加热条件下液体燃料射流破碎机理的研究

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1、.加热条件下液体燃料射流破碎机理的研究**基金项目：国家自然科学基金资助项目(59906008)杜青刘宁(天津内燃机研究所,天津大学内燃机燃烧学国家重点实验室)摘要：利用线性热不稳定性理论，对粘性液体射入高温气体介质模型所对应的色散方程进行了数值求解。利用所得到的计算结果，研究了加热条件下轴对称模式扰动液体射流破碎机理，探讨了表征各种影响射流破碎作用力的无量纲Weber数(We)、密度比(Q)、Marangoni数(Ma)和Ohnesorge数(z)对液体射流破碎最大扰动增长率及占优波数的影响。关键词：热不稳定性，破碎，液体射流EffectsofDimensionlessNumberson

2、SymmetricBreakupofLiquidJetsunderHeatingConditionsAbstract:Basedonlinearthermocapillarinstabilitytheory,thedispersionequationofaliquidjetwithviscosityintohotairiscalculated.Usingthecalculationresults,themechanismofbreakupofcylindricaljetsunderheatingconditionsisstudied.Theeffectsofdimensionlessnum

3、bers,includingWebernumber(We),Densityratio(Q),Marangoninumber(Ma)andOhnesorgenumber(z),onthegrowthrateanddominantfrequencyofsurfacewaveofcylindricaljetsarealsoinvestigated.Keywords:Thermocapillarinstability,Breakup,cylindricaljets符号表ρ——密度U0——射流初始速度σ——表面张力系数T——温度γ——表面张力梯度We——韦伯数a——射流半径Q——气液密度比k——热扩

4、散系数Z——Ohnesorge数m——无量纲波数Ma——Marangoni数ω——扰动增长率Pr——Prandtl数引言从研究历史上说，液体射流的破碎既是一个经典的流体力学理论问题,又是一个在广泛技术领域中令人非常感兴趣的现象。...对液体射流破碎的控制被广泛地应用于化工、制药、核能、农业及动力工程等现代社会的几乎所有工程领域。对于柴油发动机机以及直喷式分层燃烧汽油发动机等在燃烧室内组织可燃混合气的内燃机来说，它们的燃烧过程属于扩散燃烧的范畴，其燃烧由喷雾特性、燃烧室形状和空气流动及燃料的理化特性等因素所支配，其中雾化特性对燃烧的影响极为强烈。可以说，燃油喷射过程是影响混合气形成的决定性因

5、素，燃油喷雾破碎雾化质量的优劣直接影响到内燃机的燃烧性能，并进而决定了发动机的动力性、经济性及排放特性。对液体射流破碎机理的现代研究是由Rayleigh[1]1879年所进行的研究工作所开始的。他首创性的利用表面波不稳定性理论对液体射流的破碎进行了研究，证明了表面张力是低速液体射流破碎的主要原因，并准确地给出了射流破碎长度的预测，他对于低速液体射流破碎的研究结果给出了与实验吻合得相当好的结果。随后，基于这一理论，研究者们在低速液体射流破碎的非线性领域也取得了令人鼓舞的成果。上述成功的研究工作促使人们试图将同样的研究方法引入高速液体射流的破碎机理研究中。然而在这里，研究者们却遇到了意想不到的

6、困难，并由此出现了对高速液体射流破碎的多种理论解释，如空气动力干扰说、湍流扰动说、空穴扰动说、边界条件突变说、压力振荡说等。Reitz[2]对此进行了全面深入的理论及实验研究，他的结论是：对于高速液体射流，目前还没有那一种理论可以解释实验中观察到的全部现象，因而都是不完备的。然而空气动力干扰说(即不稳定性理论)是最有发展前途的，只是需对其进行修正和补充，而任何其他的理论都还不能与空气动力干扰说相抗衡。Reitz把此理论称为增广的空气动力干扰雾化理论。在这一领域，对于液体射流破碎机理的研究在线性和非线性、低速射流和高速射流、轴对称射流和非轴对称射流等各个方面都取得了大量的研究成果[3][4]

7、[5]。然而，上述的研究成果都是在常温下获得的。当存在从射流中心到表面的温度梯度时，影响液体射流破碎的因素就变得非常复杂。由于这一现象出现在许多工程应用中，如燃烧、液雾冷却、蒸汽爆炸、轻水冷却核电厂的安全性等，因此，近年来关于加热条件下液体射流的不稳定性问题引起了研究者们的极大关注。Xu[7]利用线性不稳定性对受到轴向温度梯度的长轴对称粘性热毛细射流进行了研究。他的结果表明，在一定的条件下，毛细破碎可被延迟甚至被抑制。由