（动力机械及工程专业论文）环膜液体射流破碎机理的研究.pdf

中文摘要 射流是自然界和工程中大量存在的现象，射流雾化机理的研究是一具有重要 理论和工程应用背景的课题，特别是对于柴油机和直喷式分层燃烧汽油机。在各 种射流模式中有一类称为环膜液体射流，这是一种需要空气辅助或扰动的雾化形 式。由于该现象的复杂性，对其本质的认识和理论解释还远没达到令人满意的程 度。本文着重对环膜液体射流的破碎机理进行了理论和实验研究。 运用线性不稳定性理论，获得了表征环膜液体射流不稳定性的特征方程一色 散方程。通过对该方程进行数值求解，研究了环膜液体射流在不同条件下( 不 同的韦伯数w e 、雷诺数r e 、速度比u 、密度比q 和旋转强度q 、r ) ，两种扰 动模式在零阶模式( n - - 0 ) 和高阶模式( n = 1 ，2 ) 时射流破碎最大扰动增长率和波 数的关系。计算结果表明：由于韦伯数( w e ) 和雷诺数( r e ) 同时作用在内、外两个 气液界面上，因而，这两个参数对两种扰动模式均会产生影响且效果较显著。 凡是与内气体介质相关的无量纲参数( u i 、q i 、q ) 都主要对类反对称模式的扰 动产生影响，凡是与外气体介质相关的无量纲参数( u o 、q o 、r ) 都主要对类对 称模式的扰动产生影响，这一结论无论是对于零阶模式还是高阶模式同样成立。 一般，在一定条件下高阶模式下的最大扰动增长率要低于零阶模式。 采用阴影法和数字激光全息技术研究喷雾场的形态特征。实验结果表明，对 于同一种燃料，改变喷油装置的脉冲宽度并不能改善喷油质量；对于不同的燃料 ( 本文选用柴油和无水乙醇) ，乙醇的雾化质量要优于柴油。这与理论计算的结 论是相吻合的。 利用基于夫琅和费衍射的粒度测量技术和数字激光全息技术对喷雾场的粒 度分布进行研究。实验分析表明，在水平方向，喷嘴中心线和喷物体边缘处粒径 较大，中间位置粒径较小。在竖直方向呈现出这样的趋势：液滴在喷嘴最近处的 粒径较大，随后变小，再逐渐增大，最后又经历一次由小变大的过程。此外还将 柴油和乙醇燃料的粒径进行比较，发现柴油粒径大于乙醇粒径，说明乙醇比柴油 易于雾化。这与理论计算的结论是相吻合的。 实验结果还证明了数字激光全息技术在内燃机喷雾测量上的应用是可行的。 关键词：环膜液体射流破碎机理射流形态特性粒子场测量数字全息 a b s t r a c t t h eb r e a k u pa n da t o m i z a t i o no fl i q u i dj e t sa r eo ft h e o r e t i c a li m p o r t a n c ea n dh a v e b e e nw i d e l yu s e di ne n g i n e e r i n g ，e s p e c i a l l y ，i nd i e s e le n g i n e sa n dg a st u r b i n e se t c i n v a r i o u sj e tm o d e l s ，t h e r ei sak i n dn a m e da n n u l a rl i q u i dj e t ，w h i c hc o m m o n l yu s e di n a i r - a s s i s to ra i r - b l a s tl i q u i da t o m i z a t i o n d u et ot h ec o m p l e x i t yo ft h ep h e n o m e n o n ， t h eu n d e r s t a n d i n go ft h en a t u r ea n dt h e o r e t i c a le x p l a n a t i o na r es t i l ln o ts a t i s f a c t o r y i n t h ep r e s e n tw o r k ，a ni n v e s t i g a t i o nh a sb e e nc o n d u c t e do nt h ea n n u l a rl i q u i d j e t a c c o r d i n gt ot h el i n e a ri n s t a b i l i t yt h e o r y , t h ed i s p e r s i o ne q u a t i o no na na n n u l a r l i q u i dj e tm o d e li so b t a i n e d t h er e s u l t so fc a l c u l a t i o ns h o wt h eb r e a k u pm e c h a n i s m o ft h et w od i s t u r b a n c em o d e l sw i t hs y m m e t r i cm o d e ( n = 0 ) a n da s y m m e t r i cm o d e ( n = 1 ，2 ) i no t h e rw o r d