撞击式射流破碎特性的实验研究

夏振炎，李珍妮，李建军，田 砚

（天津大学机械工程学院，天津 300072）

撞击式射流破碎特性的实验研究

夏振炎，李珍妮，李建军，田 砚

（天津大学机械工程学院，天津 300072）

基于自行搭建的撞击式射流系统，采用高速摄影技术，研究了对称射流撞击和非对称撞击射流液膜的破碎特性．分析研究了射流撞击夹角及喷嘴内径对射流撞击破碎的破碎模式和破碎特征（破碎长度、液膜长度、液膜宽度、液膜长宽比）的影响规律．对比研究了3种不同流体——水、甘油、卡波姆凝胶（非牛顿流体）的破碎特性．在实验的韦伯数范围内，喷射模式可分为3种破碎模式，即封闭液膜模式、开边界模式、液线液滴模式；破碎长度随韦伯数的增大，呈先增大后减小的趋势；减小撞击夹角可以减小液膜的长宽比，喷嘴内径的大小不会改变液膜长宽比的值；与对称撞击相比，非对称撞击更能加剧液膜的破碎．

撞击射流；破碎长度；封闭液膜模式；开边界模式

射流雾化问题在很多领域都有广泛的应用，例如农药喷雾、喷墨打印机、喷雾涂层、化工造粒［1］等，尤其在内燃机领域，燃料在燃烧室中的破碎雾化质量直接影响到燃料的燃烧性能．

射流破碎的方式有很多种，有的通过环形截面喷嘴喷射利用空气的气动性而破碎［2］，有的通过射流撞击固体壁面而破碎，还有的通过2束或多束射流撞击而破碎［3-4］．采用结构和工艺简单的平孔压力喷嘴的撞击式射流，因雾化效果好，被广泛应用于包括火箭发动机［5］在内的多种发动机燃烧系统中．

Yang等［6］利用线性稳定性理论提出了能够预测撞击射流液膜破碎长度的理论模型，并利用实验数据验证了模型的可行性．Jayaprakash等［7］研究了一种由煤油和铝粒子组成的幂律流体的撞击雾化特性. Fakhri等［8］采用马尔文系统研究了撞击射流的粒径分布情况，发现同一速度下，长径比越小对应的SMD的数值越小．Baek等［9］研究表明，随射流速度的增加，撞击射流的喷雾锥角显著增加．von Kampen等［10］对牛顿流体与幂律流体撞击射流液膜的破碎模式做了详细的对比和总结，他们发现幂律流体黏度越高液膜越难以破碎．

为了更深入地了解撞击式射流的破碎机理和破碎形态，本文通过高速摄像技术，记录了射流撞击的液膜形态及破碎过程，并对图像进行了处理，分析提取了不同射流条件下撞击射流液膜的破碎模式和破碎特征（破碎长度、液膜长度、液膜宽度和液膜长宽比）；对比研究了3种不同流体——水、甘油、卡波姆凝胶（非牛顿流体）的破碎特性；对在非对称射流撞击中出现的“鱼骨结构”进行了深入的研究．

1　撞击射流破碎特性实验

1.1实验装置

图1所示为撞击射流实验装置，包括注射泵、注射器（50，mL）、自制实验台（可调节预撞击距离和撞击夹角）、平口不锈钢针头（作为喷嘴）、背景光源、高速相机、图像采集计算机和液体收集装置等．撞击射流的形貌发展图像采用日本Photron SA1.1型高速相机拍摄，设定的拍摄频率为5，400幅/s，图像分辨率为100×104像素，快门值设定为1/75，000，s．

图1 实验装置示意Fig.1 Schematic diagram of experimental setup

图2为喷嘴与撞击射流形成液膜的结构，uj为射流速度，D为喷嘴内径，2α 为撞击夹角，Lji为预撞击长度（喷嘴出口到撞击点的距离），i=1，2．

图2 撞击系统结构示意Fig.2 Schematic diagram of impinging jet system

1.2实验液体

实验所用液体为蒸馏水、质量分数为50%，的甘油溶液和质量分数为0.15%，的卡波姆934凝胶，其物性参数如表1所示．其中水和甘油为牛顿流体，卡波姆凝胶是一种幂律型流体，关于卡波姆凝胶的具体流变特性可参考文献［11］．

表1 实验液体的物性参数Tab.1 Physical properties of working liquids

2　实验结果与分析

2.1液膜破碎长度与液膜长宽比

撞击射流液膜的破碎长度和液膜长宽比是射流破碎研究的重要参数，本文对撞击射流液膜破碎长度的定义为：在液膜对称轴线上，从2束射流撞击点开始到完整液膜边缘的长度，如图3（a）和3（b）所示．

