王賡，寧智，呂明，蔣中鋒

(1.北京交通大學(xué)機(jī)電學(xué)院,北京 100044；2.中自環(huán)保科技股份有限公司，四川 成都 611731)

傳統(tǒng)的進(jìn)氣道噴射(PFI)汽油機(jī)在冷起動時，部分燃燒會產(chǎn)生未燃烴類排放(UBHC)的問題[1]，因此缸內(nèi)直噴(GDI)汽油機(jī)得到了越來越多的關(guān)注。缸內(nèi)直噴汽油機(jī)噴射壓力高，所以可以獲得更好的霧化及混合效果，進(jìn)而提高燃燒穩(wěn)定性并且減小發(fā)動機(jī)節(jié)流損失[2]。壓力旋流噴嘴具備結(jié)構(gòu)簡單、制造方便、霧化效果好等優(yōu)點，因此壓力旋流噴嘴已經(jīng)廣泛地應(yīng)用于各類缸內(nèi)直噴發(fā)動機(jī)中[3]。

深入了解壓力旋流噴嘴的噴霧特性，還需要對液體射流的過程進(jìn)行分析。Rayleigh等[4-6]提出了圓射流表面波模式，給出了最大表面波增長率的概念；此外，還研究了環(huán)狀液膜的破碎規(guī)律，環(huán)狀液膜受到擾動后，會在噴嘴出口的位置產(chǎn)生波動，它的破碎長度短于平面液膜射流的破碎長度。Rayleigh認(rèn)為，在較低的氣液速度差下，環(huán)形斷裂帶的厚度與液膜發(fā)生破碎時的厚度基本一致。

圓環(huán)旋轉(zhuǎn)黏性射流是壓力旋流噴嘴射流的簡化模型[7]，Jun Ishimoto[8-10]采用大渦模擬方法和VOF方法對圓環(huán)旋轉(zhuǎn)黏性射流的霧化過程進(jìn)行了數(shù)值模擬，并對液膜厚度、射流形態(tài)以及粒徑分布等進(jìn)行了研究分析，同時還對噴嘴內(nèi)部的湍動能、氣液相界面的表面波動以及噴嘴壁面受力情況的變化等內(nèi)容進(jìn)行了研究。

周立新等[11]對圓環(huán)旋轉(zhuǎn)黏性射流的噴嘴內(nèi)部流動進(jìn)行了數(shù)值研究，研究結(jié)果給出了噴嘴內(nèi)氣液兩相的流動過程，并得到了流場內(nèi)細(xì)微的湍流結(jié)構(gòu)。岳明等[12]利用VOF方法模擬了不同壓力條件下噴嘴內(nèi)部的流場氣液分布以及流場結(jié)構(gòu)，得到了氣液交界面的變化過程。

與圓柱射流以及平面射流表面波結(jié)構(gòu)的研究相比，對圓環(huán)旋轉(zhuǎn)黏性射流破碎過程的研究還不是很深入，速度、物性等因素對表面波的影響規(guī)律還不是很清楚。

因此，本研究采用數(shù)值模擬的方法對圓環(huán)旋轉(zhuǎn)黏性射流進(jìn)行研究。為了提高模擬的精確度，使用大渦模擬的方法模擬湍流，并用CLSVOF方法追蹤氣液兩相流相界面，研究圓環(huán)旋轉(zhuǎn)黏性射流形態(tài)的一次破碎過程和二次破碎過程。分析了表面波的產(chǎn)生機(jī)理，并研究軸向速度和旋轉(zhuǎn)強(qiáng)度等因素對表面波結(jié)構(gòu)的影響。

1 物理模型及數(shù)值方法

1.1 仿真模型的建立

建立仿真模型是對圓環(huán)旋轉(zhuǎn)黏性射流進(jìn)行研究的前提和基礎(chǔ)。本研究建立了如圖1所示的計算域，其中圖右側(cè)為圓臺形流場，小圓直徑為10 mm，大圓直徑為25 mm，長度為20 mm，在小圓的中心設(shè)置環(huán)形出口邊界，如圖左側(cè)所示，環(huán)形外圓直徑D1=1 mm，環(huán)形寬度H=0.3 mm，環(huán)形內(nèi)圓直徑D0=0.4 mm。

