張海濱，白博峰

西安交通大學(xué) 化學(xué)工程與技術(shù)學(xué)院 動(dòng)力工程多相流國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，西安 710049

射流摻混是一種強(qiáng)化射流工質(zhì)與主流體之間傳熱傳質(zhì)的重要方式，在工業(yè)及國防等諸多領(lǐng)域具有廣泛應(yīng)用，如航空發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)液體燃料霧化燃燒、重型燃?xì)廨啓C(jī)加濕、渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣道射流預(yù)冷等[1-3]?？招腻F形噴霧是一種常見的液體霧化形式，其原理是液體在壓差作用下進(jìn)入噴嘴旋流室內(nèi)，經(jīng)加旋、增速后在噴口形成空心錐形薄液膜，而后液膜在氣動(dòng)力及自身表面張力、黏性力和慣性力等作用下完成變形、破碎和霧化[4]?？招腻F形噴霧具有霧化距離短、霧化液滴小而分散，且霧化過程無須輔助介質(zhì)等特點(diǎn)，因此相比傳統(tǒng)的直噴式射流以及氣體輔助式霧化射流，在一些對(duì)射流系統(tǒng)構(gòu)型和摻混效果要求高的場合中，空心錐形噴霧射流具有顯著優(yōu)勢(shì)，如新型水沖壓及氫氧能源熱動(dòng)力推進(jìn)發(fā)動(dòng)機(jī)中的燃?xì)饨禍卦鲑|(zhì)過程[5-7]，以及航空發(fā)動(dòng)機(jī)和內(nèi)燃機(jī)領(lǐng)域的貧油預(yù)混預(yù)蒸發(fā)燃燒技術(shù)[8]等。

液體射流與橫向氣流的摻混是最為常見的一種射流摻混形式，包括液體的霧化、渦流卷吸與夾帶、液滴擴(kuò)散及液滴間相互作用等，在高溫條件下還存在液滴蒸發(fā)等傳熱傳質(zhì)復(fù)雜過程，屬于典型的非線性復(fù)雜多相流熱物理問題。長期以來，國內(nèi)外學(xué)者在射流摻混研究領(lǐng)域開展了大量的探索研究工作，主要針對(duì)的射流形式有直噴式圓柱液體射流[9-11]、氣動(dòng)噴霧射流[12-13]和氣泡輔助霧化射流[14-15]，而對(duì)空心錐形噴霧射流與橫流摻混過程的研究相對(duì)缺乏。由于空心錐形噴霧的液膜及初始霧化液滴群的特殊形態(tài)特征，使得其與橫流的摻混過程具有明顯特殊性。近年來，Surya[8]、Lee[16]、Lynch[17]、吳志合[18]等研究了空心錐形噴霧液膜在橫流中的破碎及霧化。Zhang等[19-22]采用可視化方法針對(duì)特定噴嘴條件下的空心錐形噴霧射流液滴群在橫流中的擴(kuò)散與分布進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)測(cè)量，發(fā)現(xiàn)了流場中的大尺度CVP(Counter-rotating Vortes Pair)結(jié)構(gòu)和剪切層渦結(jié)構(gòu)，并對(duì)上述結(jié)構(gòu)的形成原因及對(duì)液滴擴(kuò)散的影響規(guī)律進(jìn)行了定性分析。另外，由于空心錐形噴霧射流與橫流摻混過程的復(fù)雜性，目前通過數(shù)值模擬的方法對(duì)這一過程進(jìn)行精確仿真還存在困難，已有的模擬相關(guān)文獻(xiàn)均是采用簡化的模型對(duì)該過程進(jìn)行求解計(jì)算[23-24]，但在對(duì)霧化液滴的湍流擴(kuò)散、非定常渦結(jié)構(gòu)等的預(yù)測(cè)方面仍存在較大誤差，制約了對(duì)空心錐形噴霧射流與橫流摻混機(jī)理的認(rèn)識(shí)。

對(duì)于空心錐形噴霧射流與橫流的摻混，噴嘴的霧化錐角、噴射角度(入射角)、噴嘴霧化液滴的狀態(tài)以及橫流條件等對(duì)摻混過程及效果均有重要影響。但目前文獻(xiàn)中尚缺乏對(duì)上述影響因素的系統(tǒng)分析與討論。本文采用PIV測(cè)試技術(shù)對(duì)空心錐形噴霧射流與橫流摻混流場進(jìn)行了可視化實(shí)驗(yàn)研究。采用液滴雷諾數(shù)和液滴數(shù)流率來表征空心錐形噴霧的初始液滴狀態(tài)，進(jìn)而針對(duì)橫流中空心錐形噴霧液滴群的擴(kuò)散特性以及不同因素對(duì)摻混流場結(jié)構(gòu)的影響規(guī)律進(jìn)行了綜合對(duì)比分析，并對(duì)摻混流場主要特征結(jié)構(gòu)——CVP和剪切層建立了預(yù)測(cè)關(guān)聯(lián)式。本文系統(tǒng)闡明了空心錐形噴霧射流在橫流中的擴(kuò)散過程規(guī)律，研究結(jié)果拓寬了對(duì)空心錐形噴霧射流與橫流摻混過程的認(rèn)識(shí)，同時(shí)也為相關(guān)工業(yè)過程中發(fā)展空心錐形噴霧射流與橫向氣流的摻混組織技術(shù)提供參考。

