环状液膜碎裂过程实验研究

张鑫 李艳霞

【摘要】本文根据几何相似理论，设计制造了环状液膜喷嘴，建立了恒压水射流试验台，制定了试验方案，采用的是佳能高清晰度EOS30D数码单反照相机，拍摄了0.4MPa下的环状液膜射流的照片。采用Photoshop软件处理图片，绘制表格，每种工况点选取50张照片，计算碎裂点的平均值，绘出曲线图。在喷射的瑞利（Rayleigh）模式下，水膜的碎裂主要受喷射速度的影响，即与雷诺数和韦伯数密切相关，而与喷射压力沒有直接关系。把得到的结论与先前一些学者的研究进行对比，力求最大限度的提高发动机的动力性、经济性和降低排放。

【关键词】环状液膜;喷嘴;碎裂点;瑞利模式

1.引言

喷雾可以由各种各样的途径产生，有几个基本的因素适用于所有的雾化过程：

（1）喷嘴内部的液体动力学;

（2）圆射流或液膜射流喷射表面波的发展和气体的扰动作用;

（3）喷嘴的几何形状、喷射压力与环境气体背压的差值、气体介质的性质和液体本身的物理特性。这些因素并非独立存在，而是相互影响、相辅相成，最终决定了雾化的效果。本文一方面是要探讨环状液膜的碎裂过程;另一方面是分析影响环状液膜碎裂的主要因素。

2.环状液膜射流碎裂的三种流动模式

环状液膜射流的液束为一个空芯锥形环状液膜，预膜喷气喷嘴和柴油机轴针式喷嘴等的喷雾是环状液膜射流的实例。环状液膜射流受环境气体的扰动作用，在喷嘴出口处就产生了波动，其碎裂长度比平面液膜射流的短。

环状液膜射流有三种流动模式，即瑞利模式、断续模式和雾化模式。液泡只有在低内环气流速度（ui=3.85～15.44m/s）下形成，这个模式成为瑞利模式，液泡的尺寸几乎和流动条件无关，其直径近似地等于1.92倍的喷嘴直径。环状液膜碎裂长度随着内环气流速度的增大而缩短。随着内环气流速度的增大，液泡的碎裂将逐渐接近于喷嘴出口，碎裂长度变短，液泡的表面变得粗糙不平，外形也不规则，但液泡的大小却没什么改变，这个模式成为断续模式，以粗糙的的液泡表面和不规则的外形为特点。如果再增大内环气流速度，则液泡会消失气液体交界面变得极不规则，喷嘴出口处的液膜射流表面粗糙并离散，大量比喷嘴直径小得多的液滴形成，液滴喷散开来形成液雾，称为雾化模式，水膜的碎裂长度随内环气流速度的增大而减小。随着气流速度的进一步增大，碎裂长度变短，水膜的表面和形状变得粗糙不平。进一步增大水流和气流速度，气液交界面变得极为不规则，粗糙的液体层在喷嘴的出口处就会碎裂成为液线，随之形成大量的比喷嘴直径小得多的细小水滴。

3.液体射流的测量方法

目前，液体射流的测量方法是多种多样的，射流的测试方法经历了传统与现代测试技术两个阶段。从先前的二维光学测量发展到了当前能反映三维时空动态的激光测试技术阶段。如高速摄影法、熔蜡法、激光散射方法、激光诱导荧光法、激光全息法、激光多普勒法、高分辨率数码相机法等。本文采用高分辨率数码照相法。

4.试验台的建立和实验步骤

4.1 水射流试验台的建立

建成后的恒压水射流试验台。它由压力储水罐、空气压缩机、玻璃转子流量计、喷嘴和喷嘴架组成。实验首先将空气压缩机通向压力储水罐，控制罐内水的压力，试验设定的喷射压力为0.4MPa，气体压力表的量程为0～0.8MPa。玻璃转子流量计也是两只，一只为水流量计，测量压力储水罐向喷嘴提供的水流量。玻璃转子水流流量计产品型号：SA10-25，管号/浮子号：N21.18/AIII21，浮子密度：7.94g/cm3，流量量程：160-1600L/h。经过换算，可测量1～9m/s流速的水流;另一只为空气流量计，测量空气瓶向喷嘴内部液膜两侧空气助力气流喷口提供高速气体的流量。玻璃转子气流流量计产品型号：SA10-15，管号/浮子号：N19.13/AIII19，浮子密度：7.94g/cm3，流量量程：0.6～6m3/h。经过换算，可测量1～30m/s流速的气流。试验参数一览表，如表1所示。

