横流中空心锥形喷雾的扩散特性与影响因素

张海滨，白博峰

西安交通大学 化学工程与技术学院 动力工程多相流国家重点实验室，西安 710049

射流掺混是一种强化射流工质与主流体之间传热传质的重要方式，在工业及国防等诸多领域具有广泛应用，如航空发动机内液体燃料雾化燃烧、重型燃气轮机加湿、涡喷发动机进气道射流预冷等[1-3]。空心锥形喷雾是一种常见的液体雾化形式，其原理是液体在压差作用下进入喷嘴旋流室内，经加旋、增速后在喷口形成空心锥形薄液膜，而后液膜在气动力及自身表面张力、黏性力和惯性力等作用下完成变形、破碎和雾化[4]。空心锥形喷雾具有雾化距离短、雾化液滴小而分散，且雾化过程无须辅助介质等特点，因此相比传统的直喷式射流以及气体辅助式雾化射流，在一些对射流系统构型和掺混效果要求高的场合中，空心锥形喷雾射流具有显著优势，如新型水冲压及氢氧能源热动力推进发动机中的燃气降温增质过程[5-7]，以及航空发动机和内燃机领域的贫油预混预蒸发燃烧技术[8]等。

液体射流与横向气流的掺混是最为常见的一种射流掺混形式，包括液体的雾化、涡流卷吸与夹带、液滴扩散及液滴间相互作用等，在高温条件下还存在液滴蒸发等传热传质复杂过程，属于典型的非线性复杂多相流热物理问题。长期以来，国内外学者在射流掺混研究领域开展了大量的探索研究工作，主要针对的射流形式有直喷式圆柱液体射流[9-11]、气动喷雾射流[12-13]和气泡辅助雾化射流[14-15]，而对空心锥形喷雾射流与横流掺混过程的研究相对缺乏。由于空心锥形喷雾的液膜及初始雾化液滴群的特殊形态特征，使得其与横流的掺混过程具有明显特殊性。近年来，Surya[8]、Lee[16]、Lynch[17]、吴志合[18]等研究了空心锥形喷雾液膜在横流中的破碎及雾化。Zhang等[19-22]采用可视化方法针对特定喷嘴条件下的空心锥形喷雾射流液滴群在横流中的扩散与分布进行了实验测量，发现了流场中的大尺度CVP(Counter-rotating Vortes Pair)结构和剪切层涡结构，并对上述结构的形成原因及对液滴扩散的影响规律进行了定性分析。另外，由于空心锥形喷雾射流与横流掺混过程的复杂性，目前通过数值模拟的方法对这一过程进行精确仿真还存在困难，已有的模拟相关文献均是采用简化的模型对该过程进行求解计算[23-24]，但在对雾化液滴的湍流扩散、非定常涡结构等的预测方面仍存在较大误差，制约了对空心锥形喷雾射流与横流掺混机理的认识。

对于空心锥形喷雾射流与横流的掺混，喷嘴的雾化锥角、喷射角度(入射角)、喷嘴雾化液滴的状态以及横流条件等对掺混过程及效果均有重要影响。但目前文献中尚缺乏对上述影响因素的系统分析与讨论。本文采用PIV测试技术对空心锥形喷雾射流与横流掺混流场进行了可视化实验研究。采用液滴雷诺数和液滴数流率来表征空心锥形喷雾的初始液滴状态，进而针对横流中空心锥形喷雾液滴群的扩散特性以及不同因素对掺混流场结构的影响规律进行了综合对比分析，并对掺混流场主要特征结构——CVP和剪切层建立了预测关联式。本文系统阐明了空心锥形喷雾射流在横流中的扩散过程规律，研究结果拓宽了对空心锥形喷雾射流与横流掺混过程的认识，同时也为相关工业过程中发展空心锥形喷雾射流与横向气流的掺混组织技术提供参考。

