論研究

環狀液膜的碎裂在噴嘴出口處呈圓環狀，形成的射流霧場為錐狀，其射流碎裂過程示意圖如圖2所示。

圖2 環狀射流碎裂過程示意圖

最早對環狀液膜射流霧化機理進行研究的是文獻[5]，其在1878年提出液滴平均直徑的經驗公式

=3.01(dom)0.5（1）

式中，為液膜厚度；dom為支配表面波波長。

其還研究發現，當氣液速度比較小時，液膜射流先碎裂成環狀的斷裂帶，而后再碎裂成大量的小液滴，液滴相關的波長、直徑、液膜厚度的關系如式（1）所示。

文獻[6]在忽略流體重力、粘性等條件，并在壁面光滑條件下提出了環狀液膜射流的不穩定性模型，研究了波和波的不穩定性。

文獻[7]對在無粘性氣體介質中運動的環形粘性液體射流在時間模式的不穩定性上進行了線性分析，發現了兩種獨立的不穩定模式，給出了兩個界面處初始擾動的色散關系和振幅比的一般形式，并給出了不穩定波增長率和振幅比下的數值結果。在環形或錐形液膜的破碎過程中，曲率效應不可忽略。曲率效應通常會增加擾動增長率，從而促進環形薄板的破碎過程。液體粘度在高韋伯數下具有穩定作用，而在低韋伯數時，它在某些條件下增強了近反對稱波擾動的不穩定性。由于大韋伯數在實際應用中十分重要，如在與液體霧化有關的韋伯數下，近反對稱模式始終占主導地位。

文獻[8]對非牛頓環形液體射流的線性不穩定性模式進行研究，發現對于無應力狀態，通過正式引入增長率依賴粘度，可以從牛頓關系中簡單獲得相應的色散關系，避免直接推導所隱含的繁瑣代數，通過連續的計算得到了環形射流不穩定模式最大增長率范圍。

文獻[9]考慮了液體粘度對靜止氣體環境中環形液膜線性穩定性的影響，發現了自然曲率的存在使表面張力非常特殊，并導出了一個無量綱數D來解釋液體粘度的穩定影響。

文獻[10]應用線性穩定性分析方法對空心圓柱射流展開研究，發現射流的擾動發展與四個無量綱參數Re、We、Q、Ah（半徑與液膜厚度比）緊密相關。用無量綱數Je=We/Q來表征射流形態，當Je大于1時（分裂狀態），表面張力增大促進擾動的發展，加速射流的分裂。當Je小于1時，表面張力阻礙擾動的發展，進而阻礙射流的破裂。

文獻[11]對旋轉粘性環狀液膜在無粘性氣體作用下進行了時間模式下的穩定性分析，推導出了旋轉粘性環狀液膜的無量綱色散關系式，發現隨著液體粘度和液體速度的降低，表面波最大增長率都增大，碎裂長度變短，液滴變小。

文獻[12-14]利用線性不穩定理論分析了氣體旋轉運動對類反對稱模式下環狀液膜射流的碎裂過程，結果發現，外氣體介質的旋轉運動是環狀液膜趨于穩定，內氣體介質的旋轉運動增加環狀液膜的不穩定性，旋轉運動加強時，碎裂模式迅速發生變化，且內氣體介質對液膜的不穩定性起決定性作用。

文獻[15]基于空間模式對環狀液膜界面失穩機理進行了三維非線性穩定性分析，發現氣體流動對環狀液膜的不穩定性有很大的影響。當氣液速度差較小時，液膜碎裂受到抑制，碎裂長度變長。氣液速度差較大時，碎裂長度變短，氣體速度越大，液膜越不穩定。還發現一階和二階最大擾動增長率隨著氣液速度差和液膜曲率的增大而增大，環狀液膜的內外剪切作用是環狀液膜不穩定的根源。