s ，t h ee f f e c t so fd i m e n s i o n l e s sq u a n t i t i e s s u c ha sr e y n o l d s n u m b e r ( r e ) ，w e b e rn u m b e r ( w e ) ，d e n s i t yr a t i o ( q ) a n dr o t a t i o nr a t i o ( f 2 ，r ) ，o nt h e g r o w t hr a t ea n dd o m i n a n tf r e q u e n c yo fs u r f a c ew a v eo fa n n u l a rl i q u i dj e ta r e i n v e s t i g a t e d w e b e rn u m b e r ( w e ) a n dt h er e y n o l d sn u m b e r ( r e ) e f f e c to nb o t ht h e t w oi n t e r f a c e s ，t h e r e f o r e ，t h e s et w op a r a m e t e r so nt h et w od i s t u r b a n c e sw i l lh a v ea n i m p a c to np a r e r n sa n dt h ee f f e c t sa r ev e r yn o t a b l e a l lt h ed i m e n s i o n l e s sp a r a m e t e r s ( u i ，q i ，q ) r e l a t i n gt o i n n e ra i rm e d i u mh a v e i m p a c t so nt h ed i s t u r b a n c e so f p a r a s i n u o u sm o d e a l lt h ed i m e n s i o n l e s sp a r a m e t e r s ( u o ，q o ，r 3r e l a t i n gt oo u t e ra i r m e d i u mh a v ei m p a c t so nt h ed i s t u r b a n c e so fp a r a - v a r i c o s em o d e t h i sc o n c l u s i o n a p p l i e st ot h es y m m e t r i cm o d ea n dt h ea s y m m e t r i cm o d e si st h es a m e g e n e r a l ，u n d e r c e r t a i nc o n d i t i o n s ，t h ed i s t u r b a n c eg r o w t hr a t eo na s y m m e t r i cm o d e si sl o w e rt h a nt h e s y m m e t r i cm o d e s b ya p p l y i n gs h a d o w - g r a p ht e c h n i q u e a n d d i g i t a lh o l o g r a p h yt e c h n i q u e ， m a c r o c h a r a c t e ro ft h ea n n u l a rl i q u i dj e ti so b m i n e d e x p e r i m e n tr e s u l t ss h o w , a st o o n ef u e l ，a d j u s t i n gp u l s ew i d t ho ft h ei n j e c t o rd o e sn o tc h a n g et h ef u e la t o m i z a t i o n q u a l i t y f o rd i f f e r e n tf u e l s ( d i e s e la n da l c o h 0 1 ) ，a t o m i z a t i o nq u a l i t yo fa l c o h o li sb e r e r t h a nd i e s e l s t h i sr e s u l tc o i n c i d e sw e l lw i t ht h et h e o r e t i c a lr e s u l t s b ya p p l y i n gp a r t i c l em e a s u r e m e n tt e c h n i q u eb a s e do nf r a u n h o f e rd i f f r a c t i o na n d d i g i t a lh o l o g r a p h yt e c h n i q u e ，t h ep a r