1 实验系统

空心锥形喷雾射流与横向气流掺混实验系统主要包括气路和液路两部分(见图1)。气路主要包括离心风机、变频器、整流和稳流管段等。通过变频器(Unimat UT 550，0～5.5 kW)调节离心风机的转速进而控制横流空气流量，从风机出来的气流经过整流和稳流以后形成均匀稳定的横向气流，然后进入掺混测试段。横流气体的速度由皮托管测速仪进行测量。液路包括高压氮气、耐压储液罐、雾化喷嘴和耐压管路及仪表等。实验中射流工质水储存在耐压储液罐中，通过高压氮气调节储罐内部压力进而实现对喷嘴雾化压力的控制，采用针阀精确调节水的流量，采用Keller压力传感器测量喷嘴上游水的压力。空心锥形喷雾射流和横向气流在掺混测试段中完成掺混过程，测试段为矩形方腔结构(长800 mm)，横截面尺寸为180 mm×180 mm。

实验中选用普通商业空心锥形喷雾喷嘴(KB系列，H Iekuchi & Co., Ltd.)，结构如图2所示。通过选用不同型号的喷嘴或者改变喷嘴上游雾化压力，即可实现不同的雾化效果。喷嘴的雾化压力与质量流率之间的关系通过电子称重法进行精确标定。喷嘴安装在测试段上壁面中轴线上，距离入口截面280 mm。为便于分析，喷嘴位置设定为坐标原点，横流方向为x轴正方向，喷嘴位置竖直向下为y轴正方向。喷嘴的雾化锥角和相对于横流的入射角示意图见图3，图中θ和α分别为喷嘴的雾化锥角和入射角。

空心锥形喷雾射流在横流中的扩散特性通过PIV(Particle Image Velocimetry)测试技术进行测量。PIV技术对流场横截面和纵截面上瞬态液滴分布图像的捕捉方法如图4所示。测试段上各测试截面的对应位置均进行了开缝(宽3 mm)处理，以避免液滴粘壁对PIV拍摄图像的影响，特别地，在对流场纵截面各个位置进行拍摄时，测试段侧壁布置自气封玻璃罩(宽60 mm)以降低侧壁开缝对流场的影响。测试段内部喷涂哑光漆以降低背景光干扰。实验过程中，掺混测试段安装在可移动实验架上，在PIV系统完成光的对焦等处理后保持位置固定，然后通过逐次合理地调整可移动实验架的横向位移，即可实现对掺混流场不同横截面或纵截面的连续拍摄。

图1 空心锥形喷雾与横流掺混实验系统示意图Fig.1 Schematic of experimental system of hollow cone spray in gaseous crossflow

图2 空心锥形喷雾形态与喷嘴结构Fig.2 Nozzle structure and hollow cone spray

图3 喷嘴雾化锥角和初始雾化液滴速度示意图Fig.3 Schematic of spray angle and velocity of initial atomized droplets

图4 掺混流场结构的PIV测试方法示意图Fig.4 Schematic of PIV testing arrangement for flow structures measurement

为了确保实验结果的准确性，实验中对所有工况均进行了两次独立测量。针对每一组实验工况，待掺混过程充分发展以后进行流场的测量，每个测量截面连续拍摄80组瞬时图像。有关上述实验系统及测试方法的更多详细描述参见文献[19,22]。

由于空心锥形喷雾液膜的雾化距离很短，本文忽略液膜的雾化过程，另外由于横流环境下对初始雾化液滴特征参数的测量存在困难，为便于分析，本文采用无横流条件下空心锥形喷雾初始雾化液滴的特征参数来表征其雾化状态。表征空心锥形喷雾雾化状态的参数主要有初始雾化液滴的粒径(索太尔直径d32)和速度(液膜雾化后的液滴速度峰值ud，方向见图3)、液滴数流率(即单位时间内雾化液滴的数目Nd)以及雾化锥角(θ)。其中，雾化液滴的速度和粒径分别采用PIV和马尔文粒度仪进行测量，喷雾液体质量流率(q)采用电子秤称重法进行计量。本文实验工况参数范围及其不确定度(U′)见表1和表2。

