王 輝， 曹 偉， 張 帥， 郭永軍， 楊 琦， 吳少華

(哈爾濱工業(yè)大學(xué) 能源科學(xué)與工程學(xué)院 燃燒工程研究所， 哈爾濱 150001)

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雙股射流碰撞霧化特征實(shí)驗(yàn)

王 輝， 曹 偉， 張 帥， 郭永軍， 楊 琦， 吳少華

(哈爾濱工業(yè)大學(xué) 能源科學(xué)與工程學(xué)院 燃燒工程研究所， 哈爾濱 150001)

為改善雙股射流碰撞霧化器的霧化性能，基于自行搭建的射流碰撞霧化實(shí)驗(yàn)臺，采用CCD拍攝技術(shù)，研究射流速度、碰撞角度、噴嘴出口內(nèi)徑和黏度對霧化特征的影響.結(jié)果表明：隨著射流韋伯?dāng)?shù)和碰撞角度的增大，噴霧角增大，液滴的索太爾平均直徑(SMD)減小，且液滴分布更加均勻；噴嘴內(nèi)徑較小時形成的液膜厚度較薄，穩(wěn)定性差，噴霧角較小，在所研究的范圍內(nèi)，液滴的平均直徑不受噴嘴內(nèi)徑的影響；液體黏度越大，液膜越穩(wěn)定不易破碎，液膜尺寸越大，噴霧角越小，液滴的平均粒徑越大；在韋伯?dāng)?shù)較小時，差異明顯，而在較高的韋伯?dāng)?shù)條件下，差距較小.在進(jìn)行40%濃度甘油溶液霧化實(shí)驗(yàn)時，觀察到了液膜翻轉(zhuǎn)現(xiàn)象，從碰撞點(diǎn)往下出現(xiàn)連續(xù)多個相互垂直的液膜.因此，增大射流速度、碰撞角度，減小液體黏度，有助于改善霧化性能.

射流碰撞；韋伯?dāng)?shù)；碰撞角；黏度；霧化特征

對于發(fā)動機(jī)而言，霧化質(zhì)量的優(yōu)劣能夠影響點(diǎn)火、燃燒效率、火焰穩(wěn)定性等，因此，對霧化特征的理解和控制是發(fā)動機(jī)燃燒系統(tǒng)設(shè)計(jì)和優(yōu)化的前提.射流碰撞霧化器由于結(jié)構(gòu)簡單，易于制造和維修，并且在不同噴注壓力下都能具有良好的霧化和混合特點(diǎn)，所以在液體火箭發(fā)動機(jī)上得到了廣泛地應(yīng)用.例如，阿波羅登月計(jì)劃所采用的F-1發(fā)動機(jī)，其主燃燒室采用的就是射流碰撞霧化器[1]，除此之外，射流碰撞霧化器還應(yīng)用在了H-1、Titan、XLR-132等型號的液體火箭發(fā)動機(jī)上[2].

自Savart在1833年觀察到兩股相同的同軸射流碰撞產(chǎn)生的液膜破碎形成液滴之后，研究者們便對射流碰撞進(jìn)行了廣泛而深入的研究[3].在液膜特征方面，Ma等[4]和Chen等[5]通過數(shù)值模擬研究了雙股射流碰撞霧化，發(fā)現(xiàn)液膜是由于表面波紋受氣動力放大的影響而破裂，主要受液體黏度和表面張力的作用.Dombrowski等[6]在研究液膜破碎機(jī)制過程中進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)，當(dāng)韋伯?dāng)?shù)大于某一臨界值時，液膜上才能夠出現(xiàn)碰撞波紋.Heidmann等[7]指出了射流速度、碰撞角在雙股射流碰撞霧化過程中的重要性，將液膜破碎劃分為封閉邊緣、邊緣有液滴灑落、開放邊緣、完全破碎4類.Choo等[8]發(fā)現(xiàn)碰撞角增大、噴嘴內(nèi)徑減小時，能夠產(chǎn)生更薄的液膜.張蒙正等[9]采用激光全息和圖像處理技術(shù)，發(fā)現(xiàn)凝膠推進(jìn)劑相對于水更難霧化，是由于其表面張力和黏性力較大.Bai等[10]發(fā)現(xiàn),對于黏度較大的液體，液膜長度更大，噴霧角卻更小.Fu等[11]發(fā)現(xiàn)，在相同壓降條件下，矩形噴嘴和橢圓形噴嘴產(chǎn)生的液膜相對于圓形噴嘴產(chǎn)生的液膜更加不穩(wěn)定.在霧化后液滴特征方面：Sun等[12]發(fā)現(xiàn)液滴索太爾平均直徑隨噴嘴壓降增大而減小，而均勻度指數(shù)隨噴嘴壓降增大而增大.高繼慧等[13]利用數(shù)值模擬分析了各因素對霧化液滴粒徑的影響，得到了壓力噴嘴下游流場內(nèi)液滴粒徑和速度空間分布.Lai等[14]首先通過攝影圖像技術(shù)研究了水的射流碰撞霧化，發(fā)現(xiàn)較大黏度和表面張力的液體對應(yīng)的液滴尺寸都相對較大.Chen等[15]利用時間分辨粒子圖像測速研究了撞擊角度和射流壓差對凝膠推進(jìn)劑霧化后液滴速度的影響，結(jié)果表明：霧化液滴速度對于撞擊軸線呈單峰對稱分布，距離撞擊點(diǎn)越遠(yuǎn)，霧化液滴速度越小且分布越均勻，增大撞擊角和增大射流壓差都可提高凝膠推進(jìn)劑有效撞擊速度.