t i c l ed i s t r i b u t i o ni ss t u d i e d a c c o r d i n gt ot h e e x p e r i m e n t a lr e s u l t s ，w ec a ns e et h a tt h es i z ed i s t r i b u t i o nf o l l o w st h et r e n dl i k et h i s i n t h eh o r i z o n t a ld i r e c t i o n ，t h ep a r t i c l ea tt h es p r a yn o z z l ec e n t e r l i n ea n de d g e si sl a r g e ， a n dt h ep a r t i c l ei nt h em i d d l ei ss m a l l e r i nt h ev e r t i c a ld i r e c t i o n t h et r e n de m e r g e s t h ed r o pn e a rt h en o z z l ei sl a r g e r , a n dt h e nb e c o m e ss m a l l e r , t h e nt h ep a r t i c l es i z e g r a d u a l l yi n c r e a s e s ，a n dt h e nf r o ms m a l lt ol a r g eo n c ea g a i n b yc o m p a r i n gt h es i z eo f d i e s e la n da l c o h o l ，w ef i n dt h a td i e s e lp a r t i c l es i z eg r e a t e rt h a ne t h a n o l s t h i s s o l u t i o nd e m o n s t r a t e st h a ta l c o h o lc a nb ea t o m i z e dm o r ee a s i l y t h i sr e s u l tc o i n c i d e s w e l lw i t ht h et h e o r e t i c a lr e s u l t s f r o mt h ee x p e r i m e n tr e s u l t s ，i tc a nb es e e nt h a tt h ed i g i t a lh o l o g r a p h i c t e c h n o l o g ya p p l y i n gi nt h ef i e l do fs p r a y i n go ft h ei n t e r n a lc o m b u s t i o ne n g i n ei s f e a s i b i l i t y k e yw o r d s ：a n n u l a r l i q u i dj e t ，m e c h a n i s mo f j e tb r e a k u p ，m a c r o c h a r a c t e ro fa l i q u i dj e t ，p a r t i c l em e a s u r e m e n t ，d i g i t a lh o l o g r a p h y 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得苤鲞盘鲎或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名： 罩事 ) 灼 签字日期：沏8年多月石日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解墨盗盘堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权墨鲞盘堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名： 穸冤 导师签名： 签字日期：加8 年6 月5 日 签字日期：少。舻年月r 日 第一章绪论 第一章绪论 本章主要从液体射流的研究意义、高速液体射流破碎机理、环膜液体射流发 展等方面回顾了液体射流领域的研究历史及其发展状况，并阐述了本课题的意义 及主要工作。 1 1 引言 内燃机的发明，至今已有1 0 0 多年的历史。内燃机以其热效率高、结构紧凑， 机动性强，运行维护简便的优点著称于世。一百多年以来，内燃机的巨大生命力 经久不衰。目前世界上内燃机的拥有量大大超过了任何其它的热力发动机，在国 民经济中占有相当重要的地位。现代内燃机更是成为了当今用量最大、用途最广、 无一与之匹敌的最重要的热能机械。 但内燃机的大量使用也带来了一些尖锐的、不可回避的问题。首先，作为一 种无法短期再生的能源，地球上的化石燃料数量极其有限，而内燃机的使用又消 耗了大量的化石燃料，使得世界范围内的能源危机问题日益突出。