根据横流速度及初始雾化液滴的状态参数，可以计算出横流雷诺数Reg、液滴雷诺数Red及液滴数流率Nd：

(1)

表1 喷雾状态参数Table 1 Spray parameters

表2 横流雷诺数及不确定度Table 2 Crossflow Reynolds number and uncertainty

(2)

(3)

式中:D为掺混方腔水力直径，m；ρg为空气密度，kg·m-3；ug为横流空气的速度，m·s-1；μg空气动力黏性系数，kg·m-1·s-1；ud为液滴初始速度，m·s-1；d32为液滴直径，m；q为雾化工质水的体积流率，m3·s-1。

2 实验结果与分析

2.1 掺混流场基本结构特征

空心锥形喷雾射流与横流掺混流场横截面和纵截面上的液滴及其速度矢量分布的典型实验测试结果分别见图5和图6。

从图中可以看出，掺混流场在展向方向上存在大尺度CVP结构，在流向方向上存在剪切层结构。需要指出的是，通过对本次多工况实验测试结果的分析，发现了掺混流场中的另一典型特征结构——喷雾射流尾迹(见图6)。射流尾迹结构下部与剪切层相连，呈向上发展的“水草”状，且具有不规则和不连续的特征；其生成机制可能是由于CVP结构对液滴的卷吸，也可能是由于剪切层与壁面之间存在尚未发现的尾迹涡结构，但这些仍需要进一步的证实，在这里不做阐述。综合实验测试结果可以看出，在横向气流中，空心锥形喷雾射流的扩散特性主要体现在流场中的CVP、剪切层和射流尾迹3种特征结构上，因此下文针对喷雾射流扩散特性的分析主要围绕这3种结构而展开。

图5 掺混流场横截面液滴与速度矢量典型分布(θ=80°, Reg =2.4×104, Red=135, Nd=2.3×107/s)Fig.5 Droplet distribution and droplet velocity vector field on different cross-sections of mixing flow field (θ=80°, Reg =2.4×104, Red=135， Nd=2.3×107/s)

图6 掺混流场纵截面瞬时喷雾结构和液滴速度矢量 典型分布(θ=80°, Reg =4.8×104, Red=127, Nd=1.55×107/s)Fig.6 Instantaneous spray structure and droplet velocity vector field in longitudinal section of mixing flow field (θ=80°, Reg =4.8×104, Red=127, Nd=1.55×107/s)

2.2 横流与喷雾条件对掺混流场的影响

空心锥形喷雾射流在横流中的扩散特性是喷雾液滴群与主气流之间竞争作用的结果。图7(a)给出了不同横流速度下喷雾射流液滴群在流场中的瞬态分布特征。横流速度的提高意味着气流动量的增大和对雾化液滴的携带能力增强，直接影响液滴的扩散特性和流场的结构特征。已有文献[19]基于液滴的扩散特征对流场中的CVP结构随横流速度的变化进行了讨论，发现随着横流速度的提高，CVP在流场中的深度降低且其结构变小。除上述现象以外，本次实验还发现，掺混流场中的CVP结构是不稳定的，即CVP左右两旋涡的涡心会出现位置波动从而造成CVP瞬时结构的空间非对称性，原因主要在于射流的雾化及其与横流的作用过程是非定常的，这也类似于直射式射流和横流掺混过程中出现的反旋涡对(CVP)结构。

