周高偉，閻凱，李峰

(1.中車工業(yè)研究院有限公司，北京 100070；2.中車大連機(jī)車研究所有限公司，遼寧 大連 116021)

目前，國內(nèi)外已有研究者對流動聚焦/模糊噴嘴進(jìn)行了研究。對于流動聚焦模式，噴嘴氣液流量較小(通常為幾毫升每分鐘)。司廷等[9-10]就流動參數(shù)對噴嘴生成液滴的影響進(jìn)行了研究，研究表明，氣相流量的增加有助于噴嘴生成單分散小液滴，液相流量增加時(shí)的影響相反。Acero和Vega等[11-14]的研究則表明，通過磨尖噴嘴內(nèi)管、在內(nèi)管中添加導(dǎo)桿等方法可以提高噴嘴流動聚焦模式時(shí)生成液滴的穩(wěn)定性。而對于流動模糊模式，噴嘴出口的氣液流動速度通常能達(dá)到幾十米每秒，Azevedo等[15]的研究表明，噴嘴采用錐形噴孔時(shí)對液相流體工質(zhì)的霧化效率最高；Simmons和Jiang等[16-17]的研究則表明，較高的氣液比有利于噴嘴外部液滴的二次破碎，從而提高噴嘴的霧化效果。

流動聚焦/模糊噴嘴依靠噴嘴內(nèi)部氣相流體的調(diào)控作用才能在不同的工況下以不同的流動模式工作。但是，目前對噴嘴內(nèi)部氣液流動的研究仍然十分有限。部分研究者發(fā)現(xiàn)噴嘴內(nèi)部還存在不同于流動聚焦模式和流動模糊模式的第三種流動模式[18]。另外，已有的研究由于研究的目的不同，大多是單獨(dú)對噴嘴以流動聚焦模式或流動模糊模式工作時(shí)的特點(diǎn)進(jìn)行研究，而未從整體上對噴嘴的流動模式進(jìn)行研究，這在一定程度上阻礙了流動聚焦/模糊噴嘴的實(shí)際應(yīng)用，特別是在液體噴霧與燃燒領(lǐng)域的應(yīng)用。

基于以上原因，本研究將通過試驗(yàn)和數(shù)值模擬方法對流動聚焦/模糊噴嘴內(nèi)部的氣液流動形態(tài)及流動模式進(jìn)行研究。搭建了流動聚焦/模糊噴嘴內(nèi)部氣液流動試驗(yàn)平臺，對噴嘴內(nèi)部的氣液流動模式進(jìn)行研究。建立了噴嘴內(nèi)部氣液流動的數(shù)值模擬模型，對不同流動模式時(shí)噴嘴內(nèi)部的氣液流動形態(tài)進(jìn)行研究。在此基礎(chǔ)上，通過流型圖對氣液流動參數(shù)和噴嘴結(jié)構(gòu)參數(shù)對噴嘴流動模式的影響進(jìn)行研究。

1 試驗(yàn)平臺及數(shù)值模擬模型

1.1 流動聚焦/模糊噴嘴

本試驗(yàn)需要對不同工況時(shí)流動聚焦/模糊噴嘴內(nèi)部的氣液流動進(jìn)行研究，因此，試驗(yàn)時(shí)采用的流動聚焦/模糊噴嘴需滿足可視化和可變結(jié)構(gòu)的要求。基于此，設(shè)計(jì)了模塊化的流動聚焦/模糊噴嘴，其結(jié)構(gòu)剖視圖以及實(shí)物圖見圖1。

圖1 流動聚焦/模糊噴嘴結(jié)構(gòu)剖視圖和實(shí)物圖

如圖1a所示，試驗(yàn)用流動聚焦/模糊噴嘴由噴嘴內(nèi)管、噴嘴主體和噴孔組件三部分組成。液相流體和氣相流體分別通過噴嘴內(nèi)管和噴嘴主體進(jìn)入流動聚焦/模糊噴嘴，在噴嘴內(nèi)管頭部和噴孔組件構(gòu)成的混合區(qū)內(nèi)相互作用后，通過在噴孔組件底部的噴孔流出噴嘴。由于研究不針對某一具體應(yīng)用，且考慮到試驗(yàn)的安全性以及對環(huán)境的影響，采用水和空氣作為流動聚焦/模糊噴嘴的試驗(yàn)工質(zhì)。