文獻[16]使用粘性勢流理論（Viscous Pressure Forming, VPF）研究環狀流在毛細管中的不穩定性，并主要分析了層流速度狀態下的環形射流的不穩定性。利用切比雪夫配點法和邊界技術，推導出了色散關系式。VPF是基于速度矢量場無旋性假設的簡化流動模型，在小韋伯數和小雷諾數下，基于VPF建立的模型可以準確預測環形射流的不穩定性和影響不穩定性的臨界參數。

文獻[17]基于時間模式運用線性不穩定理論研究了熱質傳遞對環狀液膜在氣體介質中軸向運動的影響，得到了色散關系式。其研究發現，熱質在小波數下，促進波的增長速率，并在零波數下達到最大。當波數大于1.15時，增加液體韋伯數，會增加環狀液膜的不穩定性；波數小于1.15時，增大液體韋伯數，則抑制液膜的不穩定性。在較強的傳熱傳質條件下，當波數大于0.28時，增大氣液密度比，由于內部氣體的擾動作用，會增加表面波的最大增長率，增加液膜的不穩定性；當波數小于0.28時，增大氣液密度比，則抑制液膜的不穩定性。在較大的液體韋伯數下，內部氣體擾動對波增長率的促進作用最大，在環向液膜失穩過程中，內界面起主導作用。

文獻[18]對同軸旋流噴嘴的霧化過程進行了研究，建立了K-H和R-T兩階段的理論碎裂模型來預測環狀液膜噴霧場的索特平均直徑（Sauter Mean Diamter, SMD），結果表明，其理論模型與以往的實驗數據高度吻合，說明了該理論模型的有效性。隨后也研究了流體物理性質和流動參數對液滴SMD的影響，結果發現，氣體粘度和壓縮性對同軸旋流噴嘴的SMD影響較小，當液體密度增加時，SMD增大，當氣體密度增加時，SMD減小。SMD隨著表面張力的增加而增加。隨著半錐角的增大，SMD先增大后減小，通過預測碎裂模型可以得到最佳噴霧錐角。

3 環狀射流的實驗研究

文獻[19]對旋轉霧化器的噴嘴進行了射流初次碎裂動力學和噴霧特性的實驗研究。采用了脈沖背光照明的高分辨率陰影成像技術對噴霧可視化觀察。研究結果發現了瑞利模式、袋狀模式、拉伸碎裂模式以及剪切碎裂模式四種射流碎裂模式。而后又使用Particle Droplet Image Analysis（PDIA）技術進行了霧滴尺寸測量，發現液體韋伯數對SMD值有較大的影響。

文獻[20]通過實驗研究了射流中表面活性劑液滴的剪切破碎和射流中的過渡韋伯數，研究結果表明，表面活性劑的濃度對液膜的碎裂有著重要的影響（影響表面張力），并得到過渡韋伯數的預測表達式。

文獻[21]對航空燃氣輪機的壓力旋流噴嘴展開研究，重點研究了在燃油溫度變化的條件下，粘度對液膜厚度和碎裂長度的影響。通過實驗測量質量流量、流量系數（d）、噴霧錐角等參數，結果發現，隨著溫度的降低，燃料的粘度會增大，局部液滴不均勻分布，噴霧錐角增大，會導致液膜厚度變大，兩次碎裂的碎裂長度變長，霧化質量變差。在考慮粘度影響的條件下，推導出一個新的預測碎裂長度的表達式為

文獻[22]采用平行電導探針測量了旋轉環形流的液膜厚度，對垂直向下旋轉環形流和直流之間液膜的差異進行了研究。通過理論分析建立了預測液膜厚度的數學模型，其數學模型采用相關數據點有93.2%，在10%誤差范圍內，說明其預測模型有良好的數學精度。

