平面液体层碎裂过程试验研究

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1、中国工程热物理学会学科类别：燃烧学学术会议论文编号：094004平面液体层碎裂过程试验研究曹建明，蹇小平，李跟宝，陈志伟，张秋霞，王磊，李雪莉，刘朋，罗明，苏海东，陈文凤（长安大学汽车学院，西安710064）(Tel:029-82335961,Email:jcao@chd.edu.cn)摘要：液体射流的碎裂直接影响液体雾化的质量，空气的动力作用将促进液体射流的碎裂。对小宽厚比喷嘴喷射出的平面水膜进入静止空气环境中和两侧不同气流流速环境中的碎裂过程进行了试验研究。结果表明，静止空气环境中的水膜表面波呈现

2、对称波形，射流的碎裂长度随喷射流速的增大而增大，喷射压力对射流碎裂长度没有直接影响。空气助力作用使平面射流表面波的上、下气液交界面出现相位差，即使在水膜两侧空气助力气流流速完全相等的情况下，表面波的波形仍参差不齐。当水流流速较低时，水膜单侧较大的空气助力气流速度是非对称波形产生的条件；水膜的碎裂长度将随空气助力气流速度的增大而减小，在25m/s的空气助力作用下，水膜的碎裂长度缩短了69%；较大的空气助力气流速度将造成水膜表面粗糙不平，并在喷嘴出口不远处被撕裂成不规则的片状和大颗粒水滴，表面波很难保持完

3、整，甚至在水膜的中心区域也会出现被撕开的空穴，说明空气助力对于低速水膜射流具有很强的促进碎裂作用，空气助力作用必将极大地改善低速射流的一级雾化效果。当水流流速较高时，空气助力作用对水膜碎裂长度的影响大为减弱，水膜的碎裂长度最多缩短了9.5%；即使在高速助力空气的作用下，水膜仍长期保持较稳定的射流流态，没有出现明显的水膜撕裂现象，说明在小宽厚比喷嘴的瑞利（Rayleigh）模式射流中，高速射流是水膜的稳定因素。与气液流速比、气液流速差、气流马赫数等量纲一参数相比，液体喷射的绝对流速是射流碎裂的主要影响因

4、素。关键词：液膜碎裂长度，空气助力，喷嘴出口宽厚比，射流表面波0前言雾化使连续液体碎裂成为大量离散型液滴，明显地增大了液体的表面积。在动力装置和燃油锅炉的燃烧室中，雾化使随之发生的燃烧¾传质传热过程大为加强。因此，雾化机理的研究对于实际喷雾和燃烧系统的设计和改进是十分重要的。雾化是在内、外力的作用下，液体的碎裂过程，液体一出喷嘴就会形成某种模式的表面波。一方面液体的粘性会抵抗液滴几何形状的任何变化而使之趋于稳定，表面张力将促使液滴成为球形，因为球形液滴所需要的表面能是最小的；另一方面，射流的径向速度分

5、量和作用于液体表面的空气动力会促使其碎裂。一旦外部作用力超过了表面张力压力，碎裂就会发生。连续射流的一级碎裂会形成液片、液线及许多大颗粒液滴。但该过程是不稳定的，如果外部气体压力大于这些液片、液线及大颗粒液滴的表面张力压力，表面张力压力就不能基金项目：国家自然科学基金（No.50676012）抵抗外部气体压力的变化而使液体内部压力保持常数。在这种情况下，外部压力将促使液体变形，并最终导致液体更进一步的二级碎裂，形成大量更为细小的液滴。液滴变小，则其表面张力压力将增大。对于这些小颗粒的液滴，由于它们具有

6、较大的表面张力压力，足以抵抗作用于它们表面上的外部压力的变化，使小颗粒液滴在新的平衡状态下趋于稳定。一级雾化的效果将影响二级雾化的质量。液体外部的空气动力作用是液体射流碎裂的主要促进因素，在射流周围施加空气助力气流是促进液体射流碎裂的通用手段。对于平面液体层碎裂机理的探讨是国际流体与燃烧学界的热门问题之一，研究多采用线性稳定性或非线性稳定性分析方法，论文较多。但目前对于空气助力平面液体层碎裂机理的探讨还相对较少，且多为理论研究，试验研究更少。Li[1]（1994）应用线性稳定性理论提出了液膜射流两侧气

7、流流速不等时，表面波形呈现近对称模式（para-varicose）和近非对称模式（para-sinuous）的概念。作者[2-3]（1999-2000）将环境气体的可压缩性引入了线性稳定性模型中，为高速空气助力环境下液膜射流的不稳定性分析和碎裂过程研究做出了贡献。Mitra等人[4]（2001）应用线性稳定性理论研究了平面液体层的碎裂行为和特征。Mehring和Sirignano[5]（2003）应用降维近似方法研究了平面液体层的稳定性和碎裂过程，指出液体流速比空气助力流速对射流稳定性和碎裂过程的影响

8、更大。Tharakan和Ramamurthi[6]（2005）应用线性稳定性理论研究了射流的表面波增长率。Siamas和Jiang[7]（2007）应用欧拉近似法解N-S控制方程，对表面波进行了稳定性分析。上述引文均为空气助力作用下液膜碎裂的纯理论研究。试验研究方面，Arai和Hashimoto[8]（1985）进行了射流碎裂的试验研究，他们观察到了射流的一级碎裂所形成的液片、液线及大颗粒液滴和二级雾化形成的大量细小液滴。Hashimoto和Suzuki