液體射流及其破碎特性研究進(jìn)展

邱發(fā)成，張 昊，賀世豪，李文生，全學(xué)軍

(重慶理工大學(xué) 化學(xué)化工學(xué)院， 重慶 400054)

0 引言

液體流動的不穩(wěn)定性是流體力學(xué)中被廣泛討論的問題，也是造成射流破碎的原因。射流破碎是指液體從相對狹小的孔徑射出，由于不穩(wěn)定性導(dǎo)致部分液體從射流液柱中脫落的現(xiàn)象。這種射流破碎現(xiàn)象普遍存在于當(dāng)今社會的方方面面，如生活中的水龍頭、淋浴頭、噴泉、消防槍等[1]，并大量運(yùn)用于食品、醫(yī)藥、化工、環(huán)境、航空航天等諸多領(lǐng)域[2-3]。國內(nèi)外學(xué)者進(jìn)行了大量射流破碎行為研究后發(fā)現(xiàn)，射流過程的基本演變行為大致可描述為：當(dāng)射流進(jìn)入無限大空間的靜止流體中時，由于湍流的脈動，卷吸周圍靜止流體進(jìn)入射流，兩者摻混向前運(yùn)動。上述情況會導(dǎo)致射流斷面不斷擴(kuò)大，流速不斷降低，而流量沿程增加。由于射流邊界處的流動是一種間隙性的復(fù)雜運(yùn)動，所以射流邊界實(shí)際是交錯組成的不規(guī)則面，即射流邊界層的寬度小于射流的長度，射流邊界層的任何斷面上，橫向分速遠(yuǎn)小于縱向(軸向)。在實(shí)際研究中，常按照統(tǒng)計(jì)平均概念將其視為直線。

實(shí)際上，Rayleigh[4]早在一個多世紀(jì)之前就對液體射流中的圓柱射流進(jìn)行了理論研究，發(fā)現(xiàn)液體的表面張力是導(dǎo)致射流破碎的原因。Weber[5]探究了不同液體物理參數(shù)對射流狀態(tài)的影響機(jī)制，并提出了無量綱韋伯?dāng)?shù)用于指導(dǎo)相關(guān)研究。Taylor[6-7]發(fā)現(xiàn)當(dāng)液體進(jìn)入符合條件的氣流中時，射流破碎形成的液滴可以進(jìn)一步破碎，霧化形成更小的液滴。

針對不同應(yīng)用場景，眾多學(xué)者研究了多種射流破碎形式及其背后的主要影響因素。依據(jù)空氣與液體射流相互作用機(jī)制的不同，可分為如液體自由射流、氣流中的射流霧化及射流撞擊霧化。事實(shí)上，自由射流與撞擊射流霧化主要是液體自身的射流行為，其演變行為的差異主要與射流噴嘴的構(gòu)型有關(guān)。氣流中射流霧化主要是由于射流發(fā)生在有氣流的條件下。上述3種液體射流模式在實(shí)際工程中應(yīng)用較為廣泛。為此，立足于3種液體射流破碎形式，綜述近期射流破碎方面的研究情況，為相關(guān)研究提供參考。

1 射流破碎的影響因素研究

國內(nèi)外學(xué)者通過數(shù)值模擬、實(shí)驗(yàn)觀測等不同方式對射流破碎的影響機(jī)制進(jìn)行了深入研究，發(fā)現(xiàn)影響射流破碎的主要因素分為兩類，一類是外部物理因素，也就是引發(fā)射流產(chǎn)生的噴嘴結(jié)構(gòu)；另一類則是外部環(huán)境導(dǎo)致的流體流動狀態(tài)及不同流體內(nèi)部物理因素，由相應(yīng)的無量綱常數(shù)(雷諾數(shù)、韋伯?dāng)?shù)及Oh數(shù))反映。