文獻[23]采用一種新型的非入侵式多層電導傳感器，測量了垂直向上和傾斜向上環狀流管壁內的瞬時液膜厚度。研究了垂直和傾斜管道中同向上升氣水環狀流的波浪狀界面結構，并對液膜表面波實現三維重建。發現了擴散波、擾動波以及失穩波三種類型的界面波。對于較大的液體流速，擾動波對界面起主要的控制作用。對于較低的液速，方位角和傾角對界面結構起主導作用。界面波形圖是這些角度的函數。

文獻[24]采用相位多普勒風速儀測量多個徑向位置的液滴尺寸和速度，研究了垂直氣液兩相環形流，得出液滴流速、尺寸、速度和動量的徑向演化特征。結果表明，隨著夾帶液滴從液膜-氣芯交界面向中心軸線移動，液滴的數目逐漸減小，這是由于液滴聚合作用大于液滴碎裂，表明氣核內液滴的徑向演化是影響氣液交界面特性的關鍵因素。

文獻[25]研究了低中心射流雷諾數下環空脈動對雙同心射流流動特性和混合特性的影響。使用激光光片可視化的方法觀察到射流的長曝光圖像和條紋圖像，并通過粒子測速成像儀測量了速度特性、湍流強度分布、渦度輪廓和射流擴散寬度等參數。結果發現，當環形液膜射流收到脈動沖擊時，環狀射流會向中心軸線上匯合，流場中的湍流強度增加，中心射流分散到環形射流中，射流之間的混合能力增強。噴射效率和霧化質量得到提高。

文獻[26]通過向液相中加入少量1-丁醇改變垂直環形液膜射流水的表面張力（不改變液體動力粘度），對環狀液膜射流的表面波和液膜厚度進行了實驗研究。測量了表面波的平均振幅、頻率和液膜厚度。分析了表面張力對氣液兩相流中速度及其他物理量的影響。

文獻[27]研究了絕熱條件下氣液環形液膜擾動波的特性。利用亮度的激光誘導熒光技術（Brightness-Based Laser-Induced Fluorescence, BBLIF）對下游過程中單個擾動波的特性和聚集過程進行了重點研究。結果顯示，擾動波在入口下方150 mm～200 mm的距離處穩定，擾動波速率呈現先增大后減緩的趨勢，其研究還表明，當一個擾動波吸收另一個擾動波時，其速度會增加2%，振幅增加5%～6%，縱向尺寸保持不變。

文獻[28]利用激光誘導熒光（Laser-Induced Fluoresence, LIF）和共焦色度傳感器（Confocal Chroma Sensor, CCS）對加熱管中環形流動的對流沸騰傳熱進行了實驗研究，得到了管內液體薄膜動力學和不穩定性。結果發現，傳熱系數隨著液體表觀速度的增加而增加，隨著蒸汽表觀速度的增加而減小。蒸汽表觀速度是影響基底膜厚度和波幅的主要因素。蒸汽表觀速度的增大和液體速度的減小會使液膜厚度和波幅均減小。

4 環狀射流的仿真研究

文獻[29]通過使用流體幾何體積法（Volume Of Fluid, VOF）和有界壓縮格式，采用大規模網格計算方式對環形液膜的失穩性和液膜的初次碎裂進行了模擬仿真研究。結果發現，進入的流體頭部最先受到沖擊和擾動，從而引起氣液兩相之間剪切力以及之間的相互碰撞，從而增強了液膜的不穩定性，促進了液膜的霧化進程。

文獻[30]采用計算流體力學中的兩相流大渦模擬（Large Eddy Simulations, LES）和VOF等方法對大型壓力旋流霧化器在高粘度流體流動時液膜內部流動和噴嘴的不穩定性進行了研究。其研究結果發現，當液體雷諾數在420時，由于噴嘴出口處速度分布不均，液膜噴霧呈S型；當液體雷諾數大于420且小于830時，液膜為混合型液膜。當液體雷諾數大于1 660時，形成空心錐型液膜。還發現了增加液體雷諾數會使噴嘴附近液體的質量流量分布更均勻。

