喷雾液体射流模型研究及应用

胡 栋，赵明强

喷雾液体射流模型研究及应用

胡 栋，赵明强

（长安大学汽车学院，陕西 西安 710064）

喷雾雾化是液体通过喷嘴进入到气体环境中，经过气体与液体的互相作用使之碎裂成液滴的过程，其中包含着复杂的能量交换、动量交换以及传热过程。燃油雾化是内燃机燃烧过程中的一个重要环节，良好的雾化效果可以促进燃油粒子与空气进行充分混合，从而使燃烧热效率得到提高，进而使内燃机的动力性、经济性以及排放性皆有所改善。由于喷雾液体通过喷嘴的物理结构不同，故所形成的射流形状也不同。主要的射流形式有平面射流、圆柱射流以及环状射流等。文章将对这三种射流形式进行展开研究，从射流的碎裂机理进行深入的分析，通过引入物理方程以及射流表面波理论，将液体射流现象转变为数学模型，从而探究出影响射流雾化效果的关键因素，进而促进喷雾学科的发展。

喷雾；初次碎裂；射流模型

前言

近年来，汽车的保有量与日俱增，给世界能源安全与环境安全带来危机，而发动机是汽车的动力源，也是汽车排放物的主要来源。当发动机进行燃烧不完全时，许多燃油粒子得不到充分燃烧做功，从而使发动机的动力性和经济性下降，还有部分燃油也会因为没有与空气进行充分混合达不到燃烧组分要求，从而使燃油粒子和燃烧产物从排气系统排出。这将导致发动机的排放性变差，好的燃油雾化效果不仅会使发动机的动力性和经济性得到提升，还会使排放性得到改善，故一台燃烧效率高的发动机可以达到节能减排的效果。发动机的燃烧质量受到多因素的影响，包括有发动机自身结构、燃油品质以及各个系统的协调搭配。本文从燃油雾化质量着手来提高燃烧质量，通过理论研究方法来探究液体雾化机理，旨在从本质上提高喷雾雾化质量，从而达到节能减排的效果。

1 碎裂过程

1.1 初次碎裂过程

初次碎裂指液体从喷嘴喷出后进行的第一次碎裂过程，此时的液体尚未碎裂成小液滴，由于初次碎裂发生在喷嘴出口处且此时气液速度较快，故需要用高速照相机进行拍摄来获取碎裂过程。通过对图像的处理来获取初次碎裂的相关参数，如碎裂长度、初始振幅比、液泡直径以及最不稳定波长等参数，碎裂长度短、初始振幅比大、泡状直径大以及不稳定波长较小都将促进液体碎裂，对初次碎裂过程的研究不仅仅是通过对相关参数的测量来获取规律，还要更加深入地研究初次碎裂机理。初次碎裂对液体雾化质量具有重要的影响，不同的射流形态所对应的初次碎裂过程也会有所区别，故需要进行严谨的分析研究。

1.2 二次碎裂过程

二次碎裂是在初次碎裂进行后进行的碎裂过程，此时液滴经过初次碎裂后形成较大的液滴，大液滴在运动的过程中经过与空气的摩擦以及液滴之间的相互碰撞形成较小的液滴。此时的碎裂称为液滴的二次碎裂，通过马尔文激光粒度分析仪对二次碎裂的液滴进行测量，得到液滴尺寸数目分布和累积体积分布，进而可以计算出平均直径和特征直径等参数，如索特平均直径小、质量中值直径0.5也较小，所带来的雾化质量也就越好。

2 射流模型研究

2.1 平面射流模型

平面射流因其射流贯穿距较短、射流面积宽，主要应用于农业灌溉。对于平面射流的研究，国内外许多学者对此做了不同的研究，早先Hagerty[1]研究了非粘性平面射流进入不可压缩气流环境中的稳定性研究，随后Li[2]考虑液体的粘性作用，应用线性稳定性理论研究了粘性的平面射流进入不可压缩环境中的稳定性，并研究了平面射流两侧速度不等时的表面波状态，引出近对称模式与近反对称模式的概念，从而使线性稳定性理论得到完善，最后Cao等[3]应用线性稳定性理论推导出粘性平面射流进入可压缩气流环境中的色散关系式，使平面射流模型得到完善。

图1 平面射流模型

图1为平面射流的分析模型，图中U1、U2为平面射流上下层的气流扰动速度，ρ1、ρ2为上下层气流的密度，l、l为液体的速度和液体的密度，l、l为液体的粘度系数与表面张力系数，为初始相位角。通过引入纳维-斯托克斯方程、能量方程以及动量守恒方程和质量守恒方程，最终得到粘性平面射流进入可压缩气流环境中的色散关系式[6]。

2.2 圆柱射流模型

圆柱射流的射流贯穿距长、射流较集中，故常应用于消防车以及汽油机的孔式喷油器。Rayleigh[4]最早对非粘性的圆柱射流进行研究，首次通过射流表面波理论进行研究射流的碎裂机理，并提出了支配表面波增长率等概念。随后Chen[5]根据表面波理论引用纳维-斯托克斯控制方程组并应用线性稳定性理论分析，最终推导出粘性圆柱射流进入可压缩气流环境中的色散关系式。最后曹建明[6]将参数进行量纲一化，推导出量纲一形式下的粘性液体进入不可压缩气流环境中的色散关系式，从而使色散关系式可以分析更多的变量。