同时，它又是 地球环境污染的最大根源之一。在一些大城市，内燃机所造成的环境污染已经到 了令人无法容忍的程度。世界范围内日益严格的排放法规，不可避免的能源危机， 都使得人们对内燃机的动力性、经济性及排放指标提出了越来越高的要求。 尤其是随着时代的发展，人们的环境保护意识越来越强，对内燃机的动力性、 经济性、排放及振动噪声性能的改善也愈加关注，这些问题归根结底取决于内燃 机的燃烧过程。因而，对燃烧过程的研究仍然是当今乃至相当长时间内内燃机研 究的主要课题之一。 实现内燃机的高效低污染燃烧一直是内燃机工作者执着追求的目标，但是由 于内燃机的燃烧过程是一种不连续的，极其复杂的物理化学变化的过程，而这较 之其他一些燃烧过程更为复杂，因此直到目前为止，对于内燃机燃烧过程的理论 及控制方法还有很多不清楚的地方，这就大大限制了内燃机各项性能指标的提 高。 柴油机和直喷式分层燃烧汽油机中的燃烧过程均属于喷雾燃烧，燃油与空气 之间的混合是控制燃烧过程的重要因素。燃油喷雾的质量直接决定了混合气形成 的质量。从这个意义上说，燃油的喷射雾化是影响内燃机燃烧过程及其性能的决 定性因素之一，在很大程度上决定了发动机的动力性、经济性和排放特性。喷雾 第一章绪论 的粒径分布特性及其空间分布特性对于发动机的燃烧过程起着至关重要的作用， 它直接影响着发动机燃烧室内混合气的形成，因而对发动机喷雾粒径分布特征及 其空间分布特征的研究与控制一直是发动机燃烧过程研究的重点课题之一。 从柴油机的角度来看，作为车用动力的柴油机可比汽油机节油3 0 - 4 0 以 上，在能源日益紧张的今天乃至可以预见的将来，柴油机的直喷化以及汽油车的 柴油化都将是一种趋势，从这个意义上说，对喷雾的研究有着十分重要的现实意 义。 从汽油机的角度来看，电控喷射式汽油机，特别是缸内直喷式汽油机，与传 统的化油器式汽油机相比，在多个方面都具有后者无可比拟的优越性，因而在轿 车中的应用越来越多。目前虽然对汽油机电喷技术的研究已取得相当的进展，但 对汽油喷雾的研究与控制仍有大量的工作要做。 内燃机的喷雾具有如此重要的意义，但由于喷雾是一个瞬态不稳定气液两相 流过程，其中包含着极为复杂的动量、能量的交换及传热、传质的过程，虽然对 它的认识比以前已经大大地深化了，但仍有很多问题，甚至是一些最基本的问题 还没有完全搞清楚，这需要研究者继续付出艰苦的努力。 在过去的岁月中，喷雾科学与技术有了长足的发展，应用领域不断扩大，目 前，喷雾学已经成为国际性的研究领域。其发展主要表现在喷雾学数学模型的进 展、数值计算分析的不断完善和光学测试技术的改进与开发。由于喷雾的重要性 日益显著，就要求研究人员具备更多的喷雾基础理论知识，熟悉相关的喷雾装置， 了解什么样的喷嘴最适合给定的用途，以及液体性质和环境因素如何影响喷嘴的 雾化特性。 1 2 液体射流破碎机理研究 1 2 1 液体射流破碎机理研究的意义 当液体从喷嘴射入周围介质中时，会逐渐分裂破碎甚至雾化成微小液滴。液 体之所以会出现破碎雾化的现象是因为这种流动是不稳定的。液体射流的不稳定 现象在许多工程实际应用中都出现过，并且被广泛应用于内燃机、化学工程、表 面喷涂、制药及喷墨打印等领域。尽管如此对于液体射流破碎雾化机理的研究还 没有完全被人们所认识，各国科学家还在锲而不舍地进行研究，以期该现象更好 地服务于工程实际的应用。 1 2 2 低速液体射流破碎机理 第一章绪论 低速液体射流即r a y l e i g h 模式( r a y l e i g h m o d e ) 射流，它所满足的条件 是：w e q 是表征射流液体运动特性的无量纲参数。分别称做韦伯数( w e b e r n u m b e r ) 和气液密度比( d e n s i t yr a t i o ) 。韦伯数是表示射流的表面张力与惯性力 之比，密度比q 表示周围气体与液体射流之间的密度比。在该模式下，表面张 力占了上风，射流速度和周围气体密度相对较小，故气体对射流的影响可以忽略， 这样表面张力的变化将成为射流破碎的主导因素。在不稳定表面波的发展作用 下，射流最终将破碎成一串液滴，液滴的尺寸可以与射流的半径相比较。 人们对液体射流的稳定性和破碎发生兴趣己经经历了1 5 0 年的历史。第一个 对射流稳定性进行理论研究的是p l a t e a u ，他的研究表明：当一个静态液体圆柱 长度超过它的周长，则它就是不稳定的。那么，两个液滴就可以被形成，他们的 总表面积将小于圆柱表面积。p l a t e a u 的工作也为后来被大家所共知和熟识的射 流稳定性理论( 即r a y l e i g h 稳定性理论) 提供了基础。 18 7 8 年，r a y l e i g h 2 】【3 】对射流破碎机理进行了首创性的较为全面和完整的理 论研究。r a y l e i g h 的研究对象是一无限长，初始稳定的圆柱形低速无粘液体射流， 他的研究方法是液体表面波不稳定性理论。他的结论是：在低速情况下，只有轴 对称模式是不稳定的，此时表面张力是液体射流破碎的原因，又将其称为 r a y l e i g h 破碎。r a y l e i g h 的另一个重要贡献是对液体射流的破碎尺度进行了预测， 他认为射流破碎长度约为射流半径的9 倍。