噴孔組件采用亞克力材料制作并進(jìn)行拋光處理，從而滿足可視化試驗(yàn)的需求。進(jìn)行研究時(shí)，主要改變的噴嘴結(jié)構(gòu)參數(shù)為管孔距H(內(nèi)管與噴孔間的距離)、噴孔直徑Dh和噴孔長度Lh。試驗(yàn)用流動聚焦/模糊噴嘴的噴孔組件和噴嘴主體間通過螺紋進(jìn)行連接，更換不同的噴孔組件即可以對噴孔直徑和噴孔長度進(jìn)行調(diào)整。而通過在噴孔組件與噴嘴主體的連接螺紋處添加不同數(shù)量厚度為1 mm的墊片則可以實(shí)現(xiàn)對管孔距的調(diào)整。試驗(yàn)用流動聚焦/模糊噴嘴的主要結(jié)構(gòu)參數(shù)見表1。

表1 流動聚焦/模糊噴嘴主要結(jié)構(gòu)參數(shù)

1.2 流動聚焦/模糊噴嘴內(nèi)部氣液流動試驗(yàn)平臺

根據(jù)對流動聚焦/模糊噴嘴內(nèi)部氣液流動研究的需要，搭建了流動聚焦/模糊內(nèi)部氣液流動試驗(yàn)平臺(見圖2)。

圖2 流動聚焦/模糊噴嘴試驗(yàn)平臺

采用空氣壓縮機(jī)和液體泵作為流動聚焦/模糊噴嘴氣液兩相流體供給的動力源，以氣液兩相流體管路上安裝的容積式流量計(jì)和壓力調(diào)節(jié)閥對噴嘴的氣液兩相流量進(jìn)行調(diào)節(jié), 試驗(yàn)時(shí)氣體流量的調(diào)節(jié)范圍為10～100 L/min，液體流量的調(diào)節(jié)范圍為100～1 000 mL/min。不同工況時(shí)氣液流體的壓力均保持恒定且氣體壓力比液體壓力更大；氣體壓力的最大值為0.7 MPa，液體壓力的最大值為0.5 MPa。通過FASTCAM Mini UX100高速攝像機(jī)對噴嘴內(nèi)部的氣液流動形態(tài)進(jìn)行拍攝，將白色光源與高速攝像機(jī)相對布置以提高拍攝的清晰度。進(jìn)行每組試驗(yàn)時(shí)，分別打開空氣壓縮機(jī)和液體泵，檢查氣液流體管路，在不存在泄漏的情況下，緩慢調(diào)節(jié)氣液流量計(jì)和壓力閥，使噴嘴氣液流量達(dá)到試驗(yàn)?zāi)繕?biāo)值。待噴嘴穩(wěn)定工作1 min后，通過高速攝像機(jī)對噴嘴內(nèi)部的氣液流動形態(tài)拍攝10張圖像，完成該組試驗(yàn)。

1.3 流動聚焦/模糊噴嘴內(nèi)部氣液流動的數(shù)值模擬模型

以流動聚焦/模糊噴嘴混合區(qū)和噴孔區(qū)域作為數(shù)值模擬的計(jì)算域?？紤]到計(jì)算域?yàn)檩S對稱結(jié)構(gòu)，為節(jié)省計(jì)算時(shí)間，取計(jì)算域橫截面的1/2區(qū)域作為數(shù)值模擬的最終計(jì)算域(如圖3所示)。

圖3 流動聚焦/模糊噴嘴數(shù)值模擬計(jì)算域示意圖及其范圍

如圖3所示，虛線框區(qū)域?yàn)楸狙芯繉α鲃泳劢?模糊噴嘴內(nèi)部氣液流動進(jìn)行數(shù)值模擬的計(jì)算區(qū)域。計(jì)算區(qū)域在噴嘴徑向的寬度為4 mm，在噴嘴軸向上，由于不同流動模式時(shí)噴嘴的管孔距不同，計(jì)算區(qū)域的長度范圍為13～15 mm。