1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

空心錐形噴霧射流與橫向氣流摻混實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)主要包括氣路和液路兩部分(見圖1)。氣路主要包括離心風(fēng)機(jī)、變頻器、整流和穩(wěn)流管段等。通過變頻器(Unimat UT 550，0～5.5 kW)調(diào)節(jié)離心風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速進(jìn)而控制橫流空氣流量，從風(fēng)機(jī)出來的氣流經(jīng)過整流和穩(wěn)流以后形成均勻穩(wěn)定的橫向氣流，然后進(jìn)入摻混測(cè)試段。橫流氣體的速度由皮托管測(cè)速儀進(jìn)行測(cè)量。液路包括高壓氮?dú)?、耐壓?chǔ)液罐、霧化噴嘴和耐壓管路及儀表等。實(shí)驗(yàn)中射流工質(zhì)水儲(chǔ)存在耐壓儲(chǔ)液罐中，通過高壓氮?dú)庹{(diào)節(jié)儲(chǔ)罐內(nèi)部壓力進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)噴嘴霧化壓力的控制，采用針閥精確調(diào)節(jié)水的流量，采用Keller壓力傳感器測(cè)量噴嘴上游水的壓力?？招腻F形噴霧射流和橫向氣流在摻混測(cè)試段中完成摻混過程，測(cè)試段為矩形方腔結(jié)構(gòu)(長800 mm)，橫截面尺寸為180 mm×180 mm。

實(shí)驗(yàn)中選用普通商業(yè)空心錐形噴霧噴嘴(KB系列，H Iekuchi & Co., Ltd.)，結(jié)構(gòu)如圖2所示。通過選用不同型號(hào)的噴嘴或者改變噴嘴上游霧化壓力，即可實(shí)現(xiàn)不同的霧化效果。噴嘴的霧化壓力與質(zhì)量流率之間的關(guān)系通過電子稱重法進(jìn)行精確標(biāo)定。噴嘴安裝在測(cè)試段上壁面中軸線上，距離入口截面280 mm。為便于分析，噴嘴位置設(shè)定為坐標(biāo)原點(diǎn)，橫流方向?yàn)閤軸正方向，噴嘴位置豎直向下為y軸正方向。噴嘴的霧化錐角和相對(duì)于橫流的入射角示意圖見圖3，圖中θ和α分別為噴嘴的霧化錐角和入射角。

空心錐形噴霧射流在橫流中的擴(kuò)散特性通過PIV(Particle Image Velocimetry)測(cè)試技術(shù)進(jìn)行測(cè)量。PIV技術(shù)對(duì)流場橫截面和縱截面上瞬態(tài)液滴分布圖像的捕捉方法如圖4所示。測(cè)試段上各測(cè)試截面的對(duì)應(yīng)位置均進(jìn)行了開縫(寬3 mm)處理，以避免液滴粘壁對(duì)PIV拍攝圖像的影響，特別地，在對(duì)流場縱截面各個(gè)位置進(jìn)行拍攝時(shí)，測(cè)試段側(cè)壁布置自氣封玻璃罩(寬60 mm)以降低側(cè)壁開縫對(duì)流場的影響。測(cè)試段內(nèi)部噴涂啞光漆以降低背景光干擾。實(shí)驗(yàn)過程中，摻混測(cè)試段安裝在可移動(dòng)實(shí)驗(yàn)架上，在PIV系統(tǒng)完成光的對(duì)焦等處理后保持位置固定，然后通過逐次合理地調(diào)整可移動(dòng)實(shí)驗(yàn)架的橫向位移，即可實(shí)現(xiàn)對(duì)摻混流場不同橫截面或縱截面的連續(xù)拍攝。

圖1 空心錐形噴霧與橫流摻混實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)示意圖Fig.1 Schematic of experimental system of hollow cone spray in gaseous crossflow

圖2 空心錐形噴霧形態(tài)與噴嘴結(jié)構(gòu)Fig.2 Nozzle structure and hollow cone spray

圖3 噴嘴霧化錐角和初始霧化液滴速度示意圖Fig.3 Schematic of spray angle and velocity of initial atomized droplets

圖4 摻混流場結(jié)構(gòu)的PIV測(cè)試方法示意圖Fig.4 Schematic of PIV testing arrangement for flow structures measurement

為了確保實(shí)驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性，實(shí)驗(yàn)中對(duì)所有工況均進(jìn)行了兩次獨(dú)立測(cè)量。針對(duì)每一組實(shí)驗(yàn)工況，待摻混過程充分發(fā)展以后進(jìn)行流場的測(cè)量，每個(gè)測(cè)量截面連續(xù)拍攝80組瞬時(shí)圖像。有關(guān)上述實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)及測(cè)試方法的更多詳細(xì)描述參見文獻(xiàn)[19,22]。

