劉 剛，劉伍權(quán)，許 翔，劉瑞林，董素榮，周廣猛，汪 洋

（1.軍事交通學(xué)院 軍用車輛系，天津 300161；2.清華大學(xué) 汽車工程系，汽車安全與節(jié)能國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100084；3.天津大學(xué) 內(nèi)燃機(jī)燃燒學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300072）

0 引 言

噴霧過程是利用壓力將液體通過噴嘴噴射進(jìn)入氣體介質(zhì)中，使之分散并破碎成小顆粒液滴的復(fù)雜力學(xué)過程［1－2］。噴射液體的破碎霧化過程主要分為圓形射流（簡稱圓射流）和液膜射流兩種形式［1，3－6］。

湍流是自然界中普遍存在的流體運(yùn)動形式，是在高速流動（大雷諾數(shù)）的情況下產(chǎn)生的一種不定常的流體運(yùn)動［7］。湍流的基本特性在于其隨機(jī)產(chǎn)生的渦旋結(jié)構(gòu)，以及這些渦旋在流體內(nèi)部的隨機(jī)運(yùn)動。由于不規(guī)則性和隨機(jī)性是其最主要的特征，因此常用統(tǒng)計學(xué)的方法定義湍流特性參數(shù)。這些參數(shù)主要包括湍流強(qiáng)度和湍流尺度。湍流強(qiáng)度是表征流場中質(zhì)點(diǎn)速度變化強(qiáng)度的參數(shù)，分為空間和時間兩種湍流強(qiáng)度。湍流尺度［8］是表征湍流場中存在的渦旋運(yùn)動尺寸大小的特征值，按定義和研究角度的不同分為普朗特混合尺度（lm）、湍流積分尺度（lx）、泰勒微尺度（λ）以及科爾姆格羅夫微尺度（η）。由于湍流積分尺度能夠近似反映湍流流場總體旋渦的平均尺度，且計算原理較直觀，在流場分析中應(yīng)用廣泛。

目前，學(xué)界針對圓射流和液膜射流的霧化流場湍流特性的測量和分析鮮見發(fā)表，筆者曾經(jīng)對兩種射流在不同噴射脈寬下的破碎霧化機(jī)理進(jìn)行了試驗(yàn)研究［9］。本文利用 PIV 技術(shù)［10－11］對分屬于液膜射流和圓射流的渦旋噴嘴和雙孔噴嘴的射流霧化流場的空間湍流強(qiáng)度和湍流積分尺度演化過程進(jìn)行測量和分析，為進(jìn)一步研究兩種射流的霧化湍流演化特征提供試驗(yàn)依據(jù)。

1 試驗(yàn)裝置及方法

1.1 試驗(yàn)裝置

圖1所示的試驗(yàn)裝置分為油路系統(tǒng)，單片機(jī)控制系統(tǒng)，上位機(jī)以及PIV系統(tǒng)四個部分，噴霧環(huán)境為室溫常壓環(huán)境。所用PIV系統(tǒng)［11］為德國LaVision公司的產(chǎn)品，分析處理軟件為Davis6.2，對示蹤粒子直徑要求為1μm～20μm。由于柴油噴霧的索特平均直徑約為20μm～40μm［12］，而汽油相比柴油具有更小的運(yùn)動粘度和良好的揮發(fā)性，理論上具有更小的噴霧索特平均直徑。因此，通過對PIV系統(tǒng)參數(shù)優(yōu)化調(diào)整，在試驗(yàn)設(shè)定的噴射壓力下霧化汽油粒子的平均直徑可以基本滿足PIV測量對示蹤粒子粒徑的要求［9］。

圖1 試驗(yàn)裝置示意圖Fig.1 Sketch of the experimental facilities

噴霧系統(tǒng)由盛有汽油的封閉容器、浸入其中的直流電動油泵、塑料密封管路、壓力表以及水平固定在同一豎直支架上的兩個噴油器組成。支架上部為渦旋噴孔噴油器，下部為雙噴孔噴油器。兩個噴油器都布置在支架中心線上，支架豎直中心線與地面垂直且經(jīng)過兩噴油器的噴孔中心，兩噴油器的幾何中心線相距65mm。噴霧裝置參數(shù)見表1所示。

表1 噴霧裝置參數(shù)Table 1 The parameters of spray facilities

1.2 湍流強(qiáng)度和湍流積分尺度的測量計算原理［7］

噴霧測量時設(shè)定噴射壓力恒定，考慮到在室內(nèi)常溫常壓環(huán)境下進(jìn)行噴射，環(huán)境干擾小，只要兩次噴射之間的時間間隔足夠大，噴射的重復(fù)性就會較好［9］，故可選擇在同一測量延遲脈沖下采集的樣本數(shù)n較少，本文取n＝50次。