通过分析CVP的涡心位置波动和瞬时结构变形程度可以衡量CVP结构的稳定性。实验中对比不同工况流场中CVP的瞬时结构图像发现，对于一定的喷雾条件，掺混流场中CVP结构的稳定性随着横流速度的提高逐渐变好，且持续距离增大，而当横流速度更高时，流场中的CVP结构稳定性又变差且持续距离缩短。此外，通过分析CVP卷吸引起的液滴时均速度分布，可以定性分析卷吸气流的强度与速度分布特征，对比图7(b)中3种情况下的液滴时均速度(umag)分布，可以看出，随着横流速度的增大，流场中卷吸气流的强度也呈现先增大而后减弱的趋势，这表明对于特定喷雾状态的射流，只有选择相匹配的横流条件才能使流场中的CVP更加稳定。此外，在掺混流场流向方向上，随着横流速度的提高，喷雾射流液滴在横流中的贯穿深度降低，喷嘴近场液滴群高浓度区更多液滴被气流携带向下游运动，剪切层位置上移，同时剪切层涡结构和剪切层厚度均减小；另外，剪切层上方的射流尾迹结构也由离散且具有较大展面的“水草”状近似规则形态逐渐转变为紊乱连续的不规则形态，且伸展长度也相应缩短。

图7 横流速度对喷雾结构的影响(θ=80°, Red=127, Nd=1.55×107/s)Fig.7 Influence of crossflow velocity on spray structures (θ=80°, Red=127, Nd=1.55×107/s)

当喷嘴的雾化锥角一定时，空心锥形喷雾射流的状态可用其初始雾化液滴的雷诺数(Red)和液滴数流率(Nd)来表征，两者数值的增大均意味着喷雾射流初始动量的增大。上述两个参数变化时对喷雾射流液滴群在横流中扩散特性的影响可以从图8看出。在图8中，3组工况对应的喷嘴雾化锥角和横流条件均相同。对比图8(a)和图8(b) 两组工况可以看出，当液滴数流率近似不变，而液滴雷诺数增大时，剪切层在横流中的贯穿深度增大，且剪切层涡结构变大，射流尾迹结构具有更大的伸展长度；在流场展向方向上，CVP结构增大且位置下移。图8(b)和图8(c)两组工况中液滴的雷诺数近似，对比可以发现，液滴数流率的增大同样使得剪切层涡和射流尾迹的伸展长度增大，并且也使CVP结构变大。以上现象表明，对于空心锥形喷雾射流与横流的掺混，提高初始雾化液滴的雷诺数和数流率均能在流场中诱导出更大的CVP、剪切层和射流尾迹结构，同时使射流在横流中的贯穿深度增大。

图8 不同喷雾状态下的喷雾结构(θ=80°, Reg=4.8×104)Fig.8 Spray structures under different spray conditions (θ=80°, Reg=4.8×104)

图9给出了喷嘴雾化锥角为80°时，相同横流速度条件下不同喷雾液滴状态各工况流场中液滴CVP的涡心强度和剪切层中心轨迹线对比。其中液滴CVP涡量强度是根据PIV拍摄图像中液滴的时均速度矢量计算得出，其中涡量最大的位置定义为CVP涡心位置；剪切层轨迹定义为剪切层中线位置，通过对瞬态液滴图像进行时均处理后得出。从图中可以看出，喷雾液滴的雷诺数和数流率的增大使得流场中液滴CVP的涡心强度增大，反映出流场CVP涡产生的卷吸气流强度的增大；同样，上述两个特征参数的增大使得流场中剪切层轨迹的深度增加，这也反映了喷雾射流整体动量的增大以及其在横流中贯穿能力的增强。增大喷雾液滴数流率可以增大射流剪切层的贯穿深度这一现象与直喷式圆柱液体射流在横流中的雾化扩散行为类似，对于后者而言，当液体密度不变且射流-横流动量通量比固定时(也即是射流速度不变)，液体射流在横流中的贯穿深度随着孔口直径的增大而增大，这也表明了增大液体的质量流率(即射流动量的增大)可以提高圆柱液体射流的贯穿能力。不过，空心锥形喷雾射流与圆柱液体射流的不同之处在于：前者喷雾射流的初始状态是三维锥形分散液滴群，其不同位置处的液滴所受气流的作用不同，液滴群浓度越大，对横流的阻碍作用越强，流场中形成的CVP结构也就越大，同时背风侧液滴的贯穿深度也会相应增大，而剪切层形成于喷雾背风侧下游CVP结构的下边界，因此液滴数流率(即喷雾液滴的质量流率)的增大会使流场中剪切层的深度增加。