液膜长度H定义为液膜的最高点到最低点之间的距离，液膜宽度W定义为液膜左右边缘相距的最大距离，如图3（c）所示，则液膜长宽比为H/W．在实验中所提取的液膜破碎长度、液膜长度和宽度的值是对每一工况下不同时刻的一个平均值．

图3 破碎长度与液膜长度、宽度的定义Fig.3Definition of breakup length and length and width of liquid film

2.2破碎模式

在实验中随着射流速度的增加一共出现了3种破碎模式，在此以水的撞击射流为例介绍这3种破碎模式，其中喷嘴内径D=0.7，mm，Lj1=Lj2=6.5，mm，2α=78°．当速度较低时，两射流撞击后形成了一个树叶形状的液膜，此时液膜是封闭的，液膜的中间薄边缘厚，是封闭液膜模式，如图4（a）所示．随着速度的继续增加，液膜上部基本稳定，但液膜下游边界开始破碎，并有细小的液滴开始出现，液膜不再封闭，是开边界模式，如图4（b）所示．当速度继续增加时，液膜表面出现大量的波动，这种波动不断向液膜下游传播，周期性的“弓形”液线开始出现，液线继续向下游发展并破碎成大量液滴，这种破碎模式属于液线液滴模式，如图4（c）～（f）所示．

图4 撞击射流破碎模式Fig.4 Breakup patterns of the impinging jet

2.3撞击夹角对对称撞击射流液膜破碎特性的影响

图5为不同撞击夹角下水撞击射流形成的液膜发展形貌．撞击夹角分别为70°、78°、90°和100°．预撞击距离Lj1=Lj2=6.5，mm，喷嘴内径D=0.7，mm.由图5可以明显看出，在每种撞击夹角下，随着速度的增大，撞击射流液膜依次经历了封闭液膜模式、开边界模式、液线液滴模式，且出现同一种模式时的We范围基本相同，如图6所示．

Li等［12］推导出水撞击射流在有完整液膜形态（We较小）时的破碎长度预测公式，即

图6给出了实验值与理论值的对比，当We＜100时，液膜的破碎长度随着We的增大基本上呈线性增长的趋势，且与理论值有较好的吻合．此外，同一We下，随着撞击夹角的增大，破碎长度略有增大．We接近100时，实验值明显小于理论值．当We＞100时，液膜进入液线液滴模式，破碎长度随着We的增大而减小，该预测公式已不适用．

图5 不同撞击夹角液膜随速度的变化情况Fig.5Variation of liquid film with jet velocity under different impinging angles

图6 不同撞击夹角下液膜破碎长度随We的变化Fig.6Variation of breakup length of liquid film with We under different impinging angles

图7为液膜处于封闭液膜模式和开边界模式时，不同撞击夹角下液膜长度、宽度及长宽比随速度的变化趋势．同一流速下，不同撞击夹角的液膜长度变化很小，而液膜宽度则随着撞击夹角的增大而增大，这主要是因为撞击夹角越大，撞击动量在轴向上的分量越小，在横向上的分量越大．虽然每一种撞击夹角下液膜长度和宽度均随着速度的增大而增大，但是液膜的长宽比随着速度的变化一直保持在某一恒定值．撞击夹角大的液膜长宽比大，其中90°时的液膜长宽比为2.2．

图7 不同撞击夹角下液膜长度、宽度及长宽比随速度的变化Fig.7 Variations of length，width of liquid film and aspect ratio with jet velocity under different impinging angles

2.4喷嘴内径对对称撞击射流液膜破碎特性的影响

图8是水射流以78°撞击夹角，喷嘴内径分别为0.9，mm、0.7，mm和0.5，mm，在不同速度下的撞击射流液膜发展、破碎过程，其中预撞击距离Lj1=Lj2= 6.5，mm．随着速度的增大，3种喷嘴的射流撞击液膜均依次经历了封闭液膜模式、开边界模式、液线液滴模式．由图8可以看出，3种不同内径的喷嘴形成的液膜由封闭液膜模式向开边界模式转变时的We值一样，开边界模式向液线液滴模式转变时的We值则随喷嘴内径的增大而增大．

图8 不同喷嘴内径的液膜随速度的变化Fig.8Variation of liquid film with jet velocity under different nozzle orifice diameters

