环状液膜射流雾化研究进展

师浩哲，胡 栋

环状液膜射流雾化研究进展

师浩哲1，胡 栋2

（1.长安大学 能源与电气工程学院，陕西 西安 710064；2.东风汽车集团有限公司技术中心，湖北 武汉 430199）

喷雾广泛应用在农业、航空航天、发动机、医疗等多个领域。良好的液膜雾化对减少能源损耗起着至关重要的作用，环状射流其独特的结构具有碎裂长度短以及雾化质量高的特点，所以论文从理论研究、实验研究、仿真分析三个角度阐述了环状液膜射流碎裂的研究现状。重点对液膜碎裂机理，影响液膜碎裂的主要因素进行了相关分析总结。结果表明，线性稳定性分析理论和非线性稳定性分析理论仍是理论分析的基础，大涡模拟（LES）和流体体积法（VOF）是数值模拟应用较多的研究方法，液体粘度、韦伯数、液体表面张力等对环状射流雾化影响较大。但在大液体韦伯数下的对雾化质量研究还较少，增加工况点的选择，加大仿真与实验间的相互验证，这是环状射流在未来研究和发展的重难点之一。

喷雾；环状射流；碎裂机理；韦伯数；液膜雾化

喷雾是将液体通过一定的压力从喷嘴喷射到气体介质中，并且使其以一定的速度分散并碎裂成小颗粒液滴的过程。在日常生活中也有着广泛的应用。近年来“碳达峰、碳中和”是十四五时期经济社会发展的主要目标和任务之一。在双碳的大背景下，汽车发动机的燃油雾化是促进燃油速率和效率的关键因素，也是减少碳排放的重要影响因素[1]。由于平面射流和圆柱射流可视为环状射流的特殊形式，本文以环状射流为基础从理论研究、实验研究、数值仿真研究三个方面来阐述总结环状液膜射流研究进展。

1 液膜碎裂基本原理

液膜雾化碎裂机理通常有空气动力干扰说、压力震荡说、湍流扰动说、边界条件突变说等，上述四种碎裂机理假说均有各自的不足之处[2]。在初次碎裂过程中，喷嘴喷出的射流受到其周围气体的干扰，使液体射流产生一定的波动，由于气液之间速度的不断变化，会产生明显的液膜、液带，液体不稳定表面波变短，使环形液膜逐渐碎裂。二次碎裂是在初次碎裂的基础之上再次分裂成更细小的液体。在气动力、液体表面张力、气液相对速度、黏性力等作用下形成更短的液体不稳定表面波波长，显著地扩大了液体与气体之间的接触面积[3]。液体在不同条件下的碎裂方式有些许不同，影响因素也不同。目前对液膜射流碎裂理论的研究比较认可表面波非线性稳定性理论[4]。其中环状射流是一个三维柱坐标环形液膜，其模型如图1所示。

图1 环状射流物理模型

其坐标轴分别为轴、轴和轴，沿着射流方向为轴，垂直射流方向为轴，射流轴向旋转方向为轴。液相参数：液体速度l，液体的压强l，液体密度l，液体表面张力系数l；气相参数：内环气体的速度gi，外环气体的速度go，气体的压力g，气体的密度g；特征参数有内环半径i，外环半径为o，内环振幅为i，外环振幅为o，是没有经过扰动的环状液膜半厚度，是内环与外环气液交界面表面波的相位角。

2 环状液膜碎裂理论研究

环状液膜的碎裂在喷嘴出口处呈圆环状，形成的射流雾场为锥状，其射流碎裂过程示意图如图2所示。

图2 环状射流碎裂过程示意图

最早对环状液膜射流雾化机理进行研究的是文献[5]，其在1878年提出液滴平均直径的经验公式

=3.01(dom)0.5（1）

式中，为液膜厚度；dom为支配表面波波长。

其还研究发现，当气液速度比较小时，液膜射流先碎裂成环状的断裂带，而后再碎裂成大量的小液滴，液滴相关的波长、直径、液膜厚度的关系如式（1）所示。

文献[6]在忽略流体重力、粘性等条件，并在壁面光滑条件下提出了环状液膜射流的不稳定性模型，研究了波和波的不稳定性。

文献[7]对在无粘性气体介质中运动的环形粘性液体射流在时间模式的不稳定性上进行了线性分析，发现了两种独立的不稳定模式，给出了两个界面处初始扰动的色散关系和振幅比的一般形式，并给出了不稳定波增长率和振幅比下的数值结果。在环形或锥形液膜的破碎过程中，曲率效应不可忽略。曲率效应通常会增加扰动增长率，从而促进环形薄板的破碎过程。液体粘度在高韦伯数下具有稳定作用，而在低韦伯数时，它在某些条件下增强了近反对称波扰动的不稳定性。由于大韦伯数在实际应用中十分重要，如在与液体雾化有关的韦伯数下，近反对称模式始终占主导地位。