空間湍流強(qiáng)度（I）是流場中任意一點(diǎn)的多樣本速度脈動分量的均方根值，定義如式（1）。

將空間湍流強(qiáng)度值與多樣本算術(shù)平均速度值相除就可得到該點(diǎn)的相對湍流強(qiáng)度值。

湍流積分尺度（ILS）是流場中相鄰兩點(diǎn)脈動速度的相關(guān)系數(shù)相對兩點(diǎn)間可變距離的積分值。

由于按照定義直接在平面內(nèi)計算二維流場的湍流積分尺度存在一定困難，而經(jīng)PIV測量和處理得到空間各點(diǎn)的速度原始數(shù)據(jù)均為x方向和y方向兩個分量值，故可以將每個空間中各點(diǎn)的湍流積分尺度（ILS）分解為4個一維分量［13］進(jìn)行計算，即Lxx、Lyx、Lxy、Lyy，其中第一個下角標(biāo)代表被積分質(zhì)點(diǎn)的速度分量的方向，第二個角標(biāo)代表積分的方向。以Lxy為例，計算方法見式（3）所示，其他分量同理可得。

式（3）中積分上限Δymax是y軸方向上首次使相關(guān)系數(shù)Rx為0的幾何尺寸，相關(guān)系數(shù)的定義見式（4）。

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

調(diào)整并設(shè)定噴射壓力為0.32MPa，噴射脈寬為4ms，對兩噴油器噴射過程在同一幅圖片中進(jìn)行測量和分析，其中上部的射流為渦旋噴孔射流，下部的為雙孔噴孔射流。圖2、圖3和圖4為噴射后1.5ms、4.0ms、8.0ms時對應(yīng)的射流照片、射流速度云圖、射流相對湍流強(qiáng)度云圖。

對圖2和圖3進(jìn)行分析得知：噴霧過程中，渦旋射流的油錐前鋒以及外緣部分的油膜破碎均勻且霧化效果較好，而雙孔射流的霧化油滴粒子都集中分布在噴射中心線上，且油膜連接比較完整，霧化效果相對較差。同時，渦旋射流霧化粒子的速度分布比較膨脹和發(fā)散，而雙孔射流的霧化粒子集中分布在中心線上（與濃度分布規(guī)律一致）；另外，相同時刻，雙孔射流霧化粒子速度絕對值的最大值均明顯大于渦旋噴孔。以上現(xiàn)象主要與渦旋射流和雙孔射流所受空氣阻力而振動、破碎的作用方式不同有關(guān)；渦旋射流主要依靠噴孔周圍的切向狹縫形成切向速度分量，與空氣充分撞擊和攪拌來完成霧化，而雙孔射流則依靠實(shí)心液柱在高速飛行中表面與空氣摩擦形成的振動波來實(shí)現(xiàn)破碎和霧化［9］。

圖2 渦旋和雙噴孔射流過程照片F(xiàn)ig.2 The photographs of the spray process of the swirl injector and the double－jet injector

圖3 渦旋和雙噴孔射流速度云圖Fig.3 The speed－field nephograms of the spray process of the swirl injector and the double－jet injector

圖4 渦旋和雙噴孔射流相對湍流強(qiáng)度云圖Fig.4 The relative turbulent－intensity nephograms of the spray process of the swirl injector and the double－jet injector

對圖4反映的有關(guān)射流流場空間相對湍流強(qiáng)度分布情況進(jìn)行分析［12］，具體過程為：

1.5 ms時，兩噴嘴剛射出部分液柱，并且液柱的水平動量很大，來不及進(jìn)行破碎和霧化，所以計算得到空間湍流強(qiáng)度分布幾乎為零。

4ms時，噴射脈寬恰好結(jié)束，兩射流均獲得了最大噴射動量和能量；從速度分布圖3可以發(fā)現(xiàn)，霧化后的高速粒子基本上分布在射流的前鋒或中心線區(qū)域，水平動量很大，射流周圍空氣的振動和卷吸作用對于高速運(yùn)動的霧化粒子作用尚不明顯，所以這些區(qū)域空間湍流強(qiáng)度值依舊不高；相反，在兩射流霧化粒子速度值較低的區(qū)域，由于粒子運(yùn)動速度相對較低，更易受到空氣阻力的影響，所以其湍流強(qiáng)度值稍大。

8ms時，兩股射流已經(jīng)完全脫離噴嘴并依靠慣性自由飛行了4ms。經(jīng)過與空氣之間混合和摩擦作用，除了前鋒或中心線等部分區(qū)域上存在速度較高的粒子外，渦旋射流的非前鋒區(qū)域，雙孔射流的非前鋒和非中心線區(qū)域的霧化粒子由于受空氣的摩擦和擾動作用均較顯著，導(dǎo)致這些區(qū)域的空間相對湍流強(qiáng)度值較大，甚至出現(xiàn)了湍流強(qiáng)度值很高的若干區(qū)域。造成這種現(xiàn)象的原因［12］是因?yàn)檫@些區(qū)域的霧化粒子在整個射流過程中經(jīng)過與空氣充分混合和摩擦，水平動能已經(jīng)最大程度地轉(zhuǎn)換為湍流能量。

圖5為處理得到的兩種射流過程噴霧流場的ILS分布云圖。如前所述，將射流開始后1.5ms、4.0ms和8.0ms時的ILS值分解為Lxx、Lyx、Lxy、Lyy四個分量的分布圖進(jìn)行分析。圖5中，流場中相應(yīng)區(qū)域的湍流積分尺度值的大小是通過顏色亮度值表示的，亮度值越大的區(qū)域表明該區(qū)域的積分尺度值越大。