圖1 計算域示意

本研究建立了多套不同尺寸的網(wǎng)格，發(fā)現(xiàn)當(dāng)網(wǎng)格尺寸小于一定程度后，繼續(xù)減小網(wǎng)格尺寸對計算結(jié)果基本沒有影響，因此最終選定的全流域網(wǎng)格尺寸為0.05～0.1 mm，并將入口處的網(wǎng)格進(jìn)行了加密，最小分辨尺度為0.01 mm，網(wǎng)格總數(shù)為7×107。

1.2 數(shù)值模擬方法

本研究使用大渦模擬的方法對湍流進(jìn)行模擬，對N-S方程和連續(xù)性方程進(jìn)行積分過濾后，可以得到大渦模擬的控制方程[13]：

(1)

(2)

(3)

式中：τr即為亞格子應(yīng)力，亞格子應(yīng)力是直接求解出的大尺度湍流脈動與求解器過濾掉的小尺度湍流脈動之間的動量輸運。

式(3)中僅有亞格子應(yīng)力包含不封閉項，所以必須構(gòu)造亞格子應(yīng)力的封閉模式來實現(xiàn)大渦模擬。

亞格子應(yīng)力τr的計算方法使用了RANS模型中的Boussinesq假設(shè)：

(4)

(5)

Level Set方法與VOF方法是兩相流模擬中兩種主流的相界面追蹤方法，并且具有各自的優(yōu)點與缺點。VOF方法可以最大限度地保證質(zhì)量守恒，但是提取相界面的信息較為困難，特別是當(dāng)計算三維問題時，由于VOF函數(shù)的不連續(xù)性，這個問題會更加嚴(yán)重。Level Set方法的優(yōu)點是可以較為精確地對相界面進(jìn)行重構(gòu)，但是在對流輸運過程中不能保證質(zhì)量守恒。因此，為了結(jié)合Level Set方法與VOF方法的優(yōu)點，Bourlioux[14]在1995年提出了coupled Level Set and VOF(CLSVOF)方法，本研究即采用CLSVOF方法對氣液相界面進(jìn)行追蹤重構(gòu)。

1.3 仿真模型的驗證

郭恒杰等[15]搭建了基于三維PDPA技術(shù)的開放式噴霧試驗臺，對缸內(nèi)直噴發(fā)動機(jī)中壓力旋流噴嘴的噴霧過程進(jìn)行了試驗研究。圖2示出了基于同樣的噴射條件，使用大渦模擬得到的圓環(huán)旋轉(zhuǎn)黏性射流形態(tài)與文獻(xiàn)[11]中試驗得到的射流形態(tài)的對比。

圖2 射流形態(tài)的對比

通過對比圖2中的結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，從啟噴階段到充分發(fā)展階段，數(shù)值模擬的射流形態(tài)與試驗所得的射流形態(tài)基本一致，說明數(shù)值模型設(shè)置合理，具有較高準(zhǔn)確性。而且數(shù)值模擬可以獲得更加清晰的表面波結(jié)構(gòu)，相對于試驗方法可以更加深入地研究射流破碎的機(jī)理。

圖3示出了數(shù)值模擬研究和試驗研究中，相同位置監(jiān)控點的軸向速度隨時間的變化。從圖3中可以看出，由于液體流動時存在速度脈動，因此監(jiān)控點的軸向速度會出現(xiàn)無規(guī)律的波動。對不同時刻監(jiān)控點的軸向速度進(jìn)行統(tǒng)計平均后，可以得出試驗研究中監(jiān)控點的平均速度為50.42 m/s，數(shù)值模擬研究中監(jiān)控點的平均速度為49.73 m/s，二者誤差為1.4%，誤差較小，進(jìn)一步驗證了數(shù)值模擬模型的準(zhǔn)確性。