1.1 噴嘴結(jié)構(gòu)對射流破碎機(jī)制的影響

大量科研結(jié)果表明，不同射流噴嘴引發(fā)不同的射流破碎機(jī)制。射流從噴嘴結(jié)構(gòu)上可大致分為圓孔射流和非圓孔射流。Jiang等[8]對3種不同噴嘴錐角的圓形噴嘴進(jìn)行射流破碎實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)隨著噴嘴錐角的增加，射流破碎長度減小，射流表面波的初始振幅增加。Abhijeet等[9]認(rèn)為噴嘴出口的不同幾何形狀能改變射流發(fā)生前的流動方式，對射流產(chǎn)生不穩(wěn)定性的作用至關(guān)重要。Rajesh等[10]在探究非圓形孔徑液體射流界面震蕩的過程中，采用橢圓形、三角形、正方形進(jìn)行實(shí)驗(yàn)探索發(fā)現(xiàn)：對于相同的射流速度，不同的孔口是導(dǎo)致不同的液體射流波長的原因進(jìn)而產(chǎn)生不同的射流破碎情況。而相關(guān)學(xué)者在對矩形孔射流的相關(guān)研究中表示：不同的噴嘴尺寸會產(chǎn)生不同的液滴尺寸及不同的液滴序列。并且通過增加矩形噴嘴的縱橫比，使得射流中的軸轉(zhuǎn)換波長增加進(jìn)而導(dǎo)致更短的分裂長度，增加了固有了不穩(wěn)定性效應(yīng)[11-13]。Etzold等[14]使用長徑比很小的噴嘴進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，得出的數(shù)據(jù)結(jié)論與現(xiàn)有液體射流破裂長度相關(guān)的理論研究并不一致。Wu等[15]也表明噴嘴直徑顯著影響著破碎時間和破碎長度。噴嘴的尺寸和形狀是獲得理想的射流破碎情況的必要參考條件。

1.2 流體特性及環(huán)境對射流不穩(wěn)定性的影響

流體的流態(tài)環(huán)境及流體自身的特性也是影響射流情況下破碎的關(guān)鍵因素。Yi等[16]在射流破碎研究中得出液體流速是射流破碎的主要條件，而粘性則在射流的不同狀態(tài)下有著不同的影響程度。Bravo等[17]發(fā)現(xiàn)在燃料射流中，雷諾數(shù)的大小影響著破碎模式，并且黏度大的燃料顯著延遲了不穩(wěn)定性波的初始狀態(tài)并會產(chǎn)生更細(xì)的液滴。Liang等[18]探索了雷諾數(shù)對于液滴破碎的影響機(jī)理發(fā)現(xiàn)：射流雷諾數(shù)不僅主導(dǎo)著液滴破碎模式還是子液滴體積的主要控制條件。在射流破碎長度研究方面，萬云霞等[19]在圓孔射流破碎的實(shí)驗(yàn)研究中，利用雷諾數(shù)與破碎長度間的相關(guān)性研究，分析了衛(wèi)星液滴和主液滴的形成及運(yùn)動規(guī)律(如圖1所示)。

圖1 基于雷諾數(shù)與破碎長度間的液體射流破碎示意圖

在對有空氣夾帶的射流實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，卷吸進(jìn)入射流中的空氣對射流破碎行為有一定的延遲作用[20]。Shi等[21]在水射流中加入納米材料發(fā)現(xiàn)：納米粒子對射流不穩(wěn)定性的影響主要是由增強(qiáng)黏度和空化促進(jìn)引起。而對納米流體的研究中，納米粒子濃度升高，導(dǎo)致流體韋伯?dāng)?shù)降低，破碎液滴的平均直徑變小。而在臨界濃度中有效表面張力被最小化，破碎液滴直徑也被最小化[22]。在對非牛頓流體的射流破碎研究中發(fā)現(xiàn)無量綱破碎長度與雷諾數(shù)呈線性增長關(guān)系[23]。而在存在氣泡的非牛頓流體中，表面張力、氣泡的存在更加有利于射流破碎的產(chǎn)生[24]。

2 氣流中的液體射流破碎特性

發(fā)動機(jī)、航空、發(fā)電系統(tǒng)等領(lǐng)域?qū)ι淞髌扑橛兄鼑?yán)格的要求。氣流中的液體破碎機(jī)理是眾多學(xué)者探索的方向?，F(xiàn)有的理論體系主要對低速橫向氣流和高速橫向氣流中的射流破碎進(jìn)行研究。

2.1 橫流中的霧化特性及低速橫流中的射流破碎

霧化是射流破碎產(chǎn)生的液滴在橫向氣流剪切作用下進(jìn)一步破碎成更加細(xì)小的液滴，其破碎模式由R-T(Kelvin-Helmholtz)不穩(wěn)定性和K-H(Reyleigh-Taylor)不穩(wěn)定性共同主導(dǎo)，使得破碎過程為柱狀破碎和表面破碎[25-26],如圖2所示。對于有橫向氣流參與的過程，破碎過程可分為初級破碎、柱狀破碎和二次霧化三大類，如圖3所示[27]。