雖然前人對于撞擊式射流的破碎模式、霧化效果等方面取得了很多研究成果，然而仍缺乏一些條件下黏度、射流速度、碰撞角度等因素對噴霧角、液滴粒徑及分布的具體影響的詳細(xì)信息，且采取的測試手段、分析手段及得出的結(jié)果也不盡相同.

本文基于自主搭建的射流碰撞霧化實(shí)驗(yàn)臺，采用CCD高清拍攝技術(shù)，對去離子水及不同濃度的甘油溶液的雙股射流碰撞的霧化特征及粒度特征進(jìn)行記錄測量，以探究射流速度、碰撞角度、黏度等因素的影響，獲得對碰撞射流系統(tǒng)更加深入的理解，從而指導(dǎo)液體火箭發(fā)動機(jī)噴嘴的優(yōu)化設(shè)計(jì)，提高燃燒效率.

1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)及方法

圖1為射流碰撞霧化系統(tǒng)示意圖，主要包括壓力-流量調(diào)節(jié)系統(tǒng)、儲液系統(tǒng)、壓力測量系統(tǒng)、方位調(diào)節(jié)噴射系統(tǒng)4部分.實(shí)驗(yàn)采用高壓氮?dú)庾鳛轵?qū)動力，經(jīng)過壓力調(diào)節(jié)系統(tǒng)作用在儲液系統(tǒng)中的實(shí)驗(yàn)工質(zhì)上，使工質(zhì)流經(jīng)流量調(diào)節(jié)系統(tǒng)和方位調(diào)節(jié)噴射系統(tǒng)，以一定的射流速度、碰撞角度和噴射直徑進(jìn)行碰撞，得到噴霧場.

圖1 射流碰撞霧化實(shí)驗(yàn)臺系統(tǒng)

射流碰撞霧化的測量記錄采用美國TSI公司生產(chǎn)的CCD拍照系統(tǒng)，其由計(jì)算機(jī)、CCD相機(jī)、同步器、標(biāo)定及坐標(biāo)架系統(tǒng)構(gòu)成，可以完全滿足噴霧場的測量需要.根據(jù)測量條件，分辨率為2 048×2 048，同步器根據(jù)設(shè)定的延遲時間、間隔時間對信號進(jìn)行同步，實(shí)現(xiàn)CCD相機(jī)的拍照.實(shí)驗(yàn)前需要調(diào)焦獲得清晰圖像后進(jìn)行標(biāo)定.實(shí)驗(yàn)得到的圖像通過IPP6.0軟件進(jìn)行處理，得到噴霧角和液滴粒徑.IPP6.0軟件支持彩色圖像和多閾值測量，利用對象的顏色特征將其從背景中分離出來，并對對象進(jìn)行計(jì)數(shù)和屬性測量.利用此軟件，能夠快速、自動地對噴霧場的液滴進(jìn)行識別并測量平均粒徑，對像素模糊點(diǎn)還可以采取手動模式進(jìn)行修正.圖2為利用IPP6.0處理液滴粒徑和噴霧角的方法與步驟.由于液滴具有三維結(jié)構(gòu)，而CCD相機(jī)拍攝是二維測量，對于單個非球形液滴來說，不能夠準(zhǔn)確描述其粒徑及形態(tài).在統(tǒng)計(jì)測量液滴時，通過選取大量液滴來抵消其中產(chǎn)生的誤差.同一工況下，通過連拍20張照片，每張照片在同一位置自動識別15個液滴，取平均值計(jì)算得到索太爾平均直徑.經(jīng)過重復(fù)實(shí)驗(yàn)比較，誤差較小，在可接受范圍內(nèi).