由于空心錐形噴霧液膜的霧化距離很短，本文忽略液膜的霧化過程，另外由于橫流環(huán)境下對(duì)初始霧化液滴特征參數(shù)的測(cè)量存在困難，為便于分析，本文采用無橫流條件下空心錐形噴霧初始霧化液滴的特征參數(shù)來表征其霧化狀態(tài)。表征空心錐形噴霧霧化狀態(tài)的參數(shù)主要有初始霧化液滴的粒徑(索太爾直徑d32)和速度(液膜霧化后的液滴速度峰值ud，方向見圖3)、液滴數(shù)流率(即單位時(shí)間內(nèi)霧化液滴的數(shù)目Nd)以及霧化錐角(θ)。其中，霧化液滴的速度和粒徑分別采用PIV和馬爾文粒度儀進(jìn)行測(cè)量，噴霧液體質(zhì)量流率(q)采用電子秤稱重法進(jìn)行計(jì)量。本文實(shí)驗(yàn)工況參數(shù)范圍及其不確定度(U′)見表1和表2。

根據(jù)橫流速度及初始霧化液滴的狀態(tài)參數(shù)，可以計(jì)算出橫流雷諾數(shù)Reg、液滴雷諾數(shù)Red及液滴數(shù)流率Nd：

(1)

表1 噴霧狀態(tài)參數(shù)Table 1 Spray parameters

表2 橫流雷諾數(shù)及不確定度Table 2 Crossflow Reynolds number and uncertainty

(2)

(3)

式中:D為摻混方腔水力直徑，m；ρg為空氣密度，kg·m-3；ug為橫流空氣的速度，m·s-1；μg空氣動(dòng)力黏性系數(shù)，kg·m-1·s-1；ud為液滴初始速度，m·s-1；d32為液滴直徑，m；q為霧化工質(zhì)水的體積流率，m3·s-1。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 摻混流場基本結(jié)構(gòu)特征

空心錐形噴霧射流與橫流摻混流場橫截面和縱截面上的液滴及其速度矢量分布的典型實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果分別見圖5和圖6。

從圖中可以看出，摻混流場在展向方向上存在大尺度CVP結(jié)構(gòu)，在流向方向上存在剪切層結(jié)構(gòu)。需要指出的是，通過對(duì)本次多工況實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果的分析，發(fā)現(xiàn)了摻混流場中的另一典型特征結(jié)構(gòu)——噴霧射流尾跡(見圖6)。射流尾跡結(jié)構(gòu)下部與剪切層相連，呈向上發(fā)展的“水草”狀，且具有不規(guī)則和不連續(xù)的特征；其生成機(jī)制可能是由于CVP結(jié)構(gòu)對(duì)液滴的卷吸，也可能是由于剪切層與壁面之間存在尚未發(fā)現(xiàn)的尾跡渦結(jié)構(gòu)，但這些仍需要進(jìn)一步的證實(shí)，在這里不做闡述。綜合實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果可以看出，在橫向氣流中，空心錐形噴霧射流的擴(kuò)散特性主要體現(xiàn)在流場中的CVP、剪切層和射流尾跡3種特征結(jié)構(gòu)上，因此下文針對(duì)噴霧射流擴(kuò)散特性的分析主要圍繞這3種結(jié)構(gòu)而展開。

圖5 摻混流場橫截面液滴與速度矢量典型分布(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)

圖6 摻混流場縱截面瞬時(shí)噴霧結(jié)構(gòu)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 橫流與噴霧條件對(duì)摻混流場的影響

空心錐形噴霧射流在橫流中的擴(kuò)散特性是噴霧液滴群與主氣流之間競爭作用的結(jié)果。圖7(a)給出了不同橫流速度下噴霧射流液滴群在流場中的瞬態(tài)分布特征。橫流速度的提高意味著氣流動(dòng)量的增大和對(duì)霧化液滴的攜帶能力增強(qiáng)，直接影響液滴的擴(kuò)散特性和流場的結(jié)構(gòu)特征。已有文獻(xiàn)[19]基于液滴的擴(kuò)散特征對(duì)流場中的CVP結(jié)構(gòu)隨橫流速度的變化進(jìn)行了討論，發(fā)現(xiàn)隨著橫流速度的提高，CVP在流場中的深度降低且其結(jié)構(gòu)變小。除上述現(xiàn)象以外，本次實(shí)驗(yàn)還發(fā)現(xiàn)，摻混流場中的CVP結(jié)構(gòu)是不穩(wěn)定的，即CVP左右兩旋渦的渦心會(huì)出現(xiàn)位置波動(dòng)從而造成CVP瞬時(shí)結(jié)構(gòu)的空間非對(duì)稱性，原因主要在于射流的霧化及其與橫流的作用過程是非定常的，這也類似于直射式射流和橫流摻混過程中出現(xiàn)的反旋渦對(duì)(CVP)結(jié)構(gòu)。