圖3 軸向速度試驗結(jié)果與數(shù)值模擬結(jié)果的對比

2 圓環(huán)旋轉(zhuǎn)黏性射流破碎過程的研究

在液體射流的噴射過程中，由于射流內(nèi)部湍流脈動及氣相擾動作用的存在，射流會逐漸失穩(wěn)進(jìn)而發(fā)生破碎。射流的破碎包括一次破碎和二次破碎過程，當(dāng)液體射流離開噴嘴后，液體形態(tài)將主要受自身表面張力控制，當(dāng)液體克服自身表面張力后，射流表面會產(chǎn)生空洞進(jìn)而斷裂成分裂液絲，該過程為一次破碎過程。當(dāng)分裂液絲再次克服表面張力時，液絲就會進(jìn)一步破碎成液滴，稱為二次破碎過程。本研究使用數(shù)值模擬方法對圓環(huán)旋轉(zhuǎn)黏性射流的一次破碎過程和二次破碎過程進(jìn)行研究。

2.1 一次破碎過程

采用前文建立的仿真模型，環(huán)形出口處液相的軸向速度Ua設(shè)置為100 m/s，周向速度Uc設(shè)置為50 m/s，初始擾動強(qiáng)度I設(shè)置為0.3，對圓環(huán)旋轉(zhuǎn)黏性射流的發(fā)展過程進(jìn)行數(shù)值模擬研究，其中初始擾動強(qiáng)度I為脈動速度與軸向速度之比。按照液膜形態(tài)及軸向位置，可以將處于充分發(fā)展階段的圓環(huán)旋轉(zhuǎn)黏性射流分為3個區(qū)域：連續(xù)液膜區(qū)、一次破碎區(qū)以及二次破碎區(qū)(見圖4)。

圖4 圓環(huán)旋轉(zhuǎn)黏性射流的液膜形態(tài)

由圖4可以看出，在連續(xù)液膜區(qū)，圓環(huán)旋轉(zhuǎn)黏性射流的表面會出現(xiàn)波動，而且波動的幅度會隨著軸向距離的增加而增大。當(dāng)射流發(fā)展到一次破碎區(qū)時，由于液膜的波動幅度已經(jīng)與液膜厚度相當(dāng)，液膜表面就會形成空洞，隨后進(jìn)一步破碎成分裂液絲。當(dāng)射流發(fā)展到二次破碎區(qū)時，分裂液絲會逐漸破碎成分裂液滴。

圖5示出了充分發(fā)展階段時圓環(huán)旋轉(zhuǎn)黏性射流一次破碎區(qū)液膜在一段時間內(nèi)的形態(tài)變化。圖5中圓圈處所示為空洞的長大過程，當(dāng)液膜波動幅度增大到一定程度時，液膜表面就會在波谷處形成微小空洞，隨后空洞逐漸長大，與相同軸向位置上的鄰近空洞發(fā)生融合，形成帶狀空洞，使液膜發(fā)生軸向斷裂。隨著射流的發(fā)展，該帶狀空洞還會與下游的帶狀空洞發(fā)生融合，使液膜發(fā)生周向斷裂。圖5中方框所示區(qū)域為分裂液絲的形成過程，在射流的發(fā)展過程中，分裂液絲首先會與上游和下游的液膜相分離，與相同軸向位置的液膜仍然保持連接，隨后連接處的液膜體積逐漸減小，最終斷裂，使分裂液絲完全從液膜中破碎出來。