r a y l e i g h 的工作为液体射流不稳定性 理论的研究奠定了基础。 1 9 3 1 年，w e b e r 4 等人对粘性液体射流进行了研究，他们发现粘性对液体射 流的稳定性有着不可忽略的影响，他们建立了考虑粘性的液体射流模型，并得到 了相应的色散方程，如公式( 1 1 ) ： “器+ 壁( 鬻- l + 羔酉k i o ( k ) a ni；nki i ) = 知2 p a 硒k 2 ( 1 - 1 ) 2 厶( 七)( 七) 2 2 ( 胛) 。 5 、 。 其中：露2 一k 2 = s 胆2 ，p 为液体粘度。 上述研究者的研究成果都假定扰动在射流的各个部分都是沿时间方向增长 的，即扰动符合时间模式的假设( t e m p o r a lm o d e ) 。但在与实验结果对比时发生 了矛盾，因为实验结果清楚地表明，即使采用移动坐标系摈弃了液体运动的影响， 扰动在空间上也仍是增长的。这就使这种假设陷入了一种十分尴尬的境地。基 于此，k e l l e r i s 等人创立了扰动波沿空间发展的理论，即空间模式( s p a t i a lm o d e ) ， 并将他们的分析结果与r a y l e i g h 的结果进行了对比。用他们的理论计算所获得的 液体最大扰动增长率对应的波数及其增长率较之r a y l e i g h 采用时间模式所获得 的结果要大。从这个意义上说，k e l l e r 的空间模式理论与实验结果更加吻合。 第一章绪论 由于对物理模型所作的简化使上述学者的研究结果都或多或少地掩盖了液 体射流的某些本质特征，但在低速射流范围内，这些结果仍然是可以接受的。 1 2 3 高速液体射流破碎机理 高速液体射流，即通常所称的t a y l o r 模式射流，其条件是w e o ，存在一个正数6 ( 这个6 是依赖于的) ，当 愀x ，o ) - u ( x ，o ) 1 1 ，i i p ( x ，o ) - p ( x ，o ) 1 1 ，e t c o ，有： i l u ( x ，t ) - u ( x ，徘i i p ( x ，t ) - p ( x ，f ) | i ，e t c o ，则基本流是稳定的：如果至少有一个本征值i m 0 的解， 它们代表了在两个气一液交界面上不稳定波的发展情况，分别对应类反对称模式 ( p a r a s i n u o u sm o d e ) 和类对称模式( p a r a v a r i c o s em o d e ) ，而且这两种模式都会 导致环膜液体射流的破碎。 在一定条件下得到的色散方程的计算结果的表达形式和对计算结果的具体 分析将在第三章中向大家进行介绍。 2 5 本章小结 1 液体射流的不稳定性，可从其物理含义和数学含义上得到明确的解释。 2 应用线性不稳定性理论对液体射流破碎机理所进行的研究中，对液体射 流表面波发展模式的假设不外乎时间模式与空间模式两种，本文中选用时间模 式。 3 环膜液体射流的两种扰动模式称为类对称模式( p a r a v a r i c o s em o d e ) 和类 反对称模式( p a r a s i n u o u sm o d e ) 。 4 运用线形不稳定性理论对描述环膜液体射流现象的n s 方程进行求解， 得到了描述液体射流不稳定性的特征方程一色散方程。 5 环膜液体射流包含广泛的几何理论，像圆柱射流、空心气体射流、平面 液体射流都可以看成是环膜液体射流的极限形式。 6 对于色散方程的求解，选用m u l l e r 迭代的方法。迭代初值的选择是数值 计算能否成功的关键。 第三章射流参数对环膜液体射流不稳定性的影响 第三章射流参数对环膜液体射流不稳定性的影响 利用对色散方程的数值计算结果，研究了无量纲参数( w e 、r e 、u i 、u o 、 q i 、q o 、q 和i ) 在一定条件下对各阶模式下的环膜液体射流不稳定性的影响。 3 1 液体射流各阶模式的不稳定性 利用第二章中所得到的色散方程，可以得到有关扰动增长率的很多信息，在 这里，我们主要关注波数与增长率的关系，因为波数在一定程度上能够反映出液 体破碎的尺度，而最大扰动增长率可用来描述液体射流破碎的剧烈程度。从计算 结果可以得到射流的各种参数对射流系统不稳定性的影响。 ( a 1 ) ( a 2 ) ( b 1 ) ( b 2 ) 第三章射流参数对环膜液体射流不稳定性的影响 图3 1 液体射流各阶模式的不稳定性 计算结果如图3 1 所示。图3 1 显示了液体射流各阶模式的不稳定性。计算 条件如图中所示。图( a 1 ) ( a 2 ) ( a 3 ) 是类反对称模式，图( b 1 ) ( b 2 ) ( b 3 ) 是类对称模式。 图中横坐标为波数，纵坐标为扰动增长率。 从图中我们可以看出，类反对称模式( p a r a s i n u o u sm o d e ) 最大增长率出现的 位置比较接近波数范围的中部或者处于前部，而类对称模式( p a r a v a r i c o s em o d e ) 最大增长率出现的位置大多处于波数范围的中后部。 