實(shí)驗(yàn)采用控制變量法，分別研究射流速度、碰撞角度、噴嘴內(nèi)徑、黏度對霧化質(zhì)量的影響，衡量指標(biāo)為液滴粒徑、霧化均勻度、噴霧角等，所處的環(huán)境溫度都為20 ℃，壓力為常壓.在研究黏度的影響時，實(shí)驗(yàn)組為20%、30%、40%體積分?jǐn)?shù)的甘油溶液，相關(guān)的物理參數(shù)見表1，對照組為去離子水，其他實(shí)驗(yàn)以去離子水為工質(zhì).噴嘴出口內(nèi)徑D分別為0.67、0.86、1.07 mm，噴嘴長徑比都為10以上，使得液體在內(nèi)部流動時能夠充分發(fā)展.為了保證兩股射流的對稱性，實(shí)驗(yàn)之前對射流速度進(jìn)行了標(biāo)定，發(fā)現(xiàn)最大誤差不超過5%，所以，可以認(rèn)為左右兩股射流在流速上符合對稱的要求.

圖2 圖像處理方法

表1 甘油溶液的物理參數(shù)

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 碰撞射流的液膜及破碎特征

圖3為不同射流韋伯?dāng)?shù)下去離子水碰撞射流的噴霧結(jié)構(gòu).可以看出，隨著韋伯?dāng)?shù)增加，雙股射流碰撞后形成的液膜在破碎模式上存在較大的差異.圖3(a)為左右兩股射流碰撞之后形成的液膜具有規(guī)則封閉邊緣，并且液膜的邊緣相對較厚，液滴沒有在邊緣脫落，而是全部在液膜下方滴落，不存在張角，液膜表面存在波動，伊吉明等[16]認(rèn)為是由沖擊波造成的.Dombrowski等[6]發(fā)現(xiàn)液膜出現(xiàn)波紋時韋伯?dāng)?shù)臨界值介于66～165，本文實(shí)驗(yàn)在韋伯?dāng)?shù)為39時就觀察到波紋的出現(xiàn)，存在差異的原因可能在于本文實(shí)驗(yàn)采用的液體為去離子水，Dombrowski等所采用的水經(jīng)過染色，使得水的特性有微小的差異.圖3(b)同樣是封閉邊緣，但此時液膜底部兩側(cè)開始出現(xiàn)液絲，由于液體的表面張力作用，液絲出現(xiàn)斷裂，形成液滴.圖3(c)顯示液滴數(shù)量繼續(xù)增加，并且液滴開始向兩側(cè)發(fā)展，出現(xiàn)噴霧角.因此，當(dāng)韋伯?dāng)?shù)較小時，液膜都有著較為完整而規(guī)則的邊緣，并且液膜大小隨著韋伯?dāng)?shù)逐漸增大.圖3(d)的液膜邊緣開始出現(xiàn)破裂，變得不再連續(xù)而規(guī)則，并且液膜表面出現(xiàn)明顯的表面波，這是由于在氣液交界面上液膜受到外界空氣的擾動作用而在其表面形成波紋，因此又被稱為空氣擾動波，底部液膜出現(xiàn)剝離，然后逐漸破碎形成液滴.由圖3(e)中可以看出，液膜在底部破裂后收縮形成的液絲呈弓形，噴霧角繼續(xù)增大.在圖3(f)～3(h)中，已經(jīng)很難看出射流碰撞形成液膜的邊緣，稱為無邊模式.隨著韋伯?dāng)?shù)增加，液膜出現(xiàn)破裂的位置越來越接近于射流的碰撞點(diǎn)，這說明空氣擾動波隨著韋伯?dāng)?shù)的增加而逐漸加強(qiáng).在無邊模式下，周期性弓形液絲在向下運(yùn)動過程中，不斷破碎而出現(xiàn)大量液滴.