對計(jì)算域劃分網(wǎng)格并試算后發(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(jì)算結(jié)果基本沒有影響。因此，最終選定的計(jì)算網(wǎng)格尺寸為0.02～0.1 mm，對混合區(qū)及噴孔中心氣液相互作用較為劇烈區(qū)域的網(wǎng)格進(jìn)行了加密，最小網(wǎng)格尺寸為0.02 mm。數(shù)值模擬模型計(jì)算網(wǎng)格總數(shù)為140萬個。

為對噴嘴內(nèi)部氣液流動的細(xì)微結(jié)構(gòu)進(jìn)行深入研究，采用大渦模擬方法對噴嘴內(nèi)部氣液流動的控制方程進(jìn)行求解。大渦模擬的控制方程如下：

(1)

(2)

式中：u為流體速度；ρ為流體密度；μ為流體黏度；p為流體壓力；τij為亞網(wǎng)格應(yīng)力；g為流體重力加速度；F為表面張力項(xiàng)。

大渦模擬方法采用濾波函數(shù)對氣液流動中的大尺度渦團(tuán)與小尺度渦團(tuán)進(jìn)行分離。對于大尺度渦團(tuán)，可以直接通過式(1)和式(2)進(jìn)行求解計(jì)算。對于小尺度渦團(tuán)，則可以通過引入亞網(wǎng)格應(yīng)力模型使式(2)封閉后進(jìn)行求解。在兼顧計(jì)算精度和計(jì)算效率的情況下，選擇Smagorinsky-Lilly模型作為數(shù)值計(jì)算的亞網(wǎng)格應(yīng)力模型，其亞網(wǎng)格應(yīng)力可由大尺度流場的應(yīng)變率確定：

(3)

式中：τkk為亞網(wǎng)格各項(xiàng)同性應(yīng)力；δij為克羅內(nèi)克函數(shù)；μt為亞網(wǎng)格渦黏系數(shù)。

數(shù)值模擬時(shí)，通過PISO算法對噴嘴內(nèi)部氣液流動壓力與速度的耦合進(jìn)行處理，利用二階迎風(fēng)格式對動量方程進(jìn)行離散，采用PRESTO法對噴嘴內(nèi)部壓力進(jìn)行處理。為精確對氣液兩相流體相界面進(jìn)行計(jì)算，采用VOF方法對流動聚焦/模糊噴嘴內(nèi)部氣液兩相流體相界面進(jìn)行追蹤。通過氣相體積函數(shù)α確定氣液區(qū)域：當(dāng)氣相體積函數(shù)α為0時(shí)，表明該區(qū)域?yàn)橐合鄥^(qū)域；當(dāng)氣相體積函數(shù)α為1時(shí)，表明該區(qū)域?yàn)闅庀鄥^(qū)域；當(dāng)氣相體積函數(shù)α介于0和1之間時(shí)，表明該區(qū)域液相和氣相共存，即混合區(qū)域。針對研究對象的特點(diǎn)，在進(jìn)行噴嘴內(nèi)部氣液兩相流體流動數(shù)值模擬時(shí)，計(jì)算區(qū)域氣相流體和液相流體入口邊界采用速度邊界條件，噴孔出口邊界采用壓力邊界條件，計(jì)算區(qū)域噴嘴壁面邊界采用無滑移壁面邊界條件，對稱線邊界采用對稱線邊界條件。

通過對比相同工況下流動聚焦/模糊噴嘴內(nèi)部氣液流動的試驗(yàn)圖像和數(shù)值模擬結(jié)果對噴嘴內(nèi)部氣液流動數(shù)值模擬模型進(jìn)行了驗(yàn)證。圖4示出流動聚焦模式下噴孔直徑5 mm、管孔距5 mm、液相流體流量100 mL/min條件，不同氣相流量時(shí)噴嘴內(nèi)部氣液流動形態(tài)的試驗(yàn)結(jié)果與數(shù)值模擬結(jié)果的對比。圖5示出流動過渡模式下噴孔直徑5 mm、管孔距1 mm、液相流體流量1 000 mL/min條件，不同氣相流量時(shí)噴嘴內(nèi)部氣液流動形態(tài)的試驗(yàn)結(jié)果與數(shù)值模擬結(jié)果的對比。