通过比较图( a 1 ) ( a 2 ) ( a 3 ) 和( b 1 ) ( b 2 ) ( b 3 ) 可以发现：在同一条件下， 零阶模式( n = 0 ) 的最大扰动增长率要大于高阶模式( n = l ，2 ) 。一般情况下，对 于类反对称模式( p a r a s i n u o u sm o d e ) 和类对称模式( p a r a v a r i c o s em o d e ) ，零阶模 式下的液体射流破碎最剧烈，即零阶模式在破碎过程中起主导作用。 通过比较( a 1 ) ( b 1 ) 、( a 2 ) ( b 2 ) 、( a 3 ) ( b 3 ) 可以看出：在同一阶数下， 类反对称模式( p a r a s i n u o u sm o d e ) 的波数范围要大于类对称模式( p a r a v a r i c o s e m o d e ) 的波数范围。也就是说，在环膜液体破碎过程中，类反对称模式( p a r a s i n u o u s m o d e ) 起着主导作用。 3 2 若干影响因素对环膜液体射流破碎模式的影响 3 2 1 无量纲韦伯数( w e ) 的影响 w e 数表征的是液体的表面张力与液体惯性力的比值，用于定量描述液体的 表面张力。不同w e 数对环膜液体射流不稳定性的影响如图3 2 所示，其中图 ( a ) ( b ) 、( c ) ( d ) 、( e ) ( f ) 分别对应0 阶、1 阶和2 阶的类反对称模式( p a r a s i n u o u sm o d e ) 和类对称模式( p a r a - v a r i c o s em o d e ) 。 第三章射流参数对环膜液体射流不稳定性的影响 分 - 一 暑 芷 上 葺 仑 。 气 曼 旦 叱 c 善 2 o 气 曼 卫 叱 c 善 2 ( 9 w a v e n u m b e r ( k ) ( a ) p a r a - s i n u o u sm o d e w a v e n u m b e r ( k ) ( c ) p a r a - s i n u o u sm o d e w a v e n u m b e r ( k ) 气 3 旦 叱 善 e o 分 _ 一 案 叱 c 善 2 9 气 旦 。 苟 叱 上 葺 仑 o w a v e n u m b e r ( k ) ( b ) p a r a v a r i c o s em o d e w a v e n u m b e r ( k ) ( d ) p a r a v a r i c o s em o d e w a v e n u m b e r ( k ) ( e ) p a r a s i n u o u sm o d e( f ) p a r a - v a r i c o s em o d e 图3 2 不同w e 数对环膜射流不稳定性的影响 由于液体的表面张力同时作用于内、外两个气一液界面上，因此，w e 数对类 反对称模式和类对称模式的不稳定性均有显著影响，在同一阶数下，随着w e 数 - 2 9 第三章射流参数对环膜液体射流不稳定性的影响 的增加，两种模式的扰动增长率都呈现出增加的趋势，且波数也随之加大，液体 的破碎程度加剧，破碎尺度变大。 无论是类反对称模式( p a r a - s i n u o u sm o d e ) 还是类对称模式( p a r a - v a r i c o s e m o d e ) ，在同一w e 数下，扰动增长率都随着阶数的降低而增加。 3 2 2 无量纲雷诺数( r e ) 的影响 r e 数表征的是液体的惯性力与粘性力的比值，用于描述液体的粘性力。 不同r e 数对环膜液体射流不稳定性的影响如图3 3 所示，其中图( a ) ( b ) 、 ( c ) ( d ) 、( e ) ( f ) 分别对应0 阶、1 阶和2 阶的类反对称模式( p a r a s i n u o u sm o d e ) 和类 对 气 3 旦 母 叱 c 葺 2 ( 9 模式( p a r a v a r i c o s em o d e ) 。 w a v e n u m b e r ( k ) ( a ) p a r a - s i n u o u sm o d e w a v e n u m b e r ( k ) ( c ) p a r a - s i n u o u sm o d e 气 曼 旦 叱 c 苫 2 o w a v e n u m b e r ( k ) ( b ) p a r a - v a r i c o s em o d e - 3 0 - w a v e n u m b e r ( k ) ( d ) p a r a v a r i c o s em o d e 耪 一。邑g叱c苫20 第三章射流参数对环膜液体射流不稳定性的影响 雪 案 竺 藿 o 2 0 4 0 6 08 01 0 0 w a v e n u m b e r ( k ) 窑 罟 芷 毒 2 o ( e ) p a r a - s i n u o u sm o d e( f ) p a r a v a r i c o s em o d e 图3 3 不同r e 数对环膜射流不稳定性的影响 由于液体的粘性力同时作用于内、外两个气一液界面上，因此，r e 数对类反 对称模式和类对称模式的不稳定性均有显著影响，在同一阶数下，随着r e 数的 增加，两种模式的不稳定性都呈现出增加的趋势，液体的破碎加剧。 