圖4為不同射流韋伯?dāng)?shù)下20%體積分?jǐn)?shù)甘油溶液的碰撞射流的噴霧結(jié)構(gòu).與相同條件下去離子水的噴霧結(jié)構(gòu)類似，當(dāng)韋伯?dāng)?shù)增大時，雙股射流碰撞形成的液膜間存在較大的差異.相對于同樣狀態(tài)下的去離子水，甘油溶液液膜波紋出現(xiàn)得要晚一些，即甘油溶液液膜波紋的出現(xiàn)需要更大的射流速度，這是因?yàn)楦视腿芤吼ざ容^大，輕微的波動難以在液膜上表現(xiàn)出來.

對濃度較高的甘油溶液進(jìn)行雙股射流碰撞霧化實(shí)驗(yàn)時的結(jié)果見圖5，此時甘油體積分?jǐn)?shù)為40%，韋伯?dāng)?shù)為90(對應(yīng)射流速度為2.58 m/s，).射流碰撞形成一個規(guī)則的葉子型液膜，液膜下方垂直方向存在一個較小的液膜(圖中間直線部分)，在這個小液膜的下方垂直方向又存在一個更小的液膜，把這種現(xiàn)象稱為液膜翻轉(zhuǎn).液膜翻轉(zhuǎn)現(xiàn)象一般出現(xiàn)在高黏度液體碰撞時，因?yàn)楦唣ざ攘黧w液膜較為穩(wěn)定，對碰撞波和空氣的擾動作用抵抗能力強(qiáng)，而在其他條件下，液膜邊緣可能存在不規(guī)則的凸起，影響新射流碰撞，液膜翻轉(zhuǎn)現(xiàn)象不會出現(xiàn)，或者僅存在兩個相互垂直的液膜.

圖3 去離子水不同韋伯?dāng)?shù)下噴霧場圖像

圖4 20%甘油溶液不同韋伯?dāng)?shù)下噴霧場圖像

圖5 液膜翻轉(zhuǎn)現(xiàn)象

2.2 不同射流速度對霧化效果的影響

在研究射流速度對去離子水霧化效果的影響時，以射流速度為變量，固定碰撞角和噴嘴出口內(nèi)徑不變.圖6(a)給出了韋伯?dāng)?shù)對噴霧角的影響.可以看出，當(dāng)韋伯?dāng)?shù)增大時，雙股射流碰撞形成的噴霧角將隨之增大.在較小的韋伯?dāng)?shù)條件下，噴霧角增速較快；而當(dāng)韋伯?dāng)?shù)處于較高范圍時，噴霧角增加較慢，并且逐漸趨于穩(wěn)定.

(a) 韋伯?dāng)?shù)對噴霧角的影響

(b) 韋伯?dāng)?shù)對索太爾平均直徑的影響

在測量雙股射流碰撞形成的噴霧場中液滴的粒徑時，選定射流碰撞點(diǎn)正下方某一固定區(qū)域進(jìn)行測量，根據(jù)在實(shí)驗(yàn)過程中拍攝到的噴霧場圖像，發(fā)現(xiàn)在碰撞點(diǎn)下方6 cm處，液膜已經(jīng)完全破碎形成液滴，不存在塊狀液膜或者液絲，所以選擇此處作為測量區(qū)域.圖6(b)給出了75°和90°兩種射流碰撞角條件下，韋伯?dāng)?shù)對液滴粒徑的影響.總體上，隨著韋伯?dāng)?shù)增大，液滴的平均粒徑會隨之減小，并且減小趨勢變得平緩，最后穩(wěn)定在0.4 mm以下.這是因?yàn)檩^大的韋伯?dāng)?shù)意味著射流速度較大，液膜破碎形成的大液滴相對于周圍空氣的運(yùn)動速度大，能夠更容易繼續(xù)破裂形成小液滴.在實(shí)驗(yàn)過程中，受測量條件限制，設(shè)定曝光時間最小為10 μs，所以，在拍攝速度較高的液滴時，照片上會留有很小的一段液滴運(yùn)動軌跡，使得液滴粒徑測量值偏大，反應(yīng)在圖中即75°韋伯?dāng)?shù)大于600之后，索太爾平均直徑有微弱的變大的趨勢；而當(dāng)液滴速度較小時，曝光時間對粒徑測量值的影響并不明顯，液滴的平均粒徑隨著韋伯?dāng)?shù)的增大而減小.