通過分析CVP的渦心位置波動(dòng)和瞬時(shí)結(jié)構(gòu)變形程度可以衡量CVP結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。實(shí)驗(yàn)中對(duì)比不同工況流場中CVP的瞬時(shí)結(jié)構(gòu)圖像發(fā)現(xiàn)，對(duì)于一定的噴霧條件，摻混流場中CVP結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性隨著橫流速度的提高逐漸變好，且持續(xù)距離增大，而當(dāng)橫流速度更高時(shí)，流場中的CVP結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性又變差且持續(xù)距離縮短。此外，通過分析CVP卷吸引起的液滴時(shí)均速度分布，可以定性分析卷吸氣流的強(qiáng)度與速度分布特征，對(duì)比圖7(b)中3種情況下的液滴時(shí)均速度(umag)分布，可以看出，隨著橫流速度的增大，流場中卷吸氣流的強(qiáng)度也呈現(xiàn)先增大而后減弱的趨勢(shì)，這表明對(duì)于特定噴霧狀態(tài)的射流，只有選擇相匹配的橫流條件才能使流場中的CVP更加穩(wěn)定。此外，在摻混流場流向方向上，隨著橫流速度的提高，噴霧射流液滴在橫流中的貫穿深度降低，噴嘴近場液滴群高濃度區(qū)更多液滴被氣流攜帶向下游運(yùn)動(dòng)，剪切層位置上移，同時(shí)剪切層渦結(jié)構(gòu)和剪切層厚度均減?。涣硗猓羟袑由戏降纳淞魑槽E結(jié)構(gòu)也由離散且具有較大展面的“水草”狀近似規(guī)則形態(tài)逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)槲蓙y連續(xù)的不規(guī)則形態(tài)，且伸展長度也相應(yīng)縮短。

圖7 橫流速度對(duì)噴霧結(jié)構(gòu)的影響(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)

當(dāng)噴嘴的霧化錐角一定時(shí)，空心錐形噴霧射流的狀態(tài)可用其初始霧化液滴的雷諾數(shù)(Red)和液滴數(shù)流率(Nd)來表征，兩者數(shù)值的增大均意味著噴霧射流初始動(dòng)量的增大。上述兩個(gè)參數(shù)變化時(shí)對(duì)噴霧射流液滴群在橫流中擴(kuò)散特性的影響可以從圖8看出。在圖8中，3組工況對(duì)應(yīng)的噴嘴霧化錐角和橫流條件均相同。對(duì)比圖8(a)和圖8(b) 兩組工況可以看出，當(dāng)液滴數(shù)流率近似不變，而液滴雷諾數(shù)增大時(shí)，剪切層在橫流中的貫穿深度增大，且剪切層渦結(jié)構(gòu)變大，射流尾跡結(jié)構(gòu)具有更大的伸展長度；在流場展向方向上，CVP結(jié)構(gòu)增大且位置下移。圖8(b)和圖8(c)兩組工況中液滴的雷諾數(shù)近似，對(duì)比可以發(fā)現(xiàn)，液滴數(shù)流率的增大同樣使得剪切層渦和射流尾跡的伸展長度增大，并且也使CVP結(jié)構(gòu)變大。以上現(xiàn)象表明，對(duì)于空心錐形噴霧射流與橫流的摻混，提高初始霧化液滴的雷諾數(shù)和數(shù)流率均能在流場中誘導(dǎo)出更大的CVP、剪切層和射流尾跡結(jié)構(gòu)，同時(shí)使射流在橫流中的貫穿深度增大。

圖8 不同噴霧狀態(tài)下的噴霧結(jié)構(gòu)(θ=80°, Reg=4.8×104)Fig.8 Spray structures under different spray conditions (θ=80°, Reg=4.8×104)

圖9給出了噴嘴霧化錐角為80°時(shí)，相同橫流速度條件下不同噴霧液滴狀態(tài)各工況流場中液滴CVP的渦心強(qiáng)度和剪切層中心軌跡線對(duì)比。其中液滴CVP渦量強(qiáng)度是根據(jù)PIV拍攝圖像中液滴的時(shí)均速度矢量計(jì)算得出，其中渦量最大的位置定義為CVP渦心位置；剪切層軌跡定義為剪切層中線位置，通過對(duì)瞬態(tài)液滴圖像進(jìn)行時(shí)均處理后得出。從圖中可以看出，噴霧液滴的雷諾數(shù)和數(shù)流率的增大使得流場中液滴CVP的渦心強(qiáng)度增大，反映出流場CVP渦產(chǎn)生的卷吸氣流強(qiáng)度的增大；同樣，上述兩個(gè)特征參數(shù)的增大使得流場中剪切層軌跡的深度增加，這也反映了噴霧射流整體動(dòng)量的增大以及其在橫流中貫穿能力的增強(qiáng)。增大噴霧液滴數(shù)流率可以增大射流剪切層的貫穿深度這一現(xiàn)象與直噴式圓柱液體射流在橫流中的霧化擴(kuò)散行為類似，對(duì)于后者而言，當(dāng)液體密度不變且射流-橫流動(dòng)量通量比固定時(shí)(也即是射流速度不變)，液體射流在橫流中的貫穿深度隨著孔口直徑的增大而增大，這也表明了增大液體的質(zhì)量流率(即射流動(dòng)量的增大)可以提高圓柱液體射流的貫穿能力。不過，空心錐形噴霧射流與圓柱液體射流的不同之處在于：前者噴霧射流的初始狀態(tài)是三維錐形分散液滴群，其不同位置處的液滴所受氣流的作用不同，液滴群濃度越大，對(duì)橫流的阻礙作用越強(qiáng)，流場中形成的CVP結(jié)構(gòu)也就越大，同時(shí)背風(fēng)側(cè)液滴的貫穿深度也會(huì)相應(yīng)增大，而剪切層形成于噴霧背風(fēng)側(cè)下游CVP結(jié)構(gòu)的下邊界，因此液滴數(shù)流率(即噴霧液滴的質(zhì)量流率)的增大會(huì)使流場中剪切層的深度增加。