文献[8]对非牛顿环形液体射流的线性不稳定性模式进行研究，发现对于无应力状态，通过正式引入增长率依赖粘度，可以从牛顿关系中简单获得相应的色散关系，避免直接推导所隐含的繁琐代数，通过连续的计算得到了环形射流不稳定模式最大增长率范围。

文献[9]考虑了液体粘度对静止气体环境中环形液膜线性稳定性的影响，发现了自然曲率的存在使表面张力非常特殊，并导出了一个无量纲数D来解释液体粘度的稳定影响。

文献[10]应用线性稳定性分析方法对空心圆柱射流展开研究，发现射流的扰动发展与四个无量纲参数Re、We、Q、Ah（半径与液膜厚度比）紧密相关。用无量纲数Je=We/Q来表征射流形态，当Je大于1时（分裂状态），表面张力增大促进扰动的发展，加速射流的分裂。当Je小于1时，表面张力阻碍扰动的发展，进而阻碍射流的破裂。

文献[11]对旋转粘性环状液膜在无粘性气体作用下进行了时间模式下的稳定性分析，推导出了旋转粘性环状液膜的无量纲色散关系式，发现随着液体粘度和液体速度的降低，表面波最大增长率都增大，碎裂长度变短，液滴变小。

文献[12-14]利用线性不稳定理论分析了气体旋转运动对类反对称模式下环状液膜射流的碎裂过程，结果发现，外气体介质的旋转运动是环状液膜趋于稳定，内气体介质的旋转运动增加环状液膜的不稳定性，旋转运动加强时，碎裂模式迅速发生变化，且内气体介质对液膜的不稳定性起决定性作用。

文献[15]基于空间模式对环状液膜界面失稳机理进行了三维非线性稳定性分析，发现气体流动对环状液膜的不稳定性有很大的影响。当气液速度差较小时，液膜碎裂受到抑制，碎裂长度变长。气液速度差较大时，碎裂长度变短，气体速度越大，液膜越不稳定。还发现一阶和二阶最大扰动增长率随着气液速度差和液膜曲率的增大而增大，环状液膜的内外剪切作用是环状液膜不稳定的根源。

文献[16]使用粘性势流理论（Viscous Pressure Forming, VPF）研究环状流在毛细管中的不稳定性，并主要分析了层流速度状态下的环形射流的不稳定性。利用切比雪夫配点法和边界技术，推导出了色散关系式。VPF是基于速度矢量场无旋性假设的简化流动模型，在小韦伯数和小雷诺数下，基于VPF建立的模型可以准确预测环形射流的不稳定性和影响不稳定性的临界参数。

文献[17]基于时间模式运用线性不稳定理论研究了热质传递对环状液膜在气体介质中轴向运动的影响，得到了色散关系式。其研究发现，热质在小波数下，促进波的增长速率，并在零波数下达到最大。当波数大于1.15时，增加液体韦伯数，会增加环状液膜的不稳定性；波数小于1.15时，增大液体韦伯数，则抑制液膜的不稳定性。在较强的传热传质条件下，当波数大于0.28时，增大气液密度比，由于内部气体的扰动作用，会增加表面波的最大增长率，增加液膜的不稳定性；当波数小于0.28时，增大气液密度比，则抑制液膜的不稳定性。在较大的液体韦伯数下，内部气体扰动对波增长率的促进作用最大，在环向液膜失稳过程中，内界面起主导作用。

文献[18]对同轴旋流喷嘴的雾化过程进行了研究，建立了K-H和R-T两阶段的理论碎裂模型来预测环状液膜喷雾场的索特平均直径（Sauter Mean Diamter, SMD），结果表明，其理论模型与以往的实验数据高度吻合，说明了该理论模型的有效性。随后也研究了流体物理性质和流动参数对液滴SMD的影响，结果发现，气体粘度和压缩性对同轴旋流喷嘴的SMD影响较小，当液体密度增加时，SMD增大，当气体密度增加时，SMD减小。SMD随着表面张力的增加而增加。随着半锥角的增大，SMD先增大后减小，通过预测碎裂模型可以得到最佳喷雾锥角。