图9 喷雾初始状态对流场中液滴CVP和剪切层轨迹的影响(Reg=4.8×104)Fig.9 Influences of spray initial conditions on droplet CVP and shear layer trajectory in flow field (Reg=4.8×104)

2.3 液滴CVP结构与剪切层轨迹预测模型

在空心锥形喷雾与横向气流的掺混过程中，CVP结构和剪切层结构是最主要的流场结构特征。因此建立上述结构的预测模型对于实际掺混过程组织及流场结构预测具有重要指导意义。为了建立掺混流场中CVP和剪切层结构的定量预测模型，这里借鉴直喷式射流与横流的掺混以及Snchez 等[25]对于空心锥形喷雾初始动量的分析，引入空心锥形喷雾与横向气流的动量通量比J这一参数，J的计算式为

(4)

式中：MI和Mg分别为空心锥形喷雾的动量通量和横流的动量通量。其中，MI的表达式为

(5)

式中：ρl为液体密度，kg·m-3。从式(5)可以看出，在空心锥形喷雾的动量通量中，液滴数流率已经被考虑在内。另外，由于本文研究的空心锥形喷雾与横流的掺混过程是发生在受限空间内(这也是实际工程中的普遍现象)，因此横向气流的动量通量Mg的计算式为

(6)

为了得出CVP结构的定量变化规律，本文首先对流场横截面上的液滴群CVP结构区域的特征尺度(见图10)进行了表征：首先采用自编程序将瞬时液滴分布图进行时均及增强对比度等处理，然后采用最大类间方差法(OTSU算法)对时均液滴图像进行二值化处理，进而识别图像中最

图10 液滴群CVP时均结构的处理过程Fig.10 Process of characteristic scales of time-averaged droplet CVP structure

大单连通区域的最小外接矩形，该矩形的长(k)和宽(h)即为液滴群CVP结构的特征尺寸。

基于不同工况下液滴群CVP特征尺寸的实验处理数据，结合横流雷诺数、液滴雷诺数以及喷雾与横流动量通量比等参数，采用多参数线性回归的方法[19]，得出喷嘴垂直于横流入射且雾化锥角为80°时，液滴群CVP结构特征尺寸的预测关联式为

(7)

(8)

在对掺混流场中的剪切层轨迹进行分析时，首先对PIV拍摄的多组瞬时液滴图像进行时均处理，并通过增强对比度等方法对图像质量进行优化(如图11所示)。进而采用最大类间方差法对图像进行处理和边缘检测[26]提取，即可获得流场剪切层结构的上下边界。这里定义剪切层中线位置即为剪切层轨迹线。

采用同样的处理方法，可以得出垂直于横流入射且雾化锥角为80°时，空心锥形喷雾与横向气流掺混流场中剪切层轨迹的预测关联式：

(9)

图12给出了液滴群CVP结构特征尺寸(k

图11 剪切层轨迹处理方法示意图Fig.11 Image processing methods for droplet shear layer trajectory

和h)的预测值与实验测量值的对比，图中下标“cal”和“exp”分别表示预测值和实验测量值,其中，k的平均绝对误差(Mean Absolute Error, MAE)、均方根误差(Root Mean Square Error, RMSE)和标准差(Standard Deviation, SD)分别约为4.4%、5.8%和5.8%；h的平均绝对误差、均方根误差和标准差分别约为7.7%、9.7%和9.6%。图13给出了液滴群剪切层中心轨迹(y)的预测值与实验值的对比，其中，y的平均绝对误差、均方根误差和标准差分别约为7.2%、9.2%和8.8%。从对比结果可以看出，预测值和实验值符合良好，表明以上建立的关联式可以很好地对掺混流场中的CVP结构和剪切层轨迹进行预测。

