環(huán)狀液膜碎裂過程實(shí)驗(yàn)研究

張?chǎng)? 李艷霞

【摘要】本文根據(jù)幾何相似理論，設(shè)計(jì)制造了環(huán)狀液膜噴嘴，建立了恒壓水射流試驗(yàn)臺(tái)，制定了試驗(yàn)方案，采用的是佳能高清晰度EOS30D數(shù)碼單反照相機(jī)，拍攝了0.4MPa下的環(huán)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(diǎn)選取50張照片，計(jì)算碎裂點(diǎn)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(shù)和韋伯?dāng)?shù)密切相關(guān)，而與噴射壓力沒有直接關(guān)系。把得到的結(jié)論與先前一些學(xué)者的研究進(jìn)行對(duì)比，力求最大限度的提高發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性和降低排放。

【關(guān)鍵詞】環(huán)狀液膜;噴嘴;碎裂點(diǎn);瑞利模式

1.引言

噴霧可以由各種各樣的途徑產(chǎn)生，有幾個(gè)基本的因素適用于所有的霧化過程：

（1）噴嘴內(nèi)部的液體動(dòng)力學(xué);

（2）圓射流或液膜射流噴射表面波的發(fā)展和氣體的擾動(dòng)作用;

（3）噴嘴的幾何形狀、噴射壓力與環(huán)境氣體背壓的差值、氣體介質(zhì)的性質(zhì)和液體本身的物理特性。這些因素并非獨(dú)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(huán)狀液膜的碎裂過程;另一方面是分析影響環(huán)狀液膜碎裂的主要因素。

2.環(huán)狀液膜射流碎裂的三種流動(dòng)模式

環(huán)狀液膜射流的液束為一個(gè)空芯錐形環(huán)狀液膜，預(yù)膜噴氣噴嘴和柴油機(jī)軸針式噴嘴等的噴霧是環(huán)狀液膜射流的實(shí)例。環(huán)狀液膜射流受環(huán)境氣體的擾動(dòng)作用，在噴嘴出口處就產(chǎn)生了波動(dòng)，其碎裂長(zhǎng)度比平面液膜射流的短。

環(huán)狀液膜射流有三種流動(dòng)模式，即瑞利模式、斷續(xù)模式和霧化模式。液泡只有在低內(nèi)環(huán)氣流速度（ui=3.85～15.44m/s）下形成，這個(gè)模式成為瑞利模式，液泡的尺寸幾乎和流動(dòng)條件無關(guān)，其直徑近似地等于1.92倍的噴嘴直徑。環(huán)狀液膜碎裂長(zhǎng)度隨著內(nèi)環(huán)氣流速度的增大而縮短。隨著內(nèi)環(huán)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(zhǎng)度變短，液泡的表面變得粗糙不平，外形也不規(guī)則，但液泡的大小卻沒什么改變，這個(gè)模式成為斷續(xù)模式，以粗糙的的液泡表面和不規(guī)則的外形為特點(diǎn)。如果再增大內(nèi)環(huán)氣流速度，則液泡會(huì)消失氣液體交界面變得極不規(guī)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(zhǎng)度隨內(nèi)環(huán)氣流速度的增大而減小。隨著氣流速度的進(jìn)一步增大，碎裂長(zhǎng)度變短，水膜的表面和形狀變得粗糙不平。進(jìn)一步增大水流和氣流速度，氣液交界面變得極為不規(guī)則，粗糙的液體層在噴嘴的出口處就會(huì)碎裂成為液線，隨之形成大量的比噴嘴直徑小得多的細(xì)小水滴。

3.液體射流的測(cè)量方法

目前，液體射流的測(cè)量方法是多種多樣的，射流的測(cè)試方法經(jīng)歷了傳統(tǒng)與現(xiàn)代測(cè)試技術(shù)兩個(gè)階段。從先前的二維光學(xué)測(cè)量發(fā)展到了當(dāng)前能反映三維時(shí)空動(dòng)態(tài)的激光測(cè)試技術(shù)階段。如高速攝影法、熔蠟法、激光散射方法、激光誘導(dǎo)熒光法、激光全息法、激光多普勒法、高分辨率數(shù)碼相機(jī)法等。本文采用高分辨率數(shù)碼照相法。

4.試驗(yàn)臺(tái)的建立和實(shí)驗(yàn)步驟

4.1 水射流試驗(yàn)臺(tái)的建立

建成后的恒壓水射流試驗(yàn)臺(tái)。它由壓力儲(chǔ)水罐、空氣壓縮機(jī)、玻璃轉(zhuǎn)子流量計(jì)、噴嘴和噴嘴架組成。實(shí)驗(yàn)首先將空氣壓縮機(jī)通向壓力儲(chǔ)水罐，控制罐內(nèi)水的壓力，試驗(yàn)設(shè)定的噴射壓力為0.4MPa，氣體壓力表的量程為0～0.8MPa。玻璃轉(zhuǎn)子流量計(jì)也是兩只，一只為水流量計(jì)，測(cè)量壓力儲(chǔ)水罐向噴嘴提供的水流量。玻璃轉(zhuǎn)子水流流量計(jì)產(chǎn)品型號(hào)：SA10-25，管號(hào)/浮子號(hào)：N21.18/AIII21，浮子密度：7.94g/cm3，流量量程：160-1600L/h。經(jīng)過換算，可測(cè)量1～9m/s流速的水流;另一只為空氣流量計(jì)，測(cè)量空氣瓶向噴嘴內(nèi)部液膜兩側(cè)空氣助力氣流噴口提供高速氣體的流量。玻璃轉(zhuǎn)子氣流流量計(jì)產(chǎn)品型號(hào)：SA10-15，管號(hào)/浮子號(hào)：N19.13/AIII19，浮子密度：7.94g/cm3，流量量程：0.6～6m3/h。經(jīng)過換算，可測(cè)量1～30m/s流速的氣流。試驗(yàn)參數(shù)一覽表，如表1所示。