3 环状射流的实验研究

文献[19]对旋转雾化器的喷嘴进行了射流初次碎裂动力学和喷雾特性的实验研究。采用了脉冲背光照明的高分辨率阴影成像技术对喷雾可视化观察。研究结果发现了瑞利模式、袋状模式、拉伸碎裂模式以及剪切碎裂模式四种射流碎裂模式。而后又使用Particle Droplet Image Analysis（PDIA）技术进行了雾滴尺寸测量，发现液体韦伯数对SMD值有较大的影响。

文献[20]通过实验研究了射流中表面活性剂液滴的剪切破碎和射流中的过渡韦伯数，研究结果表明，表面活性剂的浓度对液膜的碎裂有着重要的影响（影响表面张力），并得到过渡韦伯数的预测表达式。

文献[21]对航空燃气轮机的压力旋流喷嘴展开研究，重点研究了在燃油温度变化的条件下，粘度对液膜厚度和碎裂长度的影响。通过实验测量质量流量、流量系数（d）、喷雾锥角等参数，结果发现，随着温度的降低，燃料的粘度会增大，局部液滴不均匀分布，喷雾锥角增大，会导致液膜厚度变大，两次碎裂的碎裂长度变长，雾化质量变差。在考虑粘度影响的条件下，推导出一个新的预测碎裂长度的表达式为

文献[22]采用平行电导探针测量了旋转环形流的液膜厚度，对垂直向下旋转环形流和直流之间液膜的差异进行了研究。通过理论分析建立了预测液膜厚度的数学模型，其数学模型采用相关数据点有93.2%，在10%误差范围内，说明其预测模型有良好的数学精度。

文献[23]采用一种新型的非入侵式多层电导传感器，测量了垂直向上和倾斜向上环状流管壁内的瞬时液膜厚度。研究了垂直和倾斜管道中同向上升气水环状流的波浪状界面结构，并对液膜表面波实现三维重建。发现了扩散波、扰动波以及失稳波三种类型的界面波。对于较大的液体流速，扰动波对界面起主要的控制作用。对于较低的液速，方位角和倾角对界面结构起主导作用。界面波形图是这些角度的函数。

文献[24]采用相位多普勒风速仪测量多个径向位置的液滴尺寸和速度，研究了垂直气液两相环形流，得出液滴流速、尺寸、速度和动量的径向演化特征。结果表明，随着夹带液滴从液膜-气芯交界面向中心轴线移动，液滴的数目逐渐减小，这是由于液滴聚合作用大于液滴碎裂，表明气核内液滴的径向演化是影响气液交界面特性的关键因素。

文献[25]研究了低中心射流雷诺数下环空脉动对双同心射流流动特性和混合特性的影响。使用激光光片可视化的方法观察到射流的长曝光图像和条纹图像，并通过粒子测速成像仪测量了速度特性、湍流强度分布、涡度轮廓和射流扩散宽度等参数。结果发现，当环形液膜射流收到脉动冲击时，环状射流会向中心轴线上汇合，流场中的湍流强度增加，中心射流分散到环形射流中，射流之间的混合能力增强。喷射效率和雾化质量得到提高。

文献[26]通过向液相中加入少量1-丁醇改变垂直环形液膜射流水的表面张力（不改变液体动力粘度），对环状液膜射流的表面波和液膜厚度进行了实验研究。测量了表面波的平均振幅、频率和液膜厚度。分析了表面张力对气液两相流中速度及其他物理量的影响。

文献[27]研究了绝热条件下气液环形液膜扰动波的特性。利用亮度的激光诱导荧光技术（Brightness-Based Laser-Induced Fluorescence, BBLIF）对下游过程中单个扰动波的特性和聚集过程进行了重点研究。结果显示，扰动波在入口下方150 mm～200 mm的距离处稳定，扰动波速率呈现先增大后减缓的趋势，其研究还表明，当一个扰动波吸收另一个扰动波时，其速度会增加2%，振幅增加5%～6%，纵向尺寸保持不变。

文献[28]利用激光诱导荧光（Laser-Induced Fluoresence, LIF）和共焦色度传感器（Confocal Chroma Sensor, CCS）对加热管中环形流动的对流沸腾传热进行了实验研究，得到了管内液体薄膜动力学和不稳定性。结果发现，传热系数随着液体表观速度的增加而增加，随着蒸汽表观速度的增加而减小。蒸汽表观速度是影响基底膜厚度和波幅的主要因素。蒸汽表观速度的增大和液体速度的减小会使液膜厚度和波幅均减小。

4 环状射流的仿真研究

文献[29]通过使用流体几何体积法（Volume Of Fluid, VOF）和有界压缩格式，采用大规模网格计算方式对环形液膜的失稳性和液膜的初次碎裂进行了模拟仿真研究。结果发现，进入的流体头部最先受到冲击和扰动，从而引起气液两相之间剪切力以及之间的相互碰撞，从而增强了液膜的不稳定性，促进了液膜的雾化进程。