图12 液滴群CVP结构特征尺寸的实验值与计算值对比Fig.12 Comparison of experimental vs calculated feature sizes for droplet CVP

图13 剪切层轨迹的实验值与计算值对比Fig.13 Comparison of experimental vs calculated shear layer trajectory

2.4 射流入射角度影响

在射流掺混系统中，射流相对横流的入射角度同样也是掺混组织过程中需要考虑的重要因素之一。

图14给出了不同入射角度下空心锥形喷雾射流在流场展向方向上的液滴及其速度矢量分布的典型实验结果。从瞬态液滴图上可发现，随着射流入射角度的减小，掺混初期所形成的CVP结构越大，但结构越不稳定，CVP引起的局部液滴富集现象明显减弱，液滴群更加分散。这主要是由于射流前倾入射时，射流与横流之间具有更大的相对速度差，两者相互作用更加剧烈，强化了流场的不稳定性，同时也促进了液滴的扩散。相对于射流垂直入射，射流倾斜入射时流场中液滴高浓度区(CVP区)均上移。此外，通过对比液滴的时均速度矢量分布结果(图14(b))可以发现，当α=90°和α=120°时，CVP区液滴具有较大的运动速度，这反映了CVP对液滴具有较大的卷吸能力；而在α=60°时，流场中CVP区液滴的速度显著降低，表明CVP的强度减弱。另外，通过对比3种入射角度下CVP的涡心位置，发现α=90°时CVP涡心深度最大，当α=120°时CVP涡心距最小。通过以上对比可以得出，相对于射流垂直入射，射流前倾入射可以使流场中CVP结构的强度降低，减弱CVP卷吸引起的局部液滴富集，有效促进流场上部CVP区液滴的扩散。

图14 入射角度对流场横截面液滴分布特性的影响 (θ=80°, Reg=4.8×104, Red=155, Nd=1.46×107/s)Fig.14 Influence of spray injection angle on droplet dispersion on cross-sections (θ=80°, Reg=4.8×104, Red=155, Nd=1.46×107/s)

不同入射角度下，掺混流场纵截面上的射流液滴扩散形态见图15。通过对比可以发现，当α=60°时，流场剪切层涡结构显著增大，且射流尾迹结构呈现紊乱无规则形态；随着入射角度的增大，剪切层涡结构变小，剪切层区域厚度变薄；当α=90°时，射流尾迹结构形态更加规则。此外，3种入射角度下，α=90°和120°时，流场剪切层区域的液滴富集现象均较为明显，这也进一步表明射流前倾入射可以有效抑制流场中液滴的倾向性局部富集，有利于液滴的扩散。

图15 不同入射角度下流场纵截面喷雾射流形态结构 (θ=80°, Reg=4.8×104, Red=127, Nd=1.55×107/s)Fig.15 Spray structure on longitudinal section for different injection angles (θ=80°, Reg=4.8×104, Red=127, Nd=1.55×107/s)

与图15中的实验工况相对应，图16给出了不同入射角度下射流液滴在流场纵向平面(xOy)不同位置处的时均速度分布。可以看出，由于剪切层和射流尾迹结构的存在，流场不同位置处液滴的速度分布有很大差异。以射流垂直入射(α=90°)的情况为例，在流场上部CVP影响区，液滴的水平速度(u)先增大后减小(射流尾迹区)而后再逐渐增大(剪切层区)，之后进入下方的主流区液滴速度变化缓慢，在流场底部区域速度再一次降低；液滴的纵向速度(v)在CVP影响区先增大后减小，之后在主流区速度区域逐渐稳定。