表1 試驗(yàn)參數(shù)一覽表

參數(shù) 數(shù)值

試驗(yàn)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(shù) 1.4

聲速（m/s） 331

4.2 實(shí)驗(yàn)方案和步驟

由靜止空氣環(huán)境中水膜碎裂長(zhǎng)度的試驗(yàn)和理論計(jì)算結(jié)果，可知噴射壓力（壓力儲(chǔ)水罐中的壓力）對(duì)水膜的碎裂過程沒有直接影響。因此，在研究碎裂長(zhǎng)度時(shí)，我們?yōu)?.4MPa選了28個(gè)工況點(diǎn)，拍攝碎裂長(zhǎng)度照片1400余幅，預(yù)設(shè)水射流流速分別為2m/s、4m/s、6m/s、8m/s，內(nèi)環(huán)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(yù)設(shè)試驗(yàn)工況點(diǎn)28個(gè)，平均每個(gè)工況點(diǎn)50幅左右，取這50幅左右照片碎裂長(zhǎng)度的算術(shù)平均數(shù)，作為該工況點(diǎn)的碎裂長(zhǎng)度，這樣就得到了28個(gè)工況點(diǎn)水膜碎裂長(zhǎng)度數(shù)據(jù)。

首先，用千分尺測(cè)量?jī)?nèi)環(huán)空氣通孔d=8mm;環(huán)形液膜外直徑d=16mm，內(nèi)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(jì)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(jù)噴嘴出口截面積、儲(chǔ)水罐容積和轉(zhuǎn)子流量計(jì)的量程范圍，經(jīng)過換算，我們預(yù)設(shè)了0.4MPa壓力下水射流流速為2m/s、4m/s、6m/s、8m/s共28個(gè)試驗(yàn)工況點(diǎn)。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(shí)驗(yàn)結(jié)果和數(shù)據(jù)處理

5.1 照片處理

如上述步驟所述，我們?nèi)∵@50幅左右照片碎裂長(zhǎng)度的算術(shù)平均值作為該工況點(diǎn)的碎裂長(zhǎng)度，同時(shí)取一幅最清晰的照片作為該工況點(diǎn)的代表性樣片（如圖1所示）。

圖1 靜止空氣環(huán)境中水膜表面波碎裂長(zhǎng)度照片圖（噴射壓力0.4MPa，噴射流速2m/s，內(nèi)環(huán)氣體流速5m/s）

5.2 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理

表3 水膜表面波的碎裂長(zhǎng)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(zhǎng)度Lb隨水流噴射流速的變化關(guān)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(zhǎng)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(wěn)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(shù)和韋伯?dāng)?shù)密切相關(guān)，而與噴射壓力沒有直接關(guān)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(jié)論會(huì)對(duì)液體霧化學(xué)說體系的完善和各種噴射系統(tǒng)的改進(jìn)具有重要影響和深遠(yuǎn)意義。

試驗(yàn)結(jié)果表明，射流的碎裂長(zhǎng)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(shù)不變的情況下，射流的碎裂長(zhǎng)度隨韋伯?dāng)?shù)的增大而增大。由射流碎裂長(zhǎng)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(wěn)定區(qū)，不同區(qū)域內(nèi)射流所呈現(xiàn)的不穩(wěn)定性是大不相同的。因此，過渡臨界點(diǎn)（或平衡點(diǎn)）的尋求將成為液膜射流穩(wěn)定性研究的下一個(gè)待定問題。

6.總結(jié)

本文利用噴射射流試驗(yàn)臺(tái)，采用高分辨率數(shù)碼單反照相機(jī)對(duì)液膜碎裂過程進(jìn)行研究，探討噴射流速、噴射壓力和噴嘴出口幾何尺寸對(duì)射流碎裂過程的影響。高清晰度數(shù)碼照相機(jī)是近年來才開始普遍應(yīng)用的成像手段，它拍攝便捷、可靠性高，易于對(duì)拍攝位置和參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，圖像清晰，試驗(yàn)成本低，拍攝到的圖片可以直接存入計(jì)算機(jī)中，圖片格式規(guī)范，便于圖片色差等的調(diào)整，以及讀片和數(shù)據(jù)處理，可以推廣應(yīng)用于噴霧的比較研究。本論文進(jìn)行的工作，包括試驗(yàn)臺(tái)的建立，試驗(yàn)照片的處理，獲得各種工況點(diǎn)的碎裂長(zhǎng)度。

主要結(jié)論如下：

（1）根據(jù)幾何相似理論，建立恒壓水射流試驗(yàn)臺(tái)，制定了試驗(yàn)方案。

（2）為每種工況挑選50張照片，計(jì)算碎裂點(diǎn)的平均值。從繪出的曲線圖可以看出，在瑞利模式下，碎裂長(zhǎng)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(shù)和韋伯?dāng)?shù)密切相關(guān)，而與噴射壓力沒有直接關(guān)系。

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作者簡(jiǎn)介：張?chǎng)危?988—），男，現(xiàn)就讀于長(zhǎng)安大學(xué)汽車學(xué)院動(dòng)力機(jī)械及工程專業(yè)。