圖5 一次破碎區(qū)液膜形態(tài)的變化

圖6示出了圓環(huán)旋轉(zhuǎn)黏性射流發(fā)生一次破碎前后橫截面上液相及氣相的速度矢量分布。從圖6a中可以看出，液相速度要明顯高于氣相速度，而且在相界面處存在非常大的速度梯度。圖6a中分別用黑色箭頭和灰色箭頭標(biāo)示出了液膜表面波動的波峰和波谷的位置，可以發(fā)現(xiàn)液膜各處的運動方向基本一致，但是波峰處的速度比波谷處高，這就導(dǎo)致在運動過程中波谷處的液膜相對波峰處液膜徑向位移更小，從而使波谷處的液膜逐漸變薄。

圖6 一次破碎區(qū)的速度矢量

從圖6a中還可以看出，液膜下方(即射流內(nèi)側(cè))的氣體速度較高，液膜上方(即射流外側(cè))的氣體速度較低，因此液膜還會受到氣體的沖擊作用。如圖6a中虛線圓圈內(nèi)所示，此處氣體速度較高，而且運動方向發(fā)生改變，朝向?qū)嵕€圓圈處運動。實線圓圈處是厚度已經(jīng)非常小的液膜，在受到虛線圈內(nèi)氣體的沖擊后，會加速斷裂過程，最終形成如圖6b中實線圓圈內(nèi)的空洞。而且在液膜形成空洞后，由于內(nèi)外兩側(cè)氣體存在較大速度差，空洞處的氣體速度很高，促進(jìn)了空洞的長大過程。由于空洞處氣體具有很高的速度，因此在圖6b中虛線圓圈內(nèi)形成了小型的局部渦結(jié)構(gòu)，增強(qiáng)了對鄰近液膜的擾動作用，進(jìn)一步促進(jìn)了液膜空洞的長大。

圖7示出了一次破碎過程中液絲表面的速度分布。從圖7中可以看出，此時液膜的軸向速度分布比較均勻，靠近上游的部分軸向速度較小，其他位置的軸向速度基本相同；而周向速度的分布較為復(fù)雜，液膜表面上不同位置周向速度差異較大，并且在與其他部分液膜的連接處周向速度梯度也較大，這就導(dǎo)致了該處液膜的拉長以及與其他部分液膜的連接點逐漸變細(xì)。

圖7 液膜表面的速度分布

2.2 二次破碎過程

液絲從整體液膜斷裂出來之后，會繼續(xù)向下游移動，并且發(fā)生形變。隨著射流的發(fā)展，分裂液絲會繼續(xù)斷裂形成液滴。液絲的破碎過程直接影響液滴的尺寸及速度，進(jìn)而影響射流霧化效果，因此需要對分裂液絲破碎過程進(jìn)行分析。

圖8示出了一個典型的分裂液絲從變形到破碎為液滴的全過程。從圖8中可以看出，液絲的初始形態(tài)為紐帶狀，這是因為從連續(xù)液膜斷裂出來之后，由于速度分布不均勻，液絲各部分存在較強(qiáng)的相對運動，導(dǎo)致了液絲的彎曲和扭轉(zhuǎn)。隨著液絲向下游運動，在液絲的兩端會出現(xiàn)頸縮現(xiàn)象，頸縮作用逐漸增強(qiáng)，液絲會在該部位發(fā)生斷裂，在兩端分裂出兩個液滴，自身變?yōu)檩^短的液絲。隨后短液絲由于氣液相互作用再次從中間斷裂，分裂兩個液滴，此時最初的液絲已經(jīng)分裂為多個液滴。由此可以總結(jié)出分裂液絲的破碎規(guī)律：帶狀液絲首先會在兩端出現(xiàn)頸縮現(xiàn)象，分別斷裂出兩個液滴，最后剩余液絲又從中間斷裂成兩個液滴。

圖8 液絲變形與分裂的過程

為了對液絲的破碎進(jìn)行深入研究，本研究定義了液絲的長徑比：γ=2L1/L2。式中：L1為液絲中心到液絲表面的最大距離，2L1即為液絲長度；L2為液絲中心到液絲表面的最小距離，即液絲的半徑。本研究統(tǒng)計了射流處于充分發(fā)展階段時的一段時間內(nèi)所有液絲的尺寸及數(shù)量，得到了如圖9所示的液絲長徑比與數(shù)量的關(guān)系。