圖4 流動聚焦模式下不同工況時(shí)噴嘴內(nèi)部氣液流動試驗(yàn)結(jié)果與數(shù)值模擬結(jié)果的對比

圖5 流動過渡模式下不同工況時(shí)噴嘴內(nèi)部氣液流動試驗(yàn)結(jié)果與數(shù)值模擬結(jié)果的對比

從圖4和圖5可以看出，流動聚焦模式時(shí)，通過數(shù)值模擬方法計(jì)算得到的噴嘴混合區(qū)錐形液體射流和噴孔內(nèi)柱形液體射流的形態(tài)與試驗(yàn)結(jié)果基本相同；流動過渡模式時(shí)，通過數(shù)值模擬方法計(jì)算得到的噴嘴噴孔內(nèi)柱形液體射流的破碎點(diǎn)位置與試驗(yàn)結(jié)果基本相同。這說明本研究建立的流動聚焦/模糊噴嘴內(nèi)部氣液流動數(shù)值模擬模型較為準(zhǔn)確，可用于對噴嘴內(nèi)部的氣液流動形態(tài)進(jìn)行計(jì)算。

2 流動聚焦/模糊噴嘴內(nèi)部的氣液流動模式

噴嘴內(nèi)部的氣液流動模式對流動聚焦/模糊噴嘴的工作有重要的影響，但目前對流動聚焦/模糊噴嘴內(nèi)部存在的氣液流動模式還未有定論。利用本研究中設(shè)計(jì)的可視化流動聚焦/模糊噴嘴進(jìn)行試驗(yàn)后發(fā)現(xiàn)，噴嘴內(nèi)部存在流動聚焦模式、流動過渡模式和流動模糊模式3種流動模式。流動聚焦模式時(shí)，噴嘴內(nèi)部液體射流未發(fā)生破碎；流動過渡模式時(shí)，液體射流在噴嘴噴孔內(nèi)破碎；流動模糊模式時(shí)，噴嘴混合區(qū)和噴孔內(nèi)的液體射流均破碎。在噴孔直徑5 mm、噴孔長度10 mm和液相流量200 mL/min時(shí)，試驗(yàn)觀測到的流動聚焦/模糊噴嘴內(nèi)部不同流動模式下的流動圖像見圖6。

從圖6可以看出，3種流動模式時(shí)流動聚焦/模糊噴嘴內(nèi)部氣液流動的差異主要體現(xiàn)為氣液兩相流體間混合狀況的不同。

圖6給出的可視化試驗(yàn)結(jié)果表明：流動聚焦模式時(shí)，氣液兩相流體間的相互作用相對較弱，噴嘴內(nèi)不存在氣液兩相流體間的摻混，因此可以在噴嘴混合區(qū)和噴孔內(nèi)觀察到清晰的錐形液體射流和柱形液體射流；流動過渡模式時(shí)，氣液兩相流體間的相互作用增強(qiáng)，在噴嘴噴孔內(nèi)出現(xiàn)液體射流破碎，在液體射流破碎點(diǎn)下游的噴孔內(nèi)存在著劇烈的氣液兩相流體間的摻混，而在液體射流破碎點(diǎn)上游的噴嘴混合區(qū)和噴孔內(nèi)仍然可以觀察到清晰的錐形液體射流和柱形液體射流；流動模糊模式時(shí)，噴嘴內(nèi)部氣液兩相流體間的相互作用十分劇烈，在噴嘴混合區(qū)和噴孔內(nèi)均存在著氣液兩相流體間劇烈摻混，此時(shí)已很難再觀察到明顯的氣液兩相流體的分界面。

圖6 不同流動模式時(shí)噴嘴內(nèi)部的氣液流動試驗(yàn)圖像(Ql=200 mL/min)