文献[30]采用计算流体力学中的两相流大涡模拟（Large Eddy Simulations, LES）和VOF等方法对大型压力旋流雾化器在高粘度流体流动时液膜内部流动和喷嘴的不稳定性进行了研究。其研究结果发现，当液体雷诺数在420时，由于喷嘴出口处速度分布不均，液膜喷雾呈S型；当液体雷诺数大于420且小于830时，液膜为混合型液膜。当液体雷诺数大于1 660时，形成空心锥型液膜。还发现了增加液体雷诺数会使喷嘴附近液体的质量流量分布更均匀。

文献[31]使用Smagorinsky亚网格模型的LES对同轴环形气流对高粘性液体射流的初始破碎进行了模拟研究。结果表明，在破碎频率、速度场和形态记录方面与使用高速相机以及粒子图像测速法（Particle Image Velocimetry, PIV）和激光多普勒测速技术（Laser Doppler Anemometry, LDA）系统对射流破碎的研究结果高度吻合。

文献[32]等利用LES、傅里叶高阶代码、高阶差分形式和压力-速度耦合方法对环形无旋射流进行了仿真模拟研究。重点研究了不同的雷诺数和内部剪切层厚度，并发现这两个参数对流动动力学的影响，随着内剪切层厚度和雷诺数的增加，射流的逆流强度得到增强。

5 结论

综上所述，环状液膜射流雾化和碎裂机理一直是当今喷雾学研究的重点内容之一。

理论研究方面，随着环状液膜碎裂研究的逐步发展，从液体的无粘性到有粘性，气体的不可压缩性到可压缩性，从最初的基于时间模式到空间模式再到现在的时空模式，从线性稳定性理论到非线性稳定性理论，都对环状液膜射流的发展有着一定的支持。

实验研究方面，实验中所用到的仪器精密度越来越高，可以测量的物理量也越来越多，从高速摄影法到激光诱导荧光法再到粒子成像法，从平行电导探针到非入侵式多层电导传感器到相位多普勒风速仪等在一定条件下对环状射流碎裂机理进行了阐述。

数值模拟方面，射流碎裂的模拟采用VOF、LES、Open FOAM等采用高阶代码等方法对射流进行仿真研究，仿真的模型更能体现真实情况，仿真的精确度进一步提高。

影响环形液膜射流碎裂的因素有很多，如气液速度比、液流韦伯数、液流雷诺数、气液密度比、气流马赫数、喷嘴含气率、表面张力、空气动力等。前人对此进行了一定量的研究。但在大液流韦伯数下，对液膜射流碎裂的影响包括支配表面波数，表面波增长率等研究的较少，在流体流动径向方向上也是研究的重点之一。实验研究只针对某单一现象，有一定的局限性，丰富对环状射流的研究方法，实验、理论、仿真三者结合的方式相辅相成，从而提高实验的精确性。

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Research Progress of Annular Liquid Film Jet Atomization

SHI Haozhe1, HU Dong2

( 1.School of Energy and Electrical Engineering, Chang'an University, Xi'an 710064, China;2.Dongfeng Motor Corporation Technology Center, Wuhan 430199, China )

Spraying is widely used in many fields such as agriculture, aerospace, engine, medical and so on. Good liquid film atomization plays a vital role in reducing energy loss, among which annular jet has the characteristics of short fragmentation length and high atomization quality with its unique structure, so this paper elaborates the research status of annular liquid film jet fragmentation from three perspectives: theoretical research, experimental research and simulation analysis. The focus is on the mechanism of liquid film fragmentation, and the main factors affecting the liquid film fragmentation are summarized in the relevant analysis. The results show that linear stability analysis theory and nonlinear stability analysis theory are still the basis of theoretical analysis, large eddy simulation (LES) and volume of fluid (VOF)method are the more applied research methods of numerical simulation, liquid viscosity, Weber number, liquid surface tension, etc. have a greater influence on annular jet atomization. However, the study of atomization quality under large liquid Weber number is still relatively small, increasing the choice of operating point and increasing the mutual verification between simulation and experiment, which is one of the important difficulties in the future research and development of the annular jet.

Spray; Annular jet; Fragmentation mechanism; Weber number;Liquid film atomization

U473

A

1671-7988(2022)23-238-06

U473

A

1671-7988(2022)23-238-06

10.16638/j.cnki.1671-7988.2022.023.044

师浩哲（1997—），男，硕士研究生，研究方向为动力装置内部流动，E-mail:shihaozhe1007@126.com。