圖9 不同長徑比的液絲數(shù)量

從圖9中液絲數(shù)量的分布可以得出以下結(jié)論：1) 長徑比小于3的液絲數(shù)量很小，說明圓環(huán)旋轉(zhuǎn)黏性射流發(fā)生一次破碎后形成的球狀液絲很少，分裂液絲的形狀主要呈帶狀；2) 長徑比在3～15這個區(qū)間內(nèi)的液絲數(shù)量占總數(shù)的83.2%，而且在該區(qū)間內(nèi)液絲數(shù)量的分布較為均勻，長徑比對數(shù)量的分布影響不大，說明分裂液絲的長徑比主要集中在這一區(qū)間內(nèi)，且形狀為中等長度的絲帶形；3) 長徑比大于17的液絲僅有3個，說明錐形液膜在發(fā)生軸向破碎后，由于周向表面波的作用，很快就會發(fā)生周向破碎，難以形成較長的完整帶狀液絲。

根據(jù)液絲的Oh數(shù)和Re數(shù)可以將液絲破碎過程分為四類，即瑞利型破碎、一次風(fēng)生破碎、二次風(fēng)生破碎以及霧化(見圖10)。根據(jù)對液絲尺寸的統(tǒng)計分析，分裂液絲的Re數(shù)范圍為8 000～9 000，Oh數(shù)范圍為0.009～0.011，在圖10中用虛線圓形標(biāo)注出所處區(qū)域，可以看出分裂液絲的破碎主要屬于二次風(fēng)生破碎。在二次風(fēng)生破碎過程中，慣性力為液絲破碎的主控力，在慣性力作用下，液絲上的擾動波不斷增長，液絲頸部越來越細(xì)，最終發(fā)生斷裂，形成分裂液滴，此時表面張力對液絲破碎起抑制作用。

圖10 液絲的破碎機(jī)制

3 圓環(huán)旋轉(zhuǎn)黏性射流表面波結(jié)構(gòu)的研究

在射流的發(fā)展過程中，其表面出現(xiàn)波動，隨著射流的發(fā)展，振動波的波長和波幅都會有所增加，這種振動波稱為射流的表面波，本部分將對圓環(huán)旋轉(zhuǎn)黏性射流的表面波結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究。

3.1 表面波結(jié)構(gòu)的形成機(jī)理

圖11示出了Ua=100 m/s，Uc=50 m/s，I=0時圓環(huán)旋轉(zhuǎn)黏性射流發(fā)展過程中液膜的形態(tài)。初始擾動強(qiáng)度為0，說明在射流的初始發(fā)展過程中內(nèi)部流動不存在湍流脈動。從圖11中可以看出，在射流上游，液膜表面呈光滑狀態(tài)，沒有波動現(xiàn)象，但是在射流下游，圖11中圓圈所示處，液膜表面出現(xiàn)了波動現(xiàn)象，這說明外界氣體的擾動是圓環(huán)旋轉(zhuǎn)黏性射流表面波結(jié)構(gòu)形成的原因之一。

圖11 無初始擾動時的液膜形態(tài)

研究表明，液體從環(huán)形出口以很高的射流速度射入靜止氣體中，在射流液體和氣體之間會存在巨大的速度差，這會引起Kelvin-Helmholtz不穩(wěn)定性(K-H不穩(wěn)定性)，進(jìn)而在射流表面形成K-H表面波。在射流噴射的初始階段，液體與氣體的接觸面積較小，氣液相互作用力較弱，此時K-H表面波結(jié)構(gòu)不明顯。圖12示出了Ua=100 m/s，Uc=50 m/s，I=0.3時，啟噴階段圓環(huán)旋轉(zhuǎn)黏性射流的形態(tài)，此時射流發(fā)展尚不充分，但是K-H表面波已經(jīng)出現(xiàn)。