3 不同流動模式下噴嘴內(nèi)部流動形態(tài)的數(shù)值模擬

不同流動模式時(shí)，流動聚焦/模糊噴嘴內(nèi)部的氣液相互作用程度不同，噴嘴流動參數(shù)和結(jié)構(gòu)參數(shù)的改變不僅會影響噴嘴內(nèi)部的流動模式，也會影響相同流動模式時(shí)噴嘴內(nèi)部的氣液流動形態(tài)。本節(jié)將通過數(shù)值模擬方法對不同流動模式時(shí)噴嘴內(nèi)部的氣液流動形態(tài)進(jìn)行深入研究，從氣液相互作用的角度對噴嘴內(nèi)部不同流動模式產(chǎn)生的原因進(jìn)行分析。

流動聚焦/模糊噴嘴內(nèi)部的氣液流動形態(tài)和流動模式與氣相流體有密切聯(lián)系，氣相流體的慣性力及黏性力對液相流體的流動起主要影響作用。雷諾數(shù)反映了流體慣性力與黏性力的相對大小，因此，通過氣相流體雷諾數(shù)對不同流動模式時(shí)噴嘴內(nèi)部的氣液流動形態(tài)進(jìn)行分析。氣相流體雷諾數(shù)定義為

(4)

式中：ρg為氣體密度；μg為氣體黏度；Qg為氣相流體流量。

3.1 流動聚焦模式下噴嘴內(nèi)部流動形態(tài)的數(shù)值模擬研究

圖7示出管孔距4 mm、噴孔直徑5 mm、噴孔長度10 mm、液相流量200 mL/min時(shí)，不同氣體雷諾數(shù)下通過數(shù)值模擬得到的噴嘴內(nèi)部氣液流動相分布、速度分布和壓力分布。

圖7 流動聚焦模式時(shí)不同氣相流量下噴嘴內(nèi)部氣液流動數(shù)值模擬結(jié)果

從圖7a中可以看出，流動聚焦模式時(shí)，隨著氣體雷諾數(shù)的增加，流動聚焦/模糊噴嘴混合區(qū)內(nèi)的錐形液體射流外凸程度逐漸減弱，錐形液體射流形態(tài)依次表現(xiàn)為外凸錐形、標(biāo)準(zhǔn)錐形和內(nèi)凹錐形三種形態(tài)；噴嘴噴孔內(nèi)的柱形液體射流直徑逐漸減小。

從圖7b和圖7c中可以看出，流動聚焦模式時(shí)，隨著氣體雷諾數(shù)的增加，流動聚焦/模糊噴嘴混合區(qū)及噴孔內(nèi)氣液兩相流體間速度與壓力的差距增加，氣相流體對液相流體的慣性力作用增強(qiáng)，這可能是噴嘴混合區(qū)錐形液體射流外凸程度減弱、噴孔內(nèi)柱形液體射流直徑減小的主要原因。從圖中可以發(fā)現(xiàn)，流動聚焦模式時(shí)盡管噴嘴內(nèi)部氣液兩相流動速度差與壓力差隨著氣體雷諾數(shù)增加而增加，但噴嘴內(nèi)部大部分區(qū)域氣液兩相流體流動的流線較為穩(wěn)定，這可能是流動聚焦模式時(shí)噴嘴內(nèi)部氣液流體間未發(fā)生摻混的主要原因。而在氣體雷諾數(shù)較大時(shí)，由于氣液流體間壓力差的增大，噴嘴噴孔下游區(qū)域氣液兩相流體流線開始出現(xiàn)一定的扭曲(圖7中虛線圈所示)，這種氣液兩相流動間的擾動(也就是氣體紊流作用增強(qiáng)的體現(xiàn))正是流動聚焦模式向流動過渡模式轉(zhuǎn)變的原因。

從圖7還可以看到，流動聚焦模式時(shí)，噴嘴內(nèi)部液體射流表面存在一定的不穩(wěn)定波動。隨著氣體雷諾數(shù)的增加，流動聚焦模式時(shí)噴嘴內(nèi)部液體射流表面的不穩(wěn)定波動有一定的減弱。這說明，流動聚焦模式時(shí)氣體的慣性力作用在使液體射流直徑減小的同時(shí)還能在一定程度上增強(qiáng)液體射流的穩(wěn)定性，這正是流動聚焦模式時(shí)噴嘴能夠生成較小粒徑液滴的重要原因之一。