文獻[31]使用Smagorinsky亞網格模型的LES對同軸環形氣流對高粘性液體射流的初始破碎進行了模擬研究。結果表明，在破碎頻率、速度場和形態記錄方面與使用高速相機以及粒子圖像測速法（Particle Image Velocimetry, PIV）和激光多普勒測速技術（Laser Doppler Anemometry, LDA）系統對射流破碎的研究結果高度吻合。

文獻[32]等利用LES、傅里葉高階代碼、高階差分形式和壓力-速度耦合方法對環形無旋射流進行了仿真模擬研究。重點研究了不同的雷諾數和內部剪切層厚度，并發現這兩個參數對流動動力學的影響，隨著內剪切層厚度和雷諾數的增加，射流的逆流強度得到增強。

5 結論

綜上所述，環狀液膜射流霧化和碎裂機理一直是當今噴霧學研究的重點內容之一。

理論研究方面，隨著環狀液膜碎裂研究的逐步發展，從液體的無粘性到有粘性，氣體的不可壓縮性到可壓縮性，從最初的基于時間模式到空間模式再到現在的時空模式，從線性穩定性理論到非線性穩定性理論，都對環狀液膜射流的發展有著一定的支持。

實驗研究方面，實驗中所用到的儀器精密度越來越高，可以測量的物理量也越來越多，從高速攝影法到激光誘導熒光法再到粒子成像法，從平行電導探針到非入侵式多層電導傳感器到相位多普勒風速儀等在一定條件下對環狀射流碎裂機理進行了闡述。

數值模擬方面，射流碎裂的模擬采用VOF、LES、Open FOAM等采用高階代碼等方法對射流進行仿真研究，仿真的模型更能體現真實情況，仿真的精確度進一步提高。

影響環形液膜射流碎裂的因素有很多，如氣液速度比、液流韋伯數、液流雷諾數、氣液密度比、氣流馬赫數、噴嘴含氣率、表面張力、空氣動力等。前人對此進行了一定量的研究。但在大液流韋伯數下，對液膜射流碎裂的影響包括支配表面波數，表面波增長率等研究的較少，在流體流動徑向方向上也是研究的重點之一。實驗研究只針對某單一現象，有一定的局限性，豐富對環狀射流的研究方法，實驗、理論、仿真三者結合的方式相輔相成，從而提高實驗的精確性。

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Research Progress of Annular Liquid Film Jet Atomization

SHI Haozhe1, HU Dong2

( 1.School of Energy and Electrical Engineering, Chang'an University, Xi'an 710064, China;2.Dongfeng Motor Corporation Technology Center, Wuhan 430199, China )

Spraying is widely used in many fields such as agriculture, aerospace, engine, medical and so on. Good liquid film atomization plays a vital role in reducing energy loss, among which annular jet has the characteristics of short fragmentation length and high atomization quality with its unique structure, so this paper elaborates the research status of annular liquid film jet fragmentation from three perspectives: theoretical research, experimental research and simulation analysis. The focus is on the mechanism of liquid film fragmentation, and the main factors affecting the liquid film fragmentation are summarized in the relevant analysis. The results show that linear stability analysis theory and nonlinear stability analysis theory are still the basis of theoretical analysis, large eddy simulation (LES) and volume of fluid (VOF)method are the more applied research methods of numerical simulation, liquid viscosity, Weber number, liquid surface tension, etc. have a greater influence on annular jet atomization. However, the study of atomization quality under large liquid Weber number is still relatively small, increasing the choice of operating point and increasing the mutual verification between simulation and experiment, which is one of the important difficulties in the future research and development of the annular jet.

Spray; Annular jet; Fragmentation mechanism; Weber number;Liquid film atomization

U473

A

1671-7988(2022)23-238-06

U473

A

1671-7988(2022)23-238-06

10.16638/j.cnki.1671-7988.2022.023.044

師浩哲（1997—），男，碩士研究生，研究方向為動力裝置內部流動，E-mail:shihaozhe1007@126.com。