图9为液膜破碎长度随We的变化情况．3种喷嘴的破碎长度随We的增大均是先增大后减小，同一We下内径大的破碎长度长，因为内径大的喷嘴其质量流量大，撞击时动量大，进而增大了液膜的破碎长度．总而言之，喷嘴内径对射流撞击液膜的破碎尺度有影响，对其破碎特征及破碎规律的影响不大．

图9不同喷嘴内径下液膜破碎长度随We的变化情况Fig.9Variation of the breakup length of liquid film with Weber number under different nozzle orifice diameters

图10为3种喷嘴的液膜在有完整液膜轮廓时（封闭液膜模式和开边界模式），液膜长度、宽度及长宽比随射流速度的变化．由图可看出，3种喷嘴的液膜长度及宽度均随着速度的增大呈线性增长，且3种喷嘴的液膜的长宽比都为2.3．由此更能证明喷嘴内径只影响液膜的破碎尺度及轮廓的大小．

图10 不同喷嘴内径下液膜长度、宽度及长宽比随速度的变化Fig.10 Variations of liquid film length，width and aspect ratio with jet velocity under different nozzle orifice diameters

2.5不同流体对称撞击射流液膜的破碎特性

图11分别是水射流、质量分数为50%，的甘油溶液（50g）、质量分数为0.15%，的卡波姆水溶液（0.15C）在不同流速下的破碎形貌．从图中可以看出，水射流和50g甘油溶液射流的液膜随着速度的不断增大都依次出现了封闭液膜模式、开边界模式和液线液滴模式．水射流的液膜最不稳定，只有在速度很低时，才能保持液膜的完整轮廓．开边界模式和液线液滴模式下，水射流液膜边界和液膜破碎程度都很剧烈. 0.15C卡波姆凝胶只出现了封闭液膜模式、开边界模式2种破碎模式，液膜轮廓比质量分数为50%，的甘油溶液更明显，且更稳定，并且在速度达到4.55，m/s时才出现开边界模式，速度较低时液膜轮廓也较小.这主要是由于卡波姆凝胶是剪切变稀的幂律型非牛顿流体，在剪切速率比较低时，黏度很高，射流撞击后形成的液膜更难破碎．

图11不同流体的液膜随速度的变化（2α=78°，D= 0.7，mm，Lj=6.5，mm）Fig.11Variation of liquid film with jet velocity for different liquids（2α=78°，D=0.7，mm，Lj=6.5，mm）

图12给出了与图11所示工况相对应的液膜破碎长度随We变化的趋势．从图中可以看出，3种流体所形成的液膜破碎长度均随着We的增大而呈现出大体一致的变化规律，即先增大后减小．水和50g甘油溶液射流撞击液膜的破碎长度都在We达到100左右时出现最大值．而0.15，C的卡波姆凝胶射流撞击液膜的破碎长度在We=200左右时达到最大值．此外从图中还可以看出：水溶液撞击射流最先由封闭液膜模式转变为开边界模式，50g甘油溶液次之，卡波姆溶液的封闭模式一直持续到We为180左右才进入到开边界模式．

图12 不同流体的液膜破碎长度随We的变化情况Fig.12Variation of breakup length of liquid film with We for different liquids

图13是对图11对应的3种流体的撞击射流液膜处于封闭液膜模式和开边界模式，具有较完整的液膜轮廓时，液膜的长度、宽度以及长宽比随速度的变化曲线．从图中可以看出，3种流体撞击射流液膜的长度和宽度，都随速度的增大而不断增大，且在速度相同时，50g甘油溶液的液膜长度和宽度最大，0.15C卡波姆凝胶的液膜长度和宽度曲线与水的曲线有交点，速度较大时，0.15C卡波姆凝胶的液膜长度和宽度较大，这主要与卡波姆凝胶剪切变稀的非牛顿特性有关．3种流体的液膜长宽比基本都保持在一固定值左右．水、50g甘油溶液、0.15C卡波姆凝胶所对应的撞击射流液膜长宽比分别为2.3、3.0和3.2．

图13 不同流体的液膜长度、宽度和长宽比随速度的变化Fig.13 Variations of length，width of liquid film and aspect ratio with jet velocity for different liquids

2.6对称撞击与非对称撞击的破碎模式对比

图14为预撞击距离Lj1=3.5，mm、Lj2=6.5，mm、撞击夹角为78°时卡波姆凝胶非对称射流撞击的液膜破碎图像．与图11（c）中的卡波姆凝胶对称撞击液膜图像相比，在相同的速度范围内，对称撞击液膜只出现了破碎程度很小的封闭液膜模式和开边界模式，而在非对称撞击的条件下，液膜的破碎程度远大于对称撞击，出现了破碎程度较大的液线液滴模式．从对称撞击与非对称撞击的液膜破碎长度对比中（见图15）可以看出，相同韦伯数下，对称撞击的液膜破碎长度明显大于非对称撞击．由此可见，非对称撞击产生的扰动波对液膜的破碎起到了加强作用．