3.2 流動過渡模式下噴嘴內(nèi)部流動形態(tài)的數(shù)值模擬

圖8示出管孔距3 mm、噴孔直徑5 mm、噴孔長度10 mm、液相流量400 mL/min時(shí)，不同氣體雷諾數(shù)下通過數(shù)值模擬得到的噴嘴內(nèi)部氣液流動相分布、速度分布和壓力分布。

從圖8a中可以看到，流動過渡模式時(shí)，流動聚焦/模糊噴嘴內(nèi)部氣液流動形態(tài)的差異主要體現(xiàn)為噴孔內(nèi)柱形液體射流的破碎。噴嘴氣體雷諾數(shù)較大時(shí)，噴嘴噴孔內(nèi)柱形液體射流破碎點(diǎn)距噴孔出口的距離增加，柱形液體射流的破碎程度提高。

從圖8b和圖8c中可以看到，流動過渡模式時(shí)，噴嘴混合區(qū)內(nèi)氣液流體流動的速度場和壓力場與流動聚焦模式時(shí)類似，而從噴孔內(nèi)氣液流動速度場和壓力場中可以發(fā)現(xiàn)，氣液兩相流體的壓力增加，氣相流體流動中存在大量的漩渦，氣體紊流對液體的擾動作用增強(qiáng)。噴孔內(nèi)氣體紊流導(dǎo)致的氣相流體漩渦對液體射流的剪切和擾動作用正是流動過渡模式時(shí)液體射流發(fā)生破碎的主要原因。從圖中還可以發(fā)現(xiàn)，噴嘴氣體雷諾數(shù)較大時(shí)，噴嘴噴孔內(nèi)氣相流體漩渦逐漸向噴孔中心區(qū)域以及接近噴孔入口區(qū)域移動，這應(yīng)該就是氣體雷諾數(shù)較大時(shí)流動過渡模式下噴孔內(nèi)液體射流破碎位置上升、破碎程度提高的主要原因。

圖8 流動過渡模式時(shí)不同氣相流量下噴嘴內(nèi)部氣液流動數(shù)值模擬結(jié)果

對比圖8和圖7可以發(fā)現(xiàn)，氣體雷諾數(shù)較大時(shí)，流動聚焦/模糊噴嘴內(nèi)部氣體慣性力作用的增加主要起減弱液體射流穩(wěn)定性的作用，這也是導(dǎo)致流動過渡模式時(shí)噴嘴噴孔內(nèi)液體射流發(fā)生破碎的主要原因。

3.3 流動模糊模式下噴嘴內(nèi)部流動形態(tài)的數(shù)值模擬

圖9示出管孔距2 mm、噴孔直徑5 mm、噴孔長度10 mm、液相流量400 mL/min時(shí)，不同氣體雷諾數(shù)下通過數(shù)值模擬得到的噴嘴內(nèi)部氣液流動相分布、速度分布和壓力分布。

從圖9(a)中可以看到，流動模糊模式時(shí)，流動聚焦/模糊噴嘴混合區(qū)與噴孔內(nèi)的液體射流均已發(fā)生劇烈的破碎。噴嘴氣體雷諾數(shù)不同時(shí)，噴嘴內(nèi)部氣液流動形態(tài)的差異主要體現(xiàn)在液體射流的破碎程度上，氣體雷諾數(shù)較大時(shí)，噴嘴內(nèi)部液體射流破碎的程度較高。