對圖5分析可知，射流流場的湍流積分尺度變化過程如下：

圖5 4ms噴射脈寬下渦旋和雙噴孔射流過程湍流積分尺度分布圖Fig.5 The distribution maps of the ILS at the inject pulse of 4ms for the swirl injector and the double－jet injector

1.5ms時，在Lxx分布圖中，渦旋射流流場中心區(qū)域的湍流積分尺度值明顯高于其他3幅圖，達(dá)到6mm的量級，說明該區(qū)域霧化粒子x方向速度分量沿水平x方向相關(guān)系數(shù)的積分值很大，可能出現(xiàn)較大尺度的渦旋運(yùn)動。而其他3幅圖中，不論從值的大小和分布形狀上看，渦旋射流和雙孔射流的湍流積分尺度分布情況都差別不大。

4ms時，在Lxx分布圖中，渦旋射流流場靠近噴嘴的中心區(qū)域繼續(xù)出現(xiàn)了較大的湍流積分尺度值分布，達(dá)到了7mm的量級，而雙孔射流流場中也出現(xiàn)了積分尺度值較高的區(qū)域，但數(shù)量很少且離散分布在射流前鋒或邊緣區(qū)域。在其他3幅圖中，渦旋射流與雙孔射流的湍流積分尺度值大小及分布情況則基本一致；同時，Lyx以及Lxy兩圖中積湍流積分尺度值大小明顯小于Lxx和Lyy，原因可能是當(dāng)速度分量方向和積分方向不一致時，相關(guān)性較差［13］，流場中形成較大的湍流積分尺度的可能性較小。

8ms時，由于兩股射流與空氣之間經(jīng)過充分作用，霧化比較充分，故4個湍流積分尺度分量都已經(jīng)連續(xù)地充滿了整個流場空間；同時，渦旋射流流場湍流積分尺度的膨脹和發(fā)散程度明顯強(qiáng)于雙孔射流，這與渦旋射流和雙孔射流的霧化特征相吻合［9］；同時，Lxx和Lyy兩圖湍流積分尺度分布情況基本相似，而Lyx和Lxy兩圖分布情況則相差較大，具體表現(xiàn)為：Lyx圖中湍流積分尺度值比其他3幅圖都小且在空間分布上也比較離散，而Lxy圖中湍流積分尺度值明顯大于其他3幅圖，平均值在3mm左右，在雙孔射流中心區(qū)域甚至出現(xiàn)了5mm的區(qū)域；這一現(xiàn)象可應(yīng)用普朗特混合長度理論［14］進(jìn)行解釋，即當(dāng)射流的霧化粒子沿水平x方向的速度分量增加到了一定數(shù)值后將在y方向受到強(qiáng)烈的附加切應(yīng)力而產(chǎn)生振動，所以，Lxy圖中對應(yīng)的湍流積分尺度值明顯高于該時刻其他3幅圖中的相應(yīng)值。

另外，在1.5ms、4ms、8ms3個不同時刻，Lyx分布圖上湍流積分尺度值均小于相同時刻其他3個分布圖，且分布的不連續(xù)性明顯；造成這一現(xiàn)象的原因是，在整個射流過程中噴霧流場x方向的速度分量遠(yuǎn)大于豎直方向的速度，所以根據(jù)積分尺度計算原理［13］，Lyx值對應(yīng)的相關(guān)系數(shù)也應(yīng)小于其他3個分量。

3 結(jié) 論

利用PIV技術(shù)對分別屬于液膜射流和圓射流模型的渦旋噴嘴和雙孔噴嘴的霧化流場湍流演化過程進(jìn)行測量和分析，得到如下結(jié)論：

（1）兩股射流流場的空間相對湍流強(qiáng)度分布比速度分布發(fā)散，且集中分布在上下邊緣和根部區(qū)域；隨著噴射時間的增加，射流流場中湍流強(qiáng)度值逐漸增大，且主要分布在渦旋射流的非前鋒區(qū)域以及雙孔射流的非前鋒和非中心線區(qū)域。

（2）為方便計算分析，將射流流場的湍流積分尺度分解為Lxx、Lxy、Lyx和Lyy4個分量的空間分布。1.5ms和4ms時，在Lxx分布圖中，渦旋射流中心區(qū)域的湍流積分尺度值較大，分別達(dá)到約6mm和7mm的量級，而在其他3幅圖中，渦旋射流和雙孔射流的湍流積分尺度值分布都差別不大；8ms時，4個分量分布圖中渦旋射流湍流積分尺度分布的發(fā)散程度明顯強(qiáng)于雙孔射流，Lyx圖中湍流積分尺度值小于其他3幅圖，且在空間分布上也比較離散，而Lxy圖中湍流積分尺度值的大小和分布情況則正好相反；在整個射流過程中，Lyx分布圖中湍流積分尺度值均小于另外3個分量，且分布的不連續(xù)性明顯。

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