相比而言，在CVP影响区内，液滴的水平速度和纵向速度均随着入射角度的增大而增大；并且在α=60°和α=90°时，液滴的水平速度沿流场方向逐渐增大，而在α=120°时则是先降低而后增大；3种入射角度下，α=90°时液滴的水平速度变化最小。当射流后倾入射时，射流液滴群与横流之间相对速度变小，使得流场剪切层涡结构变弱，对液滴的影响较小，因而液滴的速度在剪切层区变化不大(α=120°)。此外，由于射流垂直入射时流场中CVP和剪切层结构具有更大的贯穿深度，因此，液滴的纵向速度峰值位置更低(与α=60°和α=120°相比)。在CVP下方主流区内，掺混后期液滴的水平速度和纵向速度沿流场方向均变化不大，然而在流场下部区域，随着入射角度的增大，液滴的水平速度下降更快。

图16 入射角度对流场中心纵截面上液滴速度分布的影响(θ=80°, Reg=4.8×104, Red=127, Nd=1.55×107/s)Fig.16 Influence of spray injection angle on droplet velocity distribution on longitudinal section (θ=80°, Reg=4.8×104, Red=127, Nd=1.55×107/s)

2.5 喷嘴雾化锥角影响

图17给出了横流速度相同并且初始雾化液滴状态近似时，两种雾化锥角的喷雾射流所对应的掺混流场液滴分布。相比θ=80°，当喷嘴雾化锥角变小(θ=60°)时，喷雾射流在展向方向上速度减小而在竖直方向上速度增大，从而引起流场结构发生较大的变化。从图中可以看出，随着喷嘴雾化锥角的降低，流场中CVP结构位置下移，其尺度在展向方向上减小而在竖直方向上增大；在流场流向方向上，剪切层涡结构变小，剪切层厚度变薄。此外，通过对比两种角度下CVP和射流尾迹的结构特征，发现在较小的雾化锥角时，流场中的CVP结构更稳定且持续距离更远，射流尾迹结构形态也更加规则和清晰。

图18给出了横流速度相同且喷雾条件近似时两种雾化锥角所对应的流场xOy平面上液滴的速度分布对比。可以看出，与θ=80°相比，当θ=60°时流场流向方向上液滴的水平速度减小，纵向速度增大；并且由于θ=60°时流场CVP结构的位置下移，使得液滴的速度峰值也出现相应的下移。

2.6 与直喷式射流掺混流场结构的差异

在射流掺混研究领域，对于掺混流场结构的研究最为广泛的是直喷式射流和横流的掺混，与本文喷雾式射流和横流的掺混相比，两者流场结构具有一定的可类比性。为了更好地促进对空心锥形喷雾射流与横流掺混机制的理解和认识，这里对上述两种形式的射流掺混流场结构进行了对比分析。

在直喷式气体射流与横流的掺混流场中主要存在4种大涡结构(见图19，图中U∞表示横流速度，Uj表示射流气体速度)：CVP、剪切层涡、尾迹涡和马蹄形涡。不同涡结构的形成机制在诸多文献中[27-29]有详细分析，这里不多做阐述，仅对其结构形态等方面进行讨论。① CVP：无论对于直喷式射流还是空心锥形喷雾射流，CVP均是掺混流场中最主要的大尺度涡结构，主导射流工质的扩散；差别在于，对于直喷式射流，外部气流作用下使得射流本身演变成为CVP结构，CVP的涡心在射流内部；而对于空心锥形喷雾射流，CVP位于喷雾射流背风侧后方(示意图见图20，喷嘴向下喷射)，主要原因在于空心锥形喷雾射流的初始形态为锥形分散的液滴群，其对横流的阻碍作用在喷雾射流背风侧后方出现低压区，外部气流向低压区流动从而形成CVP，周围区域离散液滴被气流卷吸进入CVP，因而CVP的涡心在喷雾射流主体的外部。② 剪切层涡：在直喷式射流与横流掺混流场中，主要的剪切层结构出现在射流迎风面上，而对于空心锥形喷雾射流与横流的掺混，主流区和CVP区内气流速度大小和方向的差异在两者界面处诱发剪切层涡的出现，剪切层和剪切层涡存在于喷雾射流的背风侧。③ 尾迹涡：在直喷式射流与横流掺混过程中，射流背风侧会出现明显的尾迹结构，其形成原因在于射流背风侧下游存在尾迹涡结构，尾迹涡两端分别连接CVP和下壁面流体边界层，实现两者之间能质的传递[29-30](见图21)；从形态上看，直喷式射流和空心锥形喷雾射流两者在横流中产生的尾迹结构较为相似，均呈现不连续性且延展方向近似与射流背风侧垂直。但目前尚未在空心锥形喷雾射流与横流的掺混流场中发现尾迹涡结构，其是否存在以及是否为喷雾射流尾迹出现的主导因素，仍待进一步查明。