在同一r e 数下，对于类反对称模式( p a r a s i n u o u sm o d e ) ，扰动增长率都随着 阶数的降低而增) j i l ；而对于类对称模式( p a r a v a r i c o s em o d e ) ，当n = l 时，各r e 数下的最大扰动增长率值要高于其他两阶。 3 2 3 无量纲速度比( ui ) 的影响 速度比u i 主要描述气体的惯性力。不同u i 对环膜液体射流不稳定性的影响 如图3 4 所示，其中图( a ) ( b ) 、( c ) ( d ) 、( e ) ( f ) 分别对应0 阶、1 阶和2 阶的类反对 称模式( p a r a - s i n u o u sm o d e ) 和类对称模式( p a r a v a r i c o s em o d e ) 。 气 曼 旦 仍 叱 善 2 c 9 气 旦 旦 芷 善 仑 o ( a ) p a r a s i n u o u sm o d e( b ) p a r a v a r i c o s em o d e a i ：5 ； ； 筋 幅 惦 0 o o o 0 0 0 o 第三章射流参数对环膜液体射流不稳定性的影响 气 邑 旦 叱 善 2 o 气 邑 旦 m 叱 c 葺 仑 o ( c ) p a r a - s i n u o u sm o d e 雪 案 兰 藿 。 气 曼 旦 叱 c 善 e o ( d ) p a r a - v a r i c o s em o d e 00 01 02 03 04 05 06 07 08 09 01 0 0 w a v e n u m b e r ( k ) ( e ) p a r a - s i n u o u sm o d e( f ) p a r a - v a r i c o s em o d e 图3 4 不同u i 对环膜射流不稳定性的影响 由于u i 主要作用于内气一液界面上，因此，u i 对环膜液体射流的类反对称 模式的不稳定性有显著影响。在同一阶数下，随着u i 的增加，类反对称模式的 最大扰动增长率迅速增加，且增长幅度很大，尤其是u i = 2 之后。而对于类对称 模式，作用效果要弱很多，尤其是u i = 2 之后，显然，由于类对称模式主要与外 气一液界面直接关联，u i 的作用在“穿透”液体射流后被大大衰减了。 在同一u i 下，对于类反对称模式( p a r a s i n u o u sm o d e ) ，扰动增长率都随着 阶数的降低而增加；对于类对称模式( p a r a v a r i c o s em o d e ) ，这种效果几乎看不到。 3 2 4 无量纲速度比( u o ) 的影响 u o 主要描述气体的惯性力。不同u o 对环膜液体射流不稳定性的影响如图 3 5 所示，其中图( a ) ( b ) 、( c ) ( d ) 、( e ) ( d 分别对应0 阶、l 阶和2 阶的类反对称模式 ( p a r a s i n u o u sm o d e ) 和类对称模式( p a r a v a r i c o s em o d e ) 。 第三章射流参数对环膜液体射流不稳定性的影响 气 3 里 仍 叱 c 善 2 o 气 旦 粤 叱 c 善 2 o w a v e n u m b e r ( k ) ( a ) p a r a s i n u o u sm o d e w a v e n u m b e r ( k ) ( c ) p a r a s i n u o u sm o d e w a v e n u m b e r ( k ) ( e ) p a r a - s i n u o u sm o d e 气 3 旦 叱 c 善 2 o ( b ) p a r a v a r i c o s em o d e w a v e n u m b e r ( k ) ( d ) p a r a - v a r i c o s em o d e w a v e n u m b e r ( k ) ( f ) p a r a - v a r i c o s em o d e 图3 5 不同u o 对环膜射流不稳定性的影响 由于u o 主要作用于外气一液界面上，因此，u o 对环膜液体射流的类对称模 式不稳定性的影响十分显著。在同一阶数下，随着u o 的增加，类对称模式的最 大扰动增长率迅速增加，且当阶数n = o 时，u o 对类对称模式不稳定性的影响最 一3 3 一童旦比li_；ojo 一。3兽呵比c_；20 ( _ 3 9i芷c；20 第三章射流参数对环膜液体射流不稳定性的影响 大，且波数也随u o 的增大而增大。而对于类反对称模式，作用效果则十分微弱。 