圖2 2種表面波的作用位置示意圖

圖3 橫向氣流下射流破碎過程示意圖

Song等[28]介紹了水-柴油混合物在空氣橫流中的霧化特性，不混溶的水和柴油在噴霧場中沒有顯著的混合從而可根據(jù)液滴尺寸來判斷混合物中的水含量。Guo等[29]在對冪律流體燃料射流的研究中發(fā)現(xiàn)提高氣體的密度和增大氣體流速都能改善其破碎效果，提高燃燒效率。在橫流中液體射流進(jìn)入條件的探究中證實(shí)：與層流射流相比，湍流射流表現(xiàn)出不同的破碎模式并且霧化更快更有效[30]。Huang等[31]對射流霧化進(jìn)行數(shù)值模擬發(fā)現(xiàn)環(huán)境氣體溫度升高有助于穩(wěn)定液柱界面運(yùn)動，延緩射流破碎時間。噴嘴形狀的不同使得射流在氣流中的迎風(fēng)面積不同也是破碎的影響因素。通常有著較大的迎風(fēng)面積，橫流的剪切作用更強(qiáng)，會產(chǎn)生更小的液滴直徑[32]。Taisuke等[33]對發(fā)動機(jī)燃燒室中的橫流霧化研究表示：R-T不穩(wěn)定性在液柱邊緣占主導(dǎo)地位并且室溫不穩(wěn)定的情況下，霧化液滴尺寸明顯變化。對于低速橫流射流破碎的研究中，蘭天等[34]提出液氣動量通量比和液體韋伯?dāng)?shù)主導(dǎo)著其射流破碎行為模式，Olyaei[35]發(fā)現(xiàn)除了噴嘴孔徑外，噴嘴相對于橫流的位置對射流穿透，破碎長度等有直接的影響。Shi等[36]則討論了低氣體韋伯?dāng)?shù)下納米添加劑對射流的影響，得出低濃度的納米顆粒添加劑對于射流內(nèi)部的不穩(wěn)定性有明顯的增強(qiáng)作用。

2.2 高速橫向氣流中的射流破碎

高速橫流主要是對亞聲速氣流和超聲速氣流情況下的研究。對于亞聲速橫流中的射流破碎研究中表明，橫流的湍流強(qiáng)度影響射流表面不穩(wěn)定性，是其破碎模式的主要因素[37]，但橫流速度并非射流柱縱向表面波長的關(guān)鍵因素[38]。在超聲速橫流中射流破碎的研究中，Li等[39]研究了其液體霧化特性，試驗(yàn)結(jié)果表明超音速橫流中的噴霧截面近似為ω形，截面液滴尺寸范圍和尺寸分別取決于氣動力和橫向距離。Zhu等[40]觀察到與穩(wěn)定射流相比，速度脈沖射流產(chǎn)生了不同的霧化形態(tài)并且射流穿透率和尾流區(qū)寬度顯著擴(kuò)大，能改善霧化和混合性能。Hu等[41]發(fā)現(xiàn)當(dāng)液體射流中伴有氣體射流時，液體射流的穿透力則會顯著增強(qiáng)。而在具有擴(kuò)張截面的燃燒室導(dǎo)致超音速氣流方向和強(qiáng)度變化，氣流決定了噴霧擴(kuò)散的方向從而影響其破碎模式[42]。Li等[43]也提出氣流結(jié)構(gòu)對液滴的混合過程有顯著影響。

3 射流撞擊破碎特性研究

撞擊式射流霧化在液體火箭發(fā)動機(jī)等領(lǐng)域已成熟應(yīng)用，霧化效果往往在應(yīng)用中起著關(guān)鍵的作用。因此，不少學(xué)者進(jìn)行了射流撞擊霧化特性方面的研究。如圖4所示[44]，表示為相同射流角度下，不同We數(shù)下的射流撞擊破碎特性。