圖9 流動模糊模式時(shí)不同氣相流量下噴嘴內(nèi)部氣液流動數(shù)值模擬結(jié)果

從圖9b和圖9c中可以看到，流動模糊模式時(shí)，流動聚焦/模糊噴嘴混合區(qū)內(nèi)氣液流體流動的流線有明顯的扭曲，且存在一定的氣液流動漩渦，即氣體紊流對液相流體的擾動作用較強(qiáng)，這應(yīng)該是導(dǎo)致噴嘴混合區(qū)內(nèi)錐形液體射流發(fā)生破碎的主要原因。噴嘴氣體雷諾數(shù)較大時(shí)，噴嘴內(nèi)部存在的氣液流動漩渦更明顯，氣液流動漩渦對噴孔中心區(qū)域的影響更明顯，氣體紊流對液相流體的擾動作用更強(qiáng)，氣液流動壓力較大且壓力的擾動更明顯，這可能是氣體雷諾數(shù)較大時(shí)噴嘴內(nèi)部液體射流破碎程度較高的原因。

從圖9還可以看到，盡管流動模糊模式時(shí)噴嘴內(nèi)部液相流體已發(fā)生破碎，但噴嘴混合區(qū)內(nèi)破碎后的射流整體形態(tài)仍然呈錐形，噴孔內(nèi)仍然存在一些未完全破碎的液柱。這主要是由于流動模糊模式時(shí)氣體雷諾數(shù)較高，氣體的慣性作用力對破碎液絲或液滴的擠壓作用較強(qiáng)，導(dǎo)致部分液絲和液滴之間出現(xiàn)碰撞融合現(xiàn)象。

上述研究結(jié)果表明，不同流動模式時(shí)，流動聚焦/模糊噴嘴內(nèi)部存在的不同氣液流動形態(tài)是由不同工況時(shí)氣相流體對液相流體的慣性力作用不同導(dǎo)致的。流動聚焦/模糊噴嘴內(nèi)部氣液流動模式由流動聚焦模式向流動過渡模式及流動模糊模式的轉(zhuǎn)變，與氣體慣性力作用增強(qiáng)時(shí)噴嘴內(nèi)部出現(xiàn)的氣液流動漩渦向噴孔中心區(qū)域及接近噴孔入口區(qū)域的移動有一定的關(guān)系。

4 噴嘴內(nèi)部氣液流動模式的試驗(yàn)研究

不同流動模式時(shí)流動聚焦/模糊噴嘴應(yīng)用的領(lǐng)域有明顯的差異，明確流動聚焦模式、流動過渡模式和流動模糊模式出現(xiàn)的工況對流動聚焦/模糊噴嘴結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)與實(shí)際應(yīng)用有重要意義。本研究將通過氣液流型圖對氣液流動參數(shù)和噴嘴結(jié)構(gòu)參數(shù)對流動聚焦/模糊噴嘴內(nèi)部三種流動模式的影響進(jìn)行研究。

圖10示出噴嘴噴孔直徑5 mm、噴孔長度10 mm時(shí)，不同噴嘴管孔距下通過試驗(yàn)方法得到的流動聚焦/模糊噴嘴內(nèi)部基于噴嘴氣液流動參數(shù)的流型圖。

圖10 不同管孔距時(shí)噴嘴內(nèi)部氣液流動參數(shù)流型圖

從圖10可以看到，流動聚焦模式主要出現(xiàn)在噴嘴氣相流量和液相流量較小的工況，流動模糊模式主要出現(xiàn)在噴嘴液相流量較小而氣相流量較大的工況。隨著噴嘴氣相流量的增加，噴嘴內(nèi)部的氣液流動模式會由流動聚焦模式向流動過渡模式及流動模糊模式轉(zhuǎn)變；而隨著噴嘴液相流量的增加，噴嘴內(nèi)部的氣液流動模式會由流動聚焦模式或流動模糊模式向流動過渡模式轉(zhuǎn)變。從整體上看，在大部分工況時(shí)流動聚焦/模糊噴嘴內(nèi)部均表現(xiàn)為流動過渡模式。

從圖10中還可以看到，隨著噴嘴管孔距的增加，流動聚焦/模糊噴嘴內(nèi)部流動聚焦模式出現(xiàn)的工況范圍有一定的增加，流動模糊模式出現(xiàn)的工況范圍有明顯的減小，管孔距增加到一定程度后，噴嘴內(nèi)部已不存在流動模糊模式。說明管孔距增加不利于噴嘴內(nèi)部流動模式向流動模糊模式轉(zhuǎn)變。