圖9 噴霧初始狀態(tài)對(duì)流場中液滴CVP和剪切層軌跡的影響(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結(jié)構(gòu)與剪切層軌跡預(yù)測(cè)模型

在空心錐形噴霧與橫向氣流的摻混過程中，CVP結(jié)構(gòu)和剪切層結(jié)構(gòu)是最主要的流場結(jié)構(gòu)特征。因此建立上述結(jié)構(gòu)的預(yù)測(cè)模型對(duì)于實(shí)際摻混過程組織及流場結(jié)構(gòu)預(yù)測(cè)具有重要指導(dǎo)意義。為了建立摻混流場中CVP和剪切層結(jié)構(gòu)的定量預(yù)測(cè)模型，這里借鑒直噴式射流與橫流的摻混以及Snchez 等[25]對(duì)于空心錐形噴霧初始動(dòng)量的分析，引入空心錐形噴霧與橫向氣流的動(dòng)量通量比J這一參數(shù)，J的計(jì)算式為

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式中：MI和Mg分別為空心錐形噴霧的動(dòng)量通量和橫流的動(dòng)量通量。其中，MI的表達(dá)式為

(5)

式中：ρl為液體密度，kg·m-3。從式(5)可以看出，在空心錐形噴霧的動(dòng)量通量中，液滴數(shù)流率已經(jīng)被考慮在內(nèi)。另外，由于本文研究的空心錐形噴霧與橫流的摻混過程是發(fā)生在受限空間內(nèi)(這也是實(shí)際工程中的普遍現(xiàn)象)，因此橫向氣流的動(dòng)量通量Mg的計(jì)算式為

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為了得出CVP結(jié)構(gòu)的定量變化規(guī)律，本文首先對(duì)流場橫截面上的液滴群CVP結(jié)構(gòu)區(qū)域的特征尺度(見圖10)進(jìn)行了表征：首先采用自編程序?qū)⑺矔r(shí)液滴分布圖進(jìn)行時(shí)均及增強(qiáng)對(duì)比度等處理，然后采用最大類間方差法(OTSU算法)對(duì)時(shí)均液滴圖像進(jìn)行二值化處理，進(jìn)而識(shí)別圖像中最

圖10 液滴群CVP時(shí)均結(jié)構(gòu)的處理過程Fig.10 Process of characteristic scales of time-averaged droplet CVP structure

大單連通區(qū)域的最小外接矩形，該矩形的長(k)和寬(h)即為液滴群CVP結(jié)構(gòu)的特征尺寸。

基于不同工況下液滴群CVP特征尺寸的實(shí)驗(yàn)處理數(shù)據(jù)，結(jié)合橫流雷諾數(shù)、液滴雷諾數(shù)以及噴霧與橫流動(dòng)量通量比等參數(shù)，采用多參數(shù)線性回歸的方法[19]，得出噴嘴垂直于橫流入射且霧化錐角為80°時(shí)，液滴群CVP結(jié)構(gòu)特征尺寸的預(yù)測(cè)關(guān)聯(lián)式為

(7)

(8)

在對(duì)摻混流場中的剪切層軌跡進(jìn)行分析時(shí)，首先對(duì)PIV拍攝的多組瞬時(shí)液滴圖像進(jìn)行時(shí)均處理，并通過增強(qiáng)對(duì)比度等方法對(duì)圖像質(zhì)量進(jìn)行優(yōu)化(如圖11所示)。進(jìn)而采用最大類間方差法對(duì)圖像進(jìn)行處理和邊緣檢測(cè)[26]提取，即可獲得流場剪切層結(jié)構(gòu)的上下邊界。這里定義剪切層中線位置即為剪切層軌跡線。

采用同樣的處理方法，可以得出垂直于橫流入射且霧化錐角為80°時(shí)，空心錐形噴霧與橫向氣流摻混流場中剪切層軌跡的預(yù)測(cè)關(guān)聯(lián)式：

(9)

圖12給出了液滴群CVP結(jié)構(gòu)特征尺寸(k

圖11 剪切層軌跡處理方法示意圖Fig.11 Image processing methods for droplet shear layer trajectory