在同一u o 下，对于类反对称模式( p a r a s i n u o u sm o d e ) ，扰动增长率都随着阶 数的降低而增加；而对于类对称模式( p a r a - v a r i c o s em o d e ) ， 当u o 较小时，同一 u o 的增长率随阶数的降低而增加，当u o 较大时这种作用效果变得微弱。 3 2 5 无量纲密度比( qi ) 的影响 q i 主要描述气液作用力。 不同q i 对环膜液体射流不稳定性的影响如图3 - 6 所示，其中图( a ) ( b ) 、( c ) ( d ) 、 ( e ) ( f ) 分别对应0 阶、l 阶和2 阶的类反对称模式( p a r a s i n u o u sm o d e ) 和类对称模 式( p a r a - v a r i c o s em o d e ) 。 由于q i 主要作用于内气一液界面上，因此，q i 主要对环膜液体射流的类反 对称模式的不稳定性均有影响。在同一阶数下，随着q i 的增加，类反对称模式 的最大扰动增长率迅速升高。对于类对称模式，在同一阶数下，类对称模式的最 大扰动增长率也随着q i 的增加而升高，但作用效果要弱一些，显然，这是由于 类反对称模式是与内气一液界面直接关联的原因造成的。 ( a ) p a r a s i n u o u sm o d e 气 邑 卫 西 比 c 苫 2 c ( b ) p a r a - v a r i c o s em o d e ( c ) p a r a s i r l u o u sm o d e( d ) p a r a v a r i c o s em o d e (-曼卫毋叱c1jieo 第三章射流参数对环膜液体射流不稳定性的影响 0 3 5 分0 3 0 旦0 2 5 叱o 2 0 c 善0 1 5 暑o 1 0 i 燃怒0 8 c ( e ) p a r a - s i n u o u sm o d e ( f ) p a r a - v a r i c o s em o d e 图3 - 6 不同q i 对环膜射流不稳定性的影响 在同一q i 下，对于类反对称模式( p a r a s i n u o u sm o d e ) ，当n = o 时扰动增长率 最高，n = l 时扰动增长率最低；而对于类对称模式( p a r a v a r i c o s em o d e ) ，0 阶扰动 增长率相对高一些，1 阶和2 阶相对比较稳定，总体来讲，类对称模式受阶数的 影响效果比较弱。 3 2 6 无量纲密度比( 0 0 ) 的影响 q o 主要描述气液作用力。不同q o 对环膜液体射流不稳定性的影响如图3 - 7 所示，其中图( a ) ( b ) 、( c ) ( d ) 、( e ) ( f ) 分别对应0 阶、l 阶和2 阶的类反对称模式( p a r a - s i n u o u sm o d e ) 和类对称模式( p a r a v a r i c o s em o d e ) 。 q o 主要作用于外气一液界面上，因此，q o 对环膜液体射流的类对称模式的 不稳定性有强烈影响。在同一阶数下，随着q o 的增加，类对称模式的最大扰动 增长率迅速增加。对于类反对称模式，最大扰动增长率受q o 的影响极其微弱。 气 3 里 叮 叱 t - 2 ( 9 气 3 旦 芷 工 善 2 c 9 ( a ) p a r a s i n u o u sm o d e ( b ) p a r a v a r i c o s em o d e 嘞一 第三章射流参数对环膜液体射流不稳定性的影响 气 邑 旦 叱 c 葺 2 o 量 案 兰 藿 o ( c ) p a r a - s i n u o u sm o d e 气 3 童 m z 工 善 2 o 量 案 兰 藿 o ( d ) p a r a v a r i c o s em o d e ( e ) p a r a - s i n u o u sm o d e ( f ) p a r a v a r i c o s em o d e 图3 7 不同q o 对环膜射流不稳定性的影响 在同一q o 下，对于类反对称模式( p a r a s i n u o u sm o d e ) ，扰动增长率都随着 阶数的降低而增加；而对于类对称模式( p a r a - v a r i c o s em o d e ) ，扰动增长率受阶数 的影响效果比较微弱。 3 2 7 无量纲旋转强度( q ) 的影响 气体旋转强度q 主要用于描述气体旋转离心力。不同q 对环膜液体射流不 稳定性的影响如图3 8 所示，其中图( a ) ( b ) 、( c ) ( d ) 、( e ) ( f ) 分别对应0 阶、1 阶和2 阶的类反对称模式( p a r a s i n u o u sm o d e ) 和类对称模式( p a r a v a r i c o s em o d e ) 。 q 对于环膜液体射流有失稳作用，但由于q 主要作用于内气一液界面上，因 此，q 对环膜液体射流的类反对称模式的作用较之类对称模式的作用要强烈得 多。在同一阶数下，类反对称模式的最大扰动增长率随着q 的增加而加大，而 对于类对称模式，最大扰动增长率受q 的影响极其微弱，基本没有什么变化。 第三章射流参数对环膜