圖4 不同We數(shù)下的射流撞擊破碎特性

3.1 射流撞擊破碎的影響因素

在雙股射流撞擊霧化中，撞擊角度是關(guān)鍵的影響因素，霧化角隨著撞擊角的減小而減小，但液膜的破碎長度是增大的?？讖奖仍龃箪F化角同樣增大，但也使得霧化不充分產(chǎn)生較大的液滴尺寸。動量比方面則對霧化角影響有限，并且射流表面波的不穩(wěn)定性受射流湍流強(qiáng)度的影響[45-48]。李佳楠等[49]探究了強(qiáng)迫擾動下的射流撞擊霧化，觀察顯示：擾動環(huán)境下的噴霧場的液滴分布并不像自然噴霧場中的分布均勻，同時液膜破碎的長度隨著幅值的增大而減小。撞擊液膜運(yùn)動行為也影響著初級破碎液滴的分布和初始速度[50]。隨著射流We數(shù)的增大，撞擊形成液膜的模式也從穩(wěn)定模式變?yōu)檎袷幠Ｊ?，雷諾數(shù)的增大也會使得射流撞擊形成均勻液滴的尺寸逐漸下降[51]，這對霧化效果有促進(jìn)作用[52]但撞擊角及射流速度對液膜的形狀尺寸影響卻十分有限[53]。撞擊射流雖然有良好的混合特性，但Bruno等[54]在多重射流撞擊的研究中表明：當(dāng)射流數(shù)量增加時霧化效率反而會降低。

在射流撞擊垂直板的破碎特性的實(shí)驗(yàn)表明：射流破碎產(chǎn)生的液滴沖擊在靶板上形成的液膜上時會形成飛濺現(xiàn)象，并且當(dāng)射流韋伯?dāng)?shù)足夠大的時候飛濺率趨于穩(wěn)定[55]。當(dāng)改變其射流速度時可以觀察到不同的射流破碎狀態(tài)并影響其飛濺現(xiàn)象[56]。Zhan[57]在射流撞擊平面固體表面的研究中了飛濺的二次破碎形成的液滴尺寸由初級破碎的液滴尺寸決定并建立了比例關(guān)系。當(dāng)射流撞擊到圓桿形防濺板上時，平均液滴直徑受射流速度大小的影響而對防濺板的表面直徑不敏感[58]。

3.2 射流撞擊霧化的實(shí)際應(yīng)用

由于射流撞擊形成理想的霧化效果，在眾多領(lǐng)域有著廣泛的運(yùn)用。Roxana等[59]在射流霧化反應(yīng)器中，以二氧化鈦納米粒子和硝基苯酚的兩個射流撞擊，極大增強(qiáng)了混合效果實(shí)現(xiàn)高效率的傳質(zhì)。Hafezi等[60]設(shè)計(jì)構(gòu)建了射流撞擊霧化反應(yīng)器作為新型UV/H2O2反應(yīng)器，并且還可以快速、連續(xù)的用于處理較低污染物濃度的水處理情況。在液體火箭動力系統(tǒng)中具有剪切?；匦缘姆桥ｎD流體的射流撞擊也在該領(lǐng)域是被廣泛采用的霧化手段[61-62]。在研發(fā)火箭推進(jìn)劑方面，凝膠材料相比于水來講，射流撞擊霧化更徹底，更有利于其領(lǐng)域應(yīng)用[63]。

4 結(jié)論

液體射流作為一種性能穩(wěn)定、結(jié)構(gòu)簡單、維護(hù)簡便的高效傳質(zhì)技術(shù)，被廣泛地應(yīng)用于石油化工、能源環(huán)境等領(lǐng)域。從自由射流、氣流中的射流霧化及射流撞擊霧化出發(fā)，總結(jié)了數(shù)值模擬與實(shí)驗(yàn)研究方面的射流破碎霧化形成演變行為，概述了其影響因素和射流破碎相關(guān)的研究成果。然而，射流破碎霧化是一個復(fù)雜的非線性動力學(xué)演變過程，具有典型準(zhǔn)周期的三維高湍流動力系統(tǒng)，在時空尺度上具體呈現(xiàn)出跨越數(shù)個數(shù)量級旋渦與渦流的非線性混沌演化過程，伴隨流動形態(tài)的非穩(wěn)態(tài)隨機(jī)脈動現(xiàn)象，其流動信號蘊(yùn)含大量具有時空混沌的時頻特征。為此，還需考慮射流破碎過程中局部特征行為。隨著時頻特征分析技術(shù)的不斷發(fā)展，分?jǐn)?shù)階Fourier變換方法被廣泛應(yīng)用于提取與分析具有非線性非平穩(wěn)時頻特征的動力學(xué)行為。實(shí)質(zhì)上，分?jǐn)?shù)階傅里葉變換具有明顯的時頻旋轉(zhuǎn)特性，隨著變換階次從0到1的連續(xù)變化，它能將從時域到頻域變化過程中的所有特征呈現(xiàn)出來。因此，建立基于數(shù)階Fourier變換的射流破碎霧化局部特征分析方法對豐富射流破碎霧化理論具有重要意義。