和h)的預(yù)測(cè)值與實(shí)驗(yàn)測(cè)量值的對(duì)比，圖中下標(biāo)“cal”和“exp”分別表示預(yù)測(cè)值和實(shí)驗(yàn)測(cè)量值,其中，k的平均絕對(duì)誤差(Mean Absolute Error, MAE)、均方根誤差(Root Mean Square Error, RMSE)和標(biāo)準(zhǔn)差(Standard Deviation, SD)分別約為4.4%、5.8%和5.8%；h的平均絕對(duì)誤差、均方根誤差和標(biāo)準(zhǔn)差分別約為7.7%、9.7%和9.6%。圖13給出了液滴群剪切層中心軌跡(y)的預(yù)測(cè)值與實(shí)驗(yàn)值的對(duì)比，其中，y的平均絕對(duì)誤差、均方根誤差和標(biāo)準(zhǔn)差分別約為7.2%、9.2%和8.8%。從對(duì)比結(jié)果可以看出，預(yù)測(cè)值和實(shí)驗(yàn)值符合良好，表明以上建立的關(guān)聯(lián)式可以很好地對(duì)摻混流場中的CVP結(jié)構(gòu)和剪切層軌跡進(jìn)行預(yù)測(cè)。

圖12 液滴群CVP結(jié)構(gòu)特征尺寸的實(shí)驗(yàn)值與計(jì)算值對(duì)比Fig.12 Comparison of experimental vs calculated feature sizes for droplet CVP

圖13 剪切層軌跡的實(shí)驗(yàn)值與計(jì)算值對(duì)比Fig.13 Comparison of experimental vs calculated shear layer trajectory

2.4 射流入射角度影響

在射流摻混系統(tǒng)中，射流相對(duì)橫流的入射角度同樣也是摻混組織過程中需要考慮的重要因素之一。

圖14給出了不同入射角度下空心錐形噴霧射流在流場展向方向上的液滴及其速度矢量分布的典型實(shí)驗(yàn)結(jié)果。從瞬態(tài)液滴圖上可發(fā)現(xiàn)，隨著射流入射角度的減小，摻混初期所形成的CVP結(jié)構(gòu)越大，但結(jié)構(gòu)越不穩(wěn)定，CVP引起的局部液滴富集現(xiàn)象明顯減弱，液滴群更加分散。這主要是由于射流前傾入射時(shí)，射流與橫流之間具有更大的相對(duì)速度差，兩者相互作用更加劇烈，強(qiáng)化了流場的不穩(wěn)定性，同時(shí)也促進(jìn)了液滴的擴(kuò)散。相對(duì)于射流垂直入射，射流傾斜入射時(shí)流場中液滴高濃度區(qū)(CVP區(qū))均上移。此外，通過對(duì)比液滴的時(shí)均速度矢量分布結(jié)果(圖14(b))可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)α=90°和α=120°時(shí)，CVP區(qū)液滴具有較大的運(yùn)動(dòng)速度，這反映了CVP對(duì)液滴具有較大的卷吸能力；而在α=60°時(shí)，流場中CVP區(qū)液滴的速度顯著降低，表明CVP的強(qiáng)度減弱。另外，通過對(duì)比3種入射角度下CVP的渦心位置，發(fā)現(xiàn)α=90°時(shí)CVP渦心深度最大，當(dāng)α=120°時(shí)CVP渦心距最小。通過以上對(duì)比可以得出，相對(duì)于射流垂直入射，射流前傾入射可以使流場中CVP結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度降低，減弱CVP卷吸引起的局部液滴富集，有效促進(jìn)流場上部CVP區(qū)液滴的擴(kuò)散。

圖14 入射角度對(duì)流場橫截面液滴分布特性的影響 (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，摻混流場縱截面上的射流液滴擴(kuò)散形態(tài)見圖15。通過對(duì)比可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)α=60°時(shí)，流場剪切層渦結(jié)構(gòu)顯著增大，且射流尾跡結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)紊亂無規(guī)則形態(tài)；隨著入射角度的增大，剪切層渦結(jié)構(gòu)變小，剪切層區(qū)域厚度變??；當(dāng)α=90°時(shí)，射流尾跡結(jié)構(gòu)形態(tài)更加規(guī)則。此外，3種入射角度下，α=90°和120°時(shí)，流場剪切層區(qū)域的液滴富集現(xiàn)象均較為明顯，這也進(jìn)一步表明射流前傾入射可以有效抑制流場中液滴的傾向性局部富集，有利于液滴的擴(kuò)散。

圖15 不同入射角度下流場縱截面噴霧射流形態(tài)結(jié)構(gòu) (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)

與圖15中的實(shí)驗(yàn)工況相對(duì)應(yīng)，圖16給出了不同入射角度下射流液滴在流場縱向平面(xOy)不同位置處的時(shí)均速度分布?？梢钥闯?，由于剪切層和射流尾跡結(jié)構(gòu)的存在，流場不同位置處液滴的速度分布有很大差異。以射流垂直入射(α=90°)的情況為例，在流場上部CVP影響區(qū)，液滴的水平速度(u)先增大后減小(射流尾跡區(qū))而后再逐漸增大(剪切層區(qū))，之后進(jìn)入下方的主流區(qū)液滴速度變化緩慢，在流場底部區(qū)域速度再一次降低；液滴的縱向速度(v)在CVP影響區(qū)先增大后減小，之后在主流區(qū)速度區(qū)域逐漸穩(wěn)定。