2.3 不同碰撞角度對霧化效果的影響

在研究不同碰撞角對霧化效果的影響時，同樣以去離子水為實(shí)驗(yàn)工質(zhì)，所采用的噴嘴內(nèi)徑為0.86 mm，保持射流速度不變，對比研究了60°、75°、90°、105°等4種碰撞角對霧化效果的影響.圖7(a)給出了4種韋伯?dāng)?shù)狀態(tài)下，不同的碰撞角對噴霧角的影響.由圖7(a)可以看出，無論是在何種韋伯?dāng)?shù)條件下，當(dāng)碰撞角增加時，噴霧場都會隨之增大，在韋伯?dāng)?shù)處于較大范圍時，同種碰撞角下的噴霧角差距相對較小.

圖7(b)給出了在不同韋伯?dāng)?shù)條件下，射流碰撞角對霧化形成液滴粒徑的影響.可以看出，在韋伯?dāng)?shù)保持不變時，隨著雙股射流間碰撞角的增大，液滴的平均直徑將會逐漸減小，說明增大碰撞角有利于改善霧化.這是因?yàn)榕鲎步窃龃髸r，左右兩股射流更加接近于正碰，動量交換變得更劇烈，從而使液膜的不穩(wěn)定性加強(qiáng)，加速了液膜的破碎.在應(yīng)用雙股射流碰撞霧化時，要選擇合適的碰撞角，不能單獨(dú)依靠增加碰撞角改善霧化，因?yàn)楦鶕?jù)噴霧場圖像，在噴霧角為90°或105°時，液膜接近于圓形，會有較多的液滴向上傳播一定的距離，這可能會引起嚴(yán)重的粘壁現(xiàn)象.

圖7(c)給出了不同韋伯?dāng)?shù)時，液滴粒徑的方差隨碰撞角的變化.總體上，隨著左右兩股射流間的碰撞角增大，液滴粒徑方差逐漸減小，即液滴更為集中地分布在粒徑均值(算術(shù)平均值)附近，液滴與液滴之間的粒徑差值減小.同時，當(dāng)無論是在何種碰撞角時，韋伯?dāng)?shù)較大的條件下霧化產(chǎn)生的液滴粒徑方差都較小韋伯?dāng)?shù)時的液滴粒徑方差小.這是因?yàn)樵谛№f伯?dāng)?shù)(小流速)、小碰撞角時，射流碰撞比較溫和，液膜較為穩(wěn)定，僅在擾動較強(qiáng)的地方液膜破碎形成小液滴，而在其他區(qū)域，破裂的液膜在表面張力作用下匯聚形成體積較大的液滴，最終表現(xiàn)為液滴大小不一；而當(dāng)韋伯?dāng)?shù)較大，或者碰撞角較大時，射流碰撞更為劇烈，液膜容易破碎形成液滴，這種差異性會有所減小.

(a) 碰撞角對噴霧角的影響

(b) 碰撞角對索太爾平均直徑的影響

(c) 碰撞角對液滴粒徑方差的影響

圖7 碰撞角對噴霧角、索太爾平均直徑、液滴粒徑方差的影響

Fig.7 Effects of impinging angle on spray angle, SMD and variance

2.4 不同出口內(nèi)徑對霧化效果的影響

圖8(a)分別給出了3種不同出口內(nèi)徑的噴嘴產(chǎn)生射流的韋伯?dāng)?shù)對噴霧角的影響，可以發(fā)現(xiàn)，無論對于何種內(nèi)徑的噴嘴，當(dāng)韋伯?dāng)?shù)增加時，噴霧角都會隨之增大，而后逐漸趨于穩(wěn)定.出口內(nèi)徑為0.86、1.07 mm的兩種噴嘴形成噴霧的張角在不同韋伯?dāng)?shù)時都較為接近，且都要大于出口內(nèi)徑為0.67 mm噴嘴形成的噴霧角.Dombrowski等[6]研究了層流與湍流射流形成的液膜及破碎，通過比較發(fā)現(xiàn)了不同的破碎機(jī)理，并發(fā)現(xiàn)液膜的破碎是由空氣動力學(xué)和水動力學(xué)作用而產(chǎn)生的波紋擾動引起.液膜破碎的過程受到周圍空氣的擾動作用，當(dāng)噴嘴內(nèi)徑較小時，雙股射流碰撞形成的液膜比較薄，同時，Heidmann等[7]的研究表明，噴嘴內(nèi)徑對液膜表面的波紋具有微弱的影響，小內(nèi)經(jīng)噴嘴形成的液膜波紋更為密集一些，綜合這兩項(xiàng)原因，輕微的擾動就能使之形成的液膜破裂，不易于向兩側(cè)傳播，因而最終的噴霧角較小.對于內(nèi)徑為0.86、1.07 mm的兩種噴嘴，雙股射流碰撞形成的液膜較厚，能夠抵抗更強(qiáng)的空氣擾動作用，所以液膜能夠在寬度方向上傳播更遠(yuǎn)，并且，0.86 mm的噴嘴形成的液膜厚度足以抵抗空氣的擾動，所以兩者的噴霧角更大且較為接近.