图2 圆柱射流模型

图2为圆柱射流分析模型，图中气相ρ、P、U分别表征气流的密度、压力以及速度，液相ρ、P、U分别表征液流的密度、压力以及速度。通过对圆柱模型的分析，引入纳维-斯托克斯方程并采用线性稳定性分析方法，最终得到粘性圆柱射流进入可压缩气流环境中的色散关系式。

2.3 环状射流模型

环状射流因其射流贯穿距短，雾化效果好，主要应用于柴油机的轴针式喷油器。Ooms[7]最早提出在理想流体下环状射流的线性稳定性分析模型，随后Jeandel等[8]在考虑了液体粘性影响的基础上，研究了环状液膜的稳定性，他们发现环状液膜内环的存在引入了附加表面张力，使扰动增长率增加，在小波数扰动时尤其明显，这个表面张力的作用随着内环半径的减小而增强，其研究还表明了液体粘性会使支配表面波数减小，对截止波数却几乎没有影响。严春吉等[9]应用线性稳定性理论研究环状射流进入可压缩气流环境中的稳定性，并分析气液速度和密度以及液体的粘性和表面张力对环状射流的稳定性，从而使环状射流模型得到进一步分析研究。

图3 环状射流模型

图3为环状射流分析模型，图中U、U分别为内环状气流速度和外环气流速度，r、r分别为内外环半径，ζ、ζ分别为内外环振幅，U为液体速度，为初始相位角。通过引入纳维-斯托克斯方程以及线性稳定性分析方法，最终得到粘性环状射流进入可压缩气流环境中的色散关系式[10]。

3 结论

本文通过对液体碎裂过程的研究发现，初次碎裂过程对整个液体碎裂过程有着重要的影响，只有对初次碎裂过程的碎裂机理进行深入的研究，才能真正有所实用。对于液体射流模型的研究，国内外许多学者已经取得了不错的成果，通过对平面射流、圆柱射流以及环状射流的理论分析推导，最终得到不同的粘性液体射流进入可压缩气流环境中的色散关系式，从而使理论研究为实验研究提供帮助，但对液体射流的研究远远没有结束，最终需要达到在工程领域内应用。

[1] Hagerty W W,Shea J F.A study of the stability of plane fluid sheets[J].Journal of Applied Physics,1955(22):509-514.

[2] Li X,Tankin R S.On the temporal instability of a two-dimen- sional viscous liquid sheet[J]. Journal of Fluid Mechanics, 2006,226(1):425-443.

[3] Cao J M,Li X.Liquid sheet breakup in compressible gas stre- ams[C].Proc of the ASME Energy Sources Technology Con- ference, 1999, 1-6.

[4] Rayleigh L F R S.On the Instability of Jets[J].Proceedings of the London Mathematical Society,1878.

[5] Chen T,Li X.Liquid Jet Atomization in a Compressible Gas Stream[J].Journal of Propulsion & Power,2011,15(3):369-376.

[6] 曹建明.液体喷雾学[M].北京:北京大学出版社,2013.

[7] Ooms G. Hydrodynamic stability of core-annular flow of two ideal liquids[J].Journal of Polymer Science, Macromolecular Reviews,1972,26(1-2):147-158.

[8] Jeandel X, Dumouchel C. Influence of the viscosity on the linear stability of an annular liquid sheet[J].International Journal of Heat and Fluid Flow,1999,20(5): 499-506.

[9] 严春吉.可压缩气体中的三维黏性液体射流雾化机理[J].内燃机学报,2007,25(4):346-351.

[10] Li G B,Wang Y R,Xiao L M.Instability of an annular liquid sheet exposed to compressible gas flows[J].International Jou- rnal of Multiphase Flow,2019(119):72-83.

Research and Application of Spray Liquid Jet Model

HU Dong, ZHAO Mingqiang

( School of Automobile, Chang'an University, Shaanxi Xi'an 710064 )

Spray atomization is a process in which liquid enters into a gas environment through a nozzle, and it is broken down into droplets through the interaction of gas and liquid, which involves complex energy exchange, momentum exchange and heat transfer process. Fuel atomization is an important link in the combustion process of internal combustion engine. Good atomization effect can promote the full mixing of fuel particles and air, so as to improve the thermal efficiency of combustion, and then improve the power performance, economy and emission of internal combustion engine. Due to the different physical structure of the spray liquid through the nozzle, the shape of the jet formed is also different. The main jet forms include plane jet, cylindrical jet and annular jet. In this paper, the three kinds of jet forms are studied, and the deep penetration analysis is carried out from the mechanism of the jet fragmentation. By introducing the physical equation and the theory of the surface wave of the jet, the liquid jet phenomenon is transformed into a mathematical model, and the key factors affecting the atomization effect are explored, thus promoting the development of the spray discipline.

Spray; Primary fragmentation; Jet model

A

1671-7988(2022)01-197-04

U473

A

1671-7988(2022)01-197-04

CLC NO.: U473

胡栋，硕士研究生，就读于长安大学汽车学院，研究方向：动力工程及工程热物理。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2022.001.045