圖12 K-H擾動波及R-T擾動波

觀察圖12中射流頭部的形態(tài)，可以看出此時射流頭部向外發(fā)生翻卷，這是因為隨著射流的高速運動，在頭部氣液界面的法向上存在著由于氣液兩相密度差所產(chǎn)生的慣性力。密度梯度不僅使射流頭部的整體形態(tài)發(fā)生變化，還在頭部的液膜表面引起了Rayleigh-Taylor不穩(wěn)定性(R-T不穩(wěn)定性)，從而形成了R-T表面波。

圖12示出的圓環(huán)旋轉(zhuǎn)黏性射流液膜的形態(tài)是具有初始擾動時的情況，亦即射流內(nèi)部流動存在湍流脈動的情況。與圖11進(jìn)行對比可以發(fā)現(xiàn)，圖12中液膜在環(huán)形出口附近形成了表面波結(jié)構(gòu)，這說明湍流脈動同樣是圓環(huán)旋轉(zhuǎn)黏性射流表面波結(jié)構(gòu)形成的原因之一。

3.2 表面波結(jié)構(gòu)影響因素的研究

圖13示出了I=0.3，Uc=50 m/s時，不同軸向速度下，圓環(huán)旋轉(zhuǎn)黏性射流近環(huán)形出口區(qū)域中央縱截面上液膜的形態(tài)。從圖13中可以看出，軸向速度的增大使軸向表面波破碎的位置逐漸靠近環(huán)形出口。而且觀察不同軸向速度時圓圈內(nèi)軸向表面波的形態(tài)，可以發(fā)現(xiàn)軸向表面波均呈反對稱結(jié)構(gòu)，這說明在當(dāng)前的條件下，軸向速度的改變對圓環(huán)旋轉(zhuǎn)黏性射流軸向表面波結(jié)構(gòu)的對稱模式?jīng)]有影響。從圖13中還可以看出，軸向速度的增大會改變圓環(huán)旋轉(zhuǎn)黏性射流液膜破碎的形式。Ua=50 m/s時，液膜會斷裂為液絲，如圖13a中箭頭所示，Ua=100 m/s和Ua=150 m/s時，在液膜的斷裂過程中會出現(xiàn)體積較大的“液團(tuán)”，隨后“液團(tuán)”再破碎為液絲。

圖13 軸向速度對軸向表面波形態(tài)的影響

圖14示出了Ua=100 m/s，I=0.3時，不同周向速度下在距離環(huán)形出口2 mm處橫截面上圓環(huán)旋轉(zhuǎn)黏性射流的周向表面波結(jié)構(gòu)。從圖14中可以看出，隨著周向速度的增大，圓環(huán)旋轉(zhuǎn)黏性射流周向表面波的波長逐漸增大，從與液膜厚度相當(dāng)?shù)牟ㄩL逐漸增大為接近2倍液膜厚度的波長。圖14中，周向表面波的波動幅度沒有隨周向速度的變化而發(fā)生變化，但是圖14c中液膜較早發(fā)生了周向破碎，這是因為周向速度增大后使液膜厚度變小，因此在周向波動幅度相同的前提下，液膜厚度更小時液膜會更早出現(xiàn)周向破碎。

圖14 周向速度對周向表面波形態(tài)的影響

從圖14中還可以看出，當(dāng)周向速度為30 m/s時，橫截面上液膜會有小幅度的扭曲，其形狀仍然比較接近規(guī)則的環(huán)形。隨著周向速度的增大，液膜扭曲的程度也逐漸增大，最終在局部液膜發(fā)生較大程度的扭曲，這也是較高的周向速度會促進(jìn)圓環(huán)旋轉(zhuǎn)黏性射流液膜發(fā)生周向破碎的原因之一。