(a) 噴嘴內(nèi)徑對噴霧角的影響

(b) 噴嘴內(nèi)徑對索太爾平均直徑的影響

圖8(b)給出了采用3種不同出口內(nèi)徑的噴嘴形成噴霧場中液滴的平均粒徑隨韋伯?dāng)?shù)的變化趨勢，可以看出隨著韋伯?dāng)?shù)增大，液滴平均直徑會隨之減小.盡管噴嘴內(nèi)徑能夠影響到韋伯?dāng)?shù)的大小，但從圖中可以看出3種噴嘴形成的液滴在大小上并沒有較大的區(qū)別，可見，在所研究的范圍內(nèi)噴嘴尺寸對液滴粒徑影響較小，這與前人的研究結(jié)果相同.對于內(nèi)徑為0.67 、0.86 mm的兩種噴嘴，可以發(fā)現(xiàn)，在液滴粒徑隨韋伯?dāng)?shù)變化曲線的后半段有所上升，這是因?yàn)樯淞髋鲎伯a(chǎn)生的液滴速度較大，曝光時間偏長導(dǎo)致液滴粒徑的測量值偏大.

2.5 不同黏度對霧化效果的影響

圖9(a)給出了去離子水及各種濃度的甘油溶液形成液膜的長度隨韋伯?dāng)?shù)的變化，因?yàn)橐耗さ目v橫比接近2，且隨韋伯?dāng)?shù)變化較小，所以可以用液膜長度來表征液膜大小.可以看出，當(dāng)韋伯?dāng)?shù)增大時，液膜將逐漸增大，并且對于黏度較大液體，其液膜尺寸也較大.對于黏度較高的甘油溶液來說，即使處于較大的射流速度時，液膜也不易破裂.

圖9(b)給出了內(nèi)徑為0.86 mm的噴嘴，在90°碰撞角時形成的噴霧場張角隨韋伯?dāng)?shù)變化趨勢.可以看出，當(dāng)韋伯?dāng)?shù)增大時，去離子水和甘油溶液形成的噴霧角都會隨之增大，甘油溶液形成的噴霧角與韋伯?dāng)?shù)大致呈線性關(guān)系，并且濃度越高，噴霧角越小.這主要是由兩方面原因造成的：濃度較高的甘油黏度大，液膜發(fā)展受到的阻力大，因而張角較??；甘油的密度約為1.26×103kg/m3，比去離子水的密度大，濃度越高的甘油溶液密度越大，因而液膜在向兩側(cè)傳播時受到的重力作用將更加明顯，使得噴霧角隨甘油溶液濃度增大而減小.

圖9(c)給出了去離子水、20%體積分?jǐn)?shù)甘油溶液、30%體積分?jǐn)?shù)甘油溶液的液滴平均直徑隨韋伯?dāng)?shù)的變化，可以發(fā)現(xiàn)，3種液體霧化形成的液滴直徑隨韋伯?dāng)?shù)的變化趨勢一致.并且，無論是在何種韋伯?dāng)?shù)條件下，高濃度(高黏度)的甘油溶液相對于低濃度的甘油溶液，霧化形成的液滴平均直徑更大.

圖9(d)為去離子水、20%體積分?jǐn)?shù)甘油、30%體積分?jǐn)?shù)甘油3種液體霧化形成液滴粒徑的方差隨韋伯?dāng)?shù)的變化趨勢.對于大體積分?jǐn)?shù)的甘油溶液，其在霧化后產(chǎn)生的液滴粒徑方差更大，即液滴粒徑均勻性差，彼此之間差距大.這是因?yàn)楦邼舛纫馕吨唣ざ?，液膜更加穩(wěn)定，產(chǎn)生的液滴大小不一.當(dāng)韋伯?dāng)?shù)較大時，黏度對液滴的影響將會減弱，因而粒徑的方差將會較為接近.