相比而言，在CVP影響區(qū)內(nèi)，液滴的水平速度和縱向速度均隨著入射角度的增大而增大；并且在α=60°和α=90°時(shí)，液滴的水平速度沿流場方向逐漸增大，而在α=120°時(shí)則是先降低而后增大；3種入射角度下，α=90°時(shí)液滴的水平速度變化最小。當(dāng)射流后傾入射時(shí)，射流液滴群與橫流之間相對(duì)速度變小，使得流場剪切層渦結(jié)構(gòu)變?nèi)?，?duì)液滴的影響較小，因而液滴的速度在剪切層區(qū)變化不大(α=120°)。此外，由于射流垂直入射時(shí)流場中CVP和剪切層結(jié)構(gòu)具有更大的貫穿深度，因此，液滴的縱向速度峰值位置更低(與α=60°和α=120°相比)。在CVP下方主流區(qū)內(nèi)，摻混后期液滴的水平速度和縱向速度沿流場方向均變化不大，然而在流場下部區(qū)域，隨著入射角度的增大，液滴的水平速度下降更快。

圖16 入射角度對(duì)流場中心縱截面上液滴速度分布的影響(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 噴嘴霧化錐角影響

圖17給出了橫流速度相同并且初始霧化液滴狀態(tài)近似時(shí)，兩種霧化錐角的噴霧射流所對(duì)應(yīng)的摻混流場液滴分布。相比θ=80°，當(dāng)噴嘴霧化錐角變小(θ=60°)時(shí)，噴霧射流在展向方向上速度減小而在豎直方向上速度增大，從而引起流場結(jié)構(gòu)發(fā)生較大的變化。從圖中可以看出，隨著噴嘴霧化錐角的降低，流場中CVP結(jié)構(gòu)位置下移，其尺度在展向方向上減小而在豎直方向上增大；在流場流向方向上，剪切層渦結(jié)構(gòu)變小，剪切層厚度變薄。此外，通過對(duì)比兩種角度下CVP和射流尾跡的結(jié)構(gòu)特征，發(fā)現(xiàn)在較小的霧化錐角時(shí)，流場中的CVP結(jié)構(gòu)更穩(wěn)定且持續(xù)距離更遠(yuǎn)，射流尾跡結(jié)構(gòu)形態(tài)也更加規(guī)則和清晰。

圖18給出了橫流速度相同且噴霧條件近似時(shí)兩種霧化錐角所對(duì)應(yīng)的流場xOy平面上液滴的速度分布對(duì)比?？梢钥闯?，與θ=80°相比，當(dāng)θ=60°時(shí)流場流向方向上液滴的水平速度減小，縱向速度增大；并且由于θ=60°時(shí)流場CVP結(jié)構(gòu)的位置下移，使得液滴的速度峰值也出現(xiàn)相應(yīng)的下移。

2.6 與直噴式射流摻混流場結(jié)構(gòu)的差異

在射流摻混研究領(lǐng)域，對(duì)于摻混流場結(jié)構(gòu)的研究最為廣泛的是直噴式射流和橫流的摻混，與本文噴霧式射流和橫流的摻混相比，兩者流場結(jié)構(gòu)具有一定的可類比性。為了更好地促進(jìn)對(duì)空心錐形噴霧射流與橫流摻混機(jī)制的理解和認(rèn)識(shí)，這里對(duì)上述兩種形式的射流摻混流場結(jié)構(gòu)進(jìn)行了對(duì)比分析。

在直噴式氣體射流與橫流的摻混流場中主要存在4種大渦結(jié)構(gòu)(見圖19，圖中U∞表示橫流速度，Uj表示射流氣體速度)：CVP、剪切層渦、尾跡渦和馬蹄形渦。不同渦結(jié)構(gòu)的形成機(jī)制在諸多文獻(xiàn)中[27-29]有詳細(xì)分析，這里不多做闡述，僅對(duì)其結(jié)構(gòu)形態(tài)等方面進(jìn)行討論。① CVP：無論對(duì)于直噴式射流還是空心錐形噴霧射流，CVP均是摻混流場中最主要的大尺度渦結(jié)構(gòu)，主導(dǎo)射流工質(zhì)的擴(kuò)散；差別在于，對(duì)于直噴式射流，外部氣流作用下使得射流本身演變成為CVP結(jié)構(gòu)，CVP的渦心在射流內(nèi)部；而對(duì)于空心錐形噴霧射流，CVP位于噴霧射流背風(fēng)側(cè)后方(示意圖見圖20，噴嘴向下噴射)，主要原因在于空心錐形噴霧射流的初始形態(tài)為錐形分散的液滴群，其對(duì)橫流的阻礙作用在噴霧射流背風(fēng)側(cè)后方出現(xiàn)低壓區(qū)，外部氣流向低壓區(qū)流動(dòng)從而形成CVP，周圍區(qū)域離散液滴被氣流卷吸進(jìn)入CVP，因而CVP的渦心在噴霧射流主體的外部。② 剪切層渦：在直噴式射流與橫流摻混流場中，主要的剪切層結(jié)構(gòu)出現(xiàn)在射流迎風(fēng)面上，而對(duì)于空心錐形噴霧射流與橫流的摻混，主流區(qū)和CVP區(qū)內(nèi)氣流速度大小和方向的差異在兩者界面處誘發(fā)剪切層渦的出現(xiàn)，剪切層和剪切層渦存在于噴霧射流的背風(fēng)側(cè)。③ 尾跡渦：在直噴式射流與橫流摻混過程中，射流背風(fēng)側(cè)會(huì)出現(xiàn)明顯的尾跡結(jié)構(gòu)，其形成原因在于射流背風(fēng)側(cè)下游存在尾跡渦結(jié)構(gòu)，尾跡渦兩端分別連接CVP和下壁面流體邊界層，實(shí)現(xiàn)兩者之間能質(zhì)的傳遞[29-30](見圖21)；從形態(tài)上看，直噴式射流和空心錐形噴霧射流兩者在橫流中產(chǎn)生的尾跡結(jié)構(gòu)較為相似，均呈現(xiàn)不連續(xù)性且延展方向近似與射流背風(fēng)側(cè)垂直。但目前尚未在空心錐形噴霧射流與橫流的摻混流場中發(fā)現(xiàn)尾跡渦結(jié)構(gòu)，其是否存在以及是否為噴霧射流尾跡出現(xiàn)的主導(dǎo)因素，仍待進(jìn)一步查明。