图14 卡波姆凝胶撞击射流破碎模式（D=0.7，mm）Fig.14Breakup regime of impinging jet of Carbopol gel（D=0.7，mm）

图15 破碎长度随We的变化Fig.15 Variation of breakup length with We

在非对称撞击中出现了一种形如图14（d）的破碎形态，即液膜的边缘有规律、稳定地破碎成两束液线，形似鱼骨的“鱼骨模式”．为了便于进一步研究“鱼骨模式”，定义了如图16所示的鱼骨角θ，即从“鱼骨”结构液膜边缘液滴将要脱离的液滴开始，沿液膜两边界的液滴做两条直线，这两条直线之间的夹角就是鱼骨角θ．当“鱼骨”破碎模式出现时，随速度的增加，在进入下一种破碎模式前，会出现鱼骨角最大的情况，最大鱼骨角能体现撞击射流液膜在达到“鱼骨”破碎模式阶段时液膜的破碎程度，因此可以用最大鱼骨角θmax代表在特定流动条件下的“鱼骨”破碎模式．图17为固定Lj1=3.5，mm时，液膜最大鱼骨角随Lj2的变化规律．可以看出：能出现“鱼骨结构”的Lj2范围是5，mm＜Lj2＜13，mm，在该范围内最大鱼骨角随撞击距离Lj2的增大呈先增大后减小的趋势．

图16 鱼骨角Fig.16 Fishbone angle

图17 最大鱼骨角随Lj2的变化曲线Fig.17 Variation of the maximum fishbone angle with Lj2

3　结 论

（1） 在本实验的We范围内，对称撞击射流液膜破碎出现3种破碎模式：封闭液膜模式、开边界模式、液线液滴模式．而质量分数为0.15%，的卡波姆凝胶由于其较大的黏度只出现封闭液膜模式、开边界模式，且液膜比较稳定，破碎现象不剧烈．

（2） 在本实验的We范围内，破碎长度均随We的增大呈先增大后减小的变化趋势．

（3） 射流撞击形成较完整液膜轮廓时，液膜长度和宽度都随速度的增大而增大，而液膜长宽比则稳定在某一定值．在本实验中，3种喷嘴的液膜长宽比均为2.3；撞击夹角越大，长宽比越小．与水和甘油相比，0.15C卡波姆凝胶形成的液膜更不容易破碎，液膜的长宽比最大．

（4） 在其他射流撞击条件相同的情况下，与对称撞击相比，非对称撞击更容易使液膜破碎．在能出现“鱼骨结构”的预撞击距离范围内（5，mm＜Lj2＜13，mm），最大鱼骨角随预撞击距离的增大先增大后减小．

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（责任编辑：金顺爱）

An Experimental Study on Breakup Characteristics of Impinging Jets

Xia Zhenyan，Li Zhenni，Li Jianjun，Tian Yan
（School of Mechanical Engineering，Tianjin University，Tianjin 300072，China）

An impinging jet system was developed and high-speed photography was applied to investigating the breakup characteristics of symmetric and asymmetric impinging jets．The effects of impinging angle and orifice diameter on the breakup patterns and breakup characteristics（breakup length，length of liquid film，width of liquid film，aspect ratio）were analyzed．A contrastive study was conducted to explore the different breakup characteristics of three kinds of liquid，namely water，glycerinum and Carbopol gel．In the Weber number range of the experiment，the spray patterns could be categorized into three types：closed rim，open rim with shedding droplets and bow shaped ligament．When the Weber number increases，the breakup length first increases and then decreases. The aspect ratio of liquid film decreases with the decrease of impinging angle and keeps constant with different orifice diameters．Compared with symmetric impinging jet，asymmetric impinging jet can accelerate the breakup of the liquid film to a greater extent.

impinging jet；breakup length；closed rim；open rim with shedding droplets

O358

A

0493-2137（2016）07-0770-07

10.11784/tdxbz201509008

2015-09-06；

2015-11-12.

国家自然科学基金资助项目（11172205，11372219）.

夏振炎（1969— ），男，副教授.

夏振炎，xia_zhy@hotmail.com.

网络出版时间：2015-11-26. 网络出版地址：http://www.cnki.net/kcms/detail/12.1127.N.20151126.1422.002.html.