(a) 黏度對液膜長度的影響

(b) 黏度對噴霧角的影響

(c) 黏度對索太爾平均直徑的影響

(d) 黏度對液滴粒徑方差的影響圖9 黏度對液膜長度、噴霧角、索太爾平均直徑、液滴粒徑方差的影響Fig.9 Effects of viscosity on sheet length, spray angle, SMD and variance

3 結(jié) 論

1)增大韋伯?dāng)?shù)，液膜會表現(xiàn)出不同的特征.在韋伯?dāng)?shù)較小時，液膜具有較厚并且封閉的邊緣，表面有波紋出現(xiàn).隨著韋伯?dāng)?shù)增大，液膜兩側(cè)出現(xiàn)液絲，液絲在與周圍空氣相對運(yùn)動過程中破碎產(chǎn)生液滴，噴霧場呈現(xiàn)一定的張角，并且隨韋伯?dāng)?shù)增大而增大.

2)增大兩股射流間的碰撞角，有利于液膜向兩側(cè)發(fā)展，噴霧場張角增大.同時，增大碰撞角后，射流接近于正碰，碰撞更加劇烈，液膜不穩(wěn)定性增強(qiáng)，液滴平均直徑減小.

3)內(nèi)徑較小的噴嘴形成的液膜比較薄，表面波紋更為密集，穩(wěn)定性差，輕微的外界擾動就能使之破裂，不利于液膜向兩側(cè)傳播，最終導(dǎo)致噴霧角較小.噴嘴內(nèi)徑較大時，內(nèi)徑值對噴霧角的影響較小.在所研究的范圍內(nèi)，液滴的平均直徑不受噴嘴內(nèi)徑的影響.

4)對于不同黏度的液體來說，韋伯?dāng)?shù)的增大都能夠引起液膜尺寸增大，并且，黏度較大的液體在相同韋伯?dāng)?shù)時對應(yīng)的液膜尺寸更大.黏度較高的液體的噴霧角較小.韋伯?dāng)?shù)較小時，高黏度液體形成的液膜更為穩(wěn)定，液滴平均直徑較大; 而當(dāng)韋伯?dāng)?shù)較大時，黏度對液滴的影響變小，不同黏度的液體對應(yīng)的液滴直徑差異較小.黏度較大的液體，在低流速條件下，容易出現(xiàn)液膜翻轉(zhuǎn)現(xiàn)象.

5)增大射流速度,增大碰撞角,減小液體黏度，這些有利于增強(qiáng)液膜不穩(wěn)定性的因素都能夠使得霧化形成的液滴分布更加集中.

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(編輯 楊 波)

Atomization characteristics experiment of impinging jets

WANG Hui,CAO Wei, ZHANG Shuai, GUO Yongjun, YANG Qi, WU Shaohua

(Combustion Engineering Research Institute, School of Energy Science and Engineering,Harbin Institute of Technology, Harbin 150001, China)

To improving the atomization characteristics of dual impinging jets, based on the impinging jets platform established by ourselves, the effects of jet velocity, impingement angle, nozzle diameter and liquid viscosity on the atomization characteristics were studied by CCD Photography technology.The experimental results indicate that with the increase of Weber number and impingement angle, the spray angle is increased, droplet SMD is decreased and the droplet distribution is more uniform.When the nozzle diameter is small, the thickness of liquid sheet is small, the liquid sheet is unstable and the spray angle is small.The nozzle diameter has little influence on SMD.Besides, the larger the liquid viscosity, the more unstable of the liquid, the larger the liquid size, the smaller the spray angle and the larger the droplet SMD.When the Weber number is small, the difference is obvious and when the Weber number is large, the difference is smaller.Also, in the study of 40% concentration of glycerol solution atomization characteristics, the phenomenon of liquid sheet flip was observed, and multiple consecutive perpendicular liquid sheets could appear down from the impact point.In conclusion, increasing the jet velocity and impinging angle and decreasing the liquid viscosity can improve the atomization characteristics.

impinging jets; Weber number; impingement angle; viscosity; atomization characteristics

10.11918/j.issn.0367-6234.2017.01.013

2016-03-18

國家自然科學(xué)基金創(chuàng)新群體科學(xué)基金(51121004)

王 輝(1977—)，男，副教授，博士生導(dǎo)師

王 輝，wanghui_hb@hit.edu.cn

V434+.3

A

0367-6234(2017)01-0093-08