圖20 空心錐形噴霧與橫流摻混流場CVP結(jié)構(gòu)形成原理示意圖Fig.20 Schematic of CVP formed by hollow cone spray interacting with crossflow

圖21 直噴式氣體射流與橫流摻混流場瞬態(tài)結(jié)構(gòu)圖Fig.21 Visualization of instantaneous flow structures of gaseous jet in crossflow

通過以上對(duì)比，可以發(fā)現(xiàn)兩種射流形式與橫流的摻混流場中均存在CVP、剪切層(渦)及射流尾跡等典型結(jié)構(gòu)，這些典型結(jié)構(gòu)具有一定的相似性，但在形成機(jī)制及對(duì)射流工質(zhì)擴(kuò)散的影響等方面卻有很大差異。

3 結(jié) 論

本文基于可視化實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果，系統(tǒng)分析了空心錐形噴霧射流的初始霧化狀態(tài)(液滴雷諾數(shù)、液滴數(shù)流率)、入射角度、霧化錐角以及橫流速度等關(guān)鍵參數(shù)對(duì)空心錐形噴霧射流在橫流中擴(kuò)散特性的影響規(guī)律，并針對(duì)噴霧垂直于橫流入射且霧化錐角為80°時(shí)摻混流場中的液滴群CVP結(jié)構(gòu)特征尺寸和剪切層軌跡建立了預(yù)測(cè)關(guān)聯(lián)式。主要結(jié)論如下：

1) 噴霧射流霧化液滴雷諾數(shù)和液滴數(shù)流率的增加均能使流場中CVP、剪切層渦及射流尾跡結(jié)構(gòu)增大；噴霧射流由垂直入射變?yōu)榍皟A入射時(shí)，射流與橫流的相互作用增強(qiáng)，促進(jìn)了流場中CVP和射流尾跡的不穩(wěn)定發(fā)展，強(qiáng)化了CVP區(qū)域液滴的湍流擴(kuò)散并減弱了局部的液滴富集現(xiàn)象，但射流整體貫穿深度降低。

2) 當(dāng)橫流速度不變而噴嘴的霧化錐角變小時(shí)，流場中的CVP結(jié)構(gòu)位置下移，在展向平面上水平寬度縮小而豎直長度增大，且CVP結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性增強(qiáng)。

3) 當(dāng)噴霧條件相同時(shí)，隨橫流速度的提高，流場中的CVP、剪切層渦和射流尾跡結(jié)構(gòu)均逐漸減小，但CVP的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性及其卷吸氣流強(qiáng)度呈現(xiàn)先增強(qiáng)后減弱的規(guī)律。

本文研究結(jié)果擴(kuò)寬了對(duì)空心錐形噴霧與橫流摻混過程的認(rèn)識(shí)，在一定程度上可以為實(shí)際工業(yè)技術(shù)中的摻混過程組織和流場結(jié)構(gòu)調(diào)控提供參考。然而，需要注意的是，由于空心錐形噴霧射流與橫向氣流的摻混過程非常復(fù)雜，目前對(duì)該兩相流場中的氣相場參數(shù)測(cè)量仍存在困難，且在高精度高效率的數(shù)值模擬技術(shù)方面也有待進(jìn)一步的突破。另外，盡管本文基于實(shí)驗(yàn)測(cè)量結(jié)果針對(duì)特定條件下空心錐形噴霧射流與橫流摻混流場中的液滴群CVP結(jié)構(gòu)特征尺寸和剪切層中心軌跡建立了預(yù)測(cè)模型，但考慮噴霧錐角和噴射角度等多參數(shù)耦合影響以及在更寬工況范圍內(nèi)具有普適性的定量模型仍有待深入而系統(tǒng)的研究。進(jìn)一步的，摻混流場結(jié)構(gòu)與噴霧射流-橫流摻混效果之間的關(guān)系也尚未明確，這些均是指導(dǎo)實(shí)際工業(yè)中空心錐形噴霧射流與橫流摻混過程組織的關(guān)鍵，同樣也是今后該研究領(lǐng)域亟需重點(diǎn)解決的主要問題。