圖11示出噴嘴管孔距2 mm、噴孔長度10 mm時(shí)，不同噴嘴噴孔直徑下通過試驗(yàn)方法得到的流動聚焦/模糊噴嘴內(nèi)部基于噴嘴氣液流動參數(shù)的流型圖。

圖11 不同噴孔直徑時(shí)噴嘴內(nèi)部氣液流動參數(shù)流型圖

從圖11中可以看出，氣液兩相流量對噴嘴內(nèi)部流動模式的影響不受噴孔直徑的影響。隨著噴孔直徑的增加，流動模糊模式出現(xiàn)的工況范圍減小，流動聚焦模式出現(xiàn)的工況范圍增大。說明噴孔直徑的增加同樣不利于噴嘴內(nèi)部流動模式向流動模糊模式轉(zhuǎn)變。對比圖10和圖11可以發(fā)現(xiàn)，噴孔直徑對流動聚焦模式出現(xiàn)工況范圍的影響比管孔距大，而對流動模糊模式出現(xiàn)工況范圍的影響比管孔距小。

圖12示出噴嘴管孔距2 mm、噴孔直徑5 mm時(shí)，不同噴嘴噴孔長度下通過試驗(yàn)方法得到的流動聚焦/模糊噴嘴內(nèi)部基于噴嘴氣液流動參數(shù)的流型圖。

從圖12中可以看到，氣液兩相流量對噴嘴內(nèi)部流動模式的影響同樣不受噴孔長度的影響。隨著噴孔長度的增加，流動聚焦模式出現(xiàn)的工況范圍減小，流動模糊模式出現(xiàn)的工況范圍增加，噴孔長度對流動聚焦模式出現(xiàn)工況范圍的影響程度比流動模糊模式時(shí)更明顯。但從整體上看，噴孔長度對噴嘴內(nèi)部流動模式的影響相對較小。

圖12 不同噴孔長度時(shí)噴嘴內(nèi)部氣液流動參數(shù)流型圖

上述研究結(jié)果表明，噴嘴內(nèi)部的氣液流動模式與氣液流動參數(shù)和噴嘴結(jié)構(gòu)參數(shù)有密切的關(guān)系。流動聚焦模式主要出現(xiàn)在液相流量和氣相流量較小工況，流動模糊模式主要出現(xiàn)在液相流量較小而氣相流量較大工況；噴嘴管孔距和噴孔直徑的增加均不利于噴嘴內(nèi)部流動模糊模式的出現(xiàn)，噴孔長度的增加雖然有利于噴嘴內(nèi)部流動模糊模式的出現(xiàn)，但影響相對較小。

5 結(jié)論

a) 試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，由于氣液兩相流體間混合狀況的不同，流動聚焦/模糊噴嘴內(nèi)部的氣液流動模式可以分為流動聚焦模式、流動過渡模式和流動模糊模式3種；

b) 對噴嘴內(nèi)部氣液流動形態(tài)及流動模式的數(shù)值模擬研究發(fā)現(xiàn)，不同流動模式下，不同工況時(shí)氣相流體對液相流體慣性力作用的不同導(dǎo)致了噴嘴內(nèi)部的氣液流動形態(tài)不同；流動聚焦/模糊噴嘴內(nèi)部氣液流動模式由流動聚焦模式向流動過渡模式及流動模糊模式的轉(zhuǎn)變，與氣體慣性力作用增強(qiáng)時(shí)噴嘴內(nèi)部出現(xiàn)的氣液流動漩渦向噴孔中心區(qū)域及接近噴孔入口區(qū)域的移動有一定的關(guān)系；

c) 通過流型圖對試驗(yàn)結(jié)果的分析表明，流動聚焦模式主要出現(xiàn)在液相流量和氣相流量較小工況，流動模糊模式主要出現(xiàn)在液相流量較小而氣相流量較大工況；噴嘴管孔距和噴孔直徑的增加均不利于噴嘴內(nèi)部流動模糊模式的出現(xiàn)，噴孔長度的增加雖然有利于噴嘴內(nèi)部流動模糊模式的出現(xiàn)，但影響相對較小。