由于圓環(huán)旋轉(zhuǎn)黏性射流存在較大的軸向速度和周向速度，因此在液膜表面會形成軸向表面波和周向表面波。本研究對一定時間內(nèi)液膜表面出現(xiàn)的所有軸向表面波和周向表面波的波長及其軸向位置進(jìn)行了測量，得到了波長與軸向位置的對應(yīng)關(guān)系，并通過線性擬合分別計算出軸向表面波和周向表面波波長在軸向上的增長率。

圖15示出了不同的周向速度下軸向表面波的波長增長率隨軸向速度的變化。從圖15中可以看出，當(dāng)軸向速度在50～100 m/s范圍內(nèi)增加時，圓環(huán)旋轉(zhuǎn)黏性射流軸向表面波波長的增長速率基本沒有變化，但是同樣的軸向速度下旋轉(zhuǎn)強(qiáng)度的增加使波長增長率有所增大，這說明當(dāng)軸向速度較低時，周向速度對圓環(huán)旋轉(zhuǎn)黏性射流軸向表面波增長速率的影響強(qiáng)于軸向速度的影響。當(dāng)軸向速度在100～150 m/s范圍時，隨著軸向速度的增大，軸向表面波波長增長率會隨之增加，說明在較高的軸向速度區(qū)間內(nèi)，軸向速度對軸向表面波的發(fā)展有促進(jìn)作用。

圖15 軸向速度對軸向表面波波長的影響

圖16示出了Ua=100 m/s，不同初始擾動強(qiáng)度下，周向速度對圓環(huán)旋轉(zhuǎn)黏性射流周向表面波波長增長率的影響規(guī)律。從圖16中可以看出，隨著周向速度的增大，圓環(huán)旋轉(zhuǎn)黏性射流周向表面波波長的增長速率逐漸增大，這說明液體的旋轉(zhuǎn)運動對于圓環(huán)旋轉(zhuǎn)黏性射流周向表面波的發(fā)展有促進(jìn)作用，這是因為液體周向速度的提高強(qiáng)化了氣液兩相間在周向上的相互作用，從而促進(jìn)了周向表面波的發(fā)展。

圖16 周向速度對周向表面波波長的影響

從圖16中還可以看出，周向速度從30 m/s增長到50 m/s后，周向表面波波長增長率增大了3倍左右，這說明當(dāng)周向速度較低時，周向速度對周向表面波的促進(jìn)作用比較明顯。周向速度超過50 m/s后，周向表面波波長增長率增加的速度有所減緩。對比圖16中不同初始擾動強(qiáng)度下周向表面波波長增長率的變化規(guī)律，發(fā)現(xiàn)3條變化曲線基本重合，這說明周向速度對圓環(huán)旋轉(zhuǎn)黏性射流周向表面波波長增長率的影響規(guī)律基本不受初始擾動強(qiáng)度的影響。

4 結(jié)論

a) 射流的發(fā)展過程中，液膜在軸向上會出現(xiàn)兩個空洞，將空洞中間的液膜與整體液膜隔開，隨后被隔開的液膜又與周向上的液膜斷開，最終形成分裂液絲；分裂液絲發(fā)生彎曲和扭轉(zhuǎn)，由于慣性力的作用在兩端出現(xiàn)頸縮現(xiàn)象，進(jìn)而斷裂，隨后殘余液絲在中間發(fā)生斷裂，最終形成多個液滴；長徑比在3～15這個區(qū)間內(nèi)的液絲數(shù)量占總數(shù)的83.2%；

b) 圓環(huán)旋轉(zhuǎn)黏性射流的啟噴階段，在氣動作用和湍流脈動的共同作用下，在液膜表面會形成軸向和周向表面波；隨著軸向速度的增加，軸向表面波始終呈反對稱結(jié)構(gòu)，當(dāng)軸向速度在100～150 m/s范圍內(nèi)增大時，軸向表面波波長增長率會明顯增加；隨著旋轉(zhuǎn)強(qiáng)度的增大，圓環(huán)旋轉(zhuǎn)黏性射流周向表面波波長的增長速率顯著增大。