图20 空心锥形喷雾与横流掺混流场CVP结构形成原理示意图Fig.20 Schematic of CVP formed by hollow cone spray interacting with crossflow

图21 直喷式气体射流与横流掺混流场瞬态结构图Fig.21 Visualization of instantaneous flow structures of gaseous jet in crossflow

通过以上对比，可以发现两种射流形式与横流的掺混流场中均存在CVP、剪切层(涡)及射流尾迹等典型结构，这些典型结构具有一定的相似性，但在形成机制及对射流工质扩散的影响等方面却有很大差异。

3 结 论

本文基于可视化实验测试结果，系统分析了空心锥形喷雾射流的初始雾化状态(液滴雷诺数、液滴数流率)、入射角度、雾化锥角以及横流速度等关键参数对空心锥形喷雾射流在横流中扩散特性的影响规律，并针对喷雾垂直于横流入射且雾化锥角为80°时掺混流场中的液滴群CVP结构特征尺寸和剪切层轨迹建立了预测关联式。主要结论如下：

1) 喷雾射流雾化液滴雷诺数和液滴数流率的增加均能使流场中CVP、剪切层涡及射流尾迹结构增大；喷雾射流由垂直入射变为前倾入射时，射流与横流的相互作用增强，促进了流场中CVP和射流尾迹的不稳定发展，强化了CVP区域液滴的湍流扩散并减弱了局部的液滴富集现象，但射流整体贯穿深度降低。

2) 当横流速度不变而喷嘴的雾化锥角变小时，流场中的CVP结构位置下移，在展向平面上水平宽度缩小而竖直长度增大，且CVP结构稳定性增强。

3) 当喷雾条件相同时，随横流速度的提高，流场中的CVP、剪切层涡和射流尾迹结构均逐渐减小，但CVP的结构稳定性及其卷吸气流强度呈现先增强后减弱的规律。

本文研究结果扩宽了对空心锥形喷雾与横流掺混过程的认识，在一定程度上可以为实际工业技术中的掺混过程组织和流场结构调控提供参考。然而，需要注意的是，由于空心锥形喷雾射流与横向气流的掺混过程非常复杂，目前对该两相流场中的气相场参数测量仍存在困难，且在高精度高效率的数值模拟技术方面也有待进一步的突破。另外，尽管本文基于实验测量结果针对特定条件下空心锥形喷雾射流与横流掺混流场中的液滴群CVP结构特征尺寸和剪切层中心轨迹建立了预测模型，但考虑喷雾锥角和喷射角度等多参数耦合影响以及在更宽工况范围内具有普适性的定量模型仍有待深入而系统的研究。进一步的，掺混流场结构与喷雾射流-横流掺混效果之间的关系也尚未明确，这些均是指导实际工业中空心锥形喷雾射流与横流掺混过程组织的关键，同样也是今后该研究领域亟需重点解决的主要问题。