表1 试验参数一览表

参数 数值

试验温度（℃） 25

水的密度（kg/m3） 999

空气的密度（kg/m3） 1.205

水的粘度（m2/s） 1.006×10-6

空气的粘度（m2/s） 1.506×10-5

水的表面张力（N/m） 0.073

大气压力（Pa） 1.01×10-5

空气的绝热指数 1.4

声速（m/s） 331

4.2 实验方案和步骤

由静止空气环境中水膜碎裂长度的试验和理论计算结果，可知喷射压力（压力储水罐中的压力）对水膜的碎裂过程没有直接影响。因此，在研究碎裂长度时，我们为0.4MPa选了28个工况点，拍摄碎裂长度照片1400余幅，预设水射流流速分别为2m/s、4m/s、6m/s、8m/s，内环空气助力流速分别为0m/s、5m/s、10m/s、15m/s、20m/s、25m/s、30m/s，共预设试验工况点28个，平均每个工况点50幅左右，取这50幅左右照片碎裂长度的算术平均数，作为该工况点的碎裂长度，这样就得到了28个工况点水膜碎裂长度数据。

首先，用千分尺测量内环空气通孔d=8mm;环形液膜外直径d=16mm，内直径d=14mm。

s =                （2.1）

（2.2）

其中：

s ——喷嘴出口截面积;

——速度;

qm——流量。

由公式（2.1）（2.2）计算出来的水流流量如表2所示：

表2 速度与流量换算表

速度（m/s） 2 4 6 8

流量（L/h） 340 680 1020 1360

根据喷嘴出口截面积、储水罐容积和转子流量计的量程范围，经过换算，我们预设了0.4MPa压力下水射流流速为2m/s、4m/s、6m/s、8m/s共28个试验工况点。在此流体喷射速度下，如果没有空气助力作用，喷射的表面波将遵循瑞利（Rayleigh）模式。

5.实验结果和数据处理

5.1 照片处理

如上述步骤所述，我们取这50幅左右照片碎裂长度的算术平均值作为该工况点的碎裂长度，同时取一幅最清晰的照片作为该工况点的代表性样片（如图1所示）。

图1 静止空气环境中水膜表面波碎裂长度照片图（喷射压力0.4MPa，喷射流速2m/s，内环气体流速5m/s）

5.2 实验数据处理

表3 水膜表面波的碎裂长度（mm）（喷射压力：0.4MPa）

液体

气体 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

图2

将表3绘制成图，表示水膜的碎裂长度Lb随水流喷射流速的变化关系，如图2所示。从图中可以看出，随着水流喷射流速的增大，水膜的碎裂长度几乎呈直线增大。说明在喷射的瑞利（Rayleigh）模式下，增大喷射速度将使水膜的稳定度增大，不易碎裂，这可能是由于液体的表面张力起作用的缘故。从图中还可以看出在喷射的瑞利（Rayleigh）模式下，水膜的碎裂主要受喷射速度的影响，即与雷诺数和韦伯数密切相关，而与喷射压力没有直接关系。喷射压力仅通过喷射速度影响液膜的碎裂和雾化效果。上述结论会对液体雾化学说体系的完善和各种喷射系统的改进具有重要影响和深远意义。

试验结果表明，射流的碎裂长度随喷射流速的增大几乎呈直线增大。也就是说，在其它参数不变的情况下，射流的碎裂长度随韦伯数的增大而增大。由射流碎裂长度随喷射流速的增大而减小向随喷射流速的增大而增大的过渡。即存在不同的射流不稳定区，不同区域内射流所呈现的不稳定性是大不相同的。因此，过渡临界点（或平衡点）的寻求将成为液膜射流稳定性研究的下一个待定问题。

6.总结

本文利用喷射射流试验台，采用高分辨率数码单反照相机对液膜碎裂过程进行研究，探讨喷射流速、喷射压力和喷嘴出口几何尺寸对射流碎裂过程的影响。高清晰度数码照相机是近年来才开始普遍应用的成像手段，它拍摄便捷、可靠性高，易于对拍摄位置和参数进行调整，图像清晰，试验成本低，拍摄到的图片可以直接存入计算机中，图片格式规范，便于图片色差等的调整，以及读片和数据处理，可以推广应用于喷雾的比较研究。本论文进行的工作，包括试验台的建立，试验照片的处理，获得各种工况点的碎裂长度。

主要结论如下：

（1）根据几何相似理论，建立恒压水射流试验台，制定了试验方案。

（2）为每种工况挑选50张照片，计算碎裂点的平均值。從绘出的曲线图可以看出，在瑞利模式下，碎裂长度随着流速的增大而增加，水膜的碎裂主要受喷射速度的影响，即与雷诺数和韦伯数密切相关，而与喷射压力没有直接关系。

参考文献

[1]曹建明编著.喷雾学[M].北京：机械工业出版社，2005.

[2]曹建明.喷雾学研究的国际进展[J].长安大学学报（自然科学版），2005，Vol.25（01）：82-87.

[3]曹建明，程前.内燃机喷雾研究的现状与发展[J].汽车节能，2007，4：28-30.

作者简介：张鑫（1988—），男，现就读于长安大学汽车学院动力机械及工程专业。