（动力机械及工程专业论文）加热条件下液体射流破碎机理的研究.pdf

摘要 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 要理论意义和工程应用背景的课题。特别是在柴油机、直喷式汽油机、燃气轮 机和烧油的工业炉窑中液体燃油的喷射、雾化及其与空气的混合是整个燃烧过 程的一个关键环节。此外，液膜射流破碎的研兄也占 有重要地位很多液体射 流的破碎问 题，例如由 旋流喷嘴所形成的空心 锥喷雾的 破碎最终都可以归结为 液膜射流的破碎问 题本文着重探讨了 加热条件下粘性液膜和圆 柱射流的破碎 机理 对不同温度下， 探索了 具有两个自 由变形表面的动态液膜的热不稳定性， 得到色 散方程，利用二l l e r 方法对色 散方程进行数值求解。利用计算结果，研 究了加热条件下反对称模式( s i n u o u s ) 和对称模式( v a r i c o s e ) 粘性液膜射流大、 小尺度破碎模式的破碎机理， 以及w e b e : 数( w e ) 、 密度比( q ) , m a r a n g o n i 数( m a ) 和o h n e s o r g e 数( z ) 等无量 纲参 数和 射流 速度、 气 体密 度、 液 体粘性、 液膜厚度、 温度梯度、液体种类等实际 射流参数对反对称模式和对称模式液膜射流破碎特 性的影响。 运用线性热不稳定性理论，建立了 加热条件下粘性液体射入气体介质的圆 柱射流模型，得到了 表征园柱射流的热不稳定性的色 散方程，并利用m u l l e : 方 法进行数值求解，根据求解结果， 研究了加热条件下圆柱射流的 r e y l e i g h . t a y l o :破碎模式的 破碎机理， 探讨了 无量纲参 数 w e b e : 数 w e ) 、密 度比( q ) , m a r a n g o n i 数( m a ) 和。 h n e s o r g e 数( z ) 等 和买 际 射流参 数 射流 速度、 气 体密 度、 液体粘性、喷孔半径、温度梯度、液体种类等对圆柱射流破碎最大扰动增长率 及占优波数的影响。 为证明理论的正确性，建立了 一套由定容燃烧装置、燃油喷射系统、温度 控制系统、压力控制系统、冷却系 统、光学拍摄系 统和计算 机采集系统组成的 实验系统。分别采用阴影法和纹影法对液体射流的破碎特征进行了 研兄。分析 了环境温度、环境压力、油泵转速、起喷压力、喷孔直径及液体种类对射流破 碎特性的影响。实验结果证明了 所建立的加热条件下液体射流破碎理论的正确 性。此外，还进行了m a l v e r n 测粒度实验，对常温下的射流破碎机理进行验证 关键词:射流破碎机理，液膜，圆柱射流，热不稳定性，阴影法，纹影法 1 1 abs tract abs tract t h e b r e a k u p a n d a t o m i z a t i o n o f l i q u i d j e t s a r e o f t h e o r e t i c a l i m p o r t a n c e a n d h a v e b e e n w i d e l y u s e d i n e n g i n e e r i n g , e s p e c i a l l y , i n d i e s e l e n g i n e s a n d g a s t u r b i n e s e t c . t h e i n j e c t i o n a t o m i z a t i o n a n d m i x i n g o f f u e l w i t h t h e a m b i e n t g a s h a s e s s e n t i a l e f f e c t s o n t h e c o m b u s t i o n p r o c e s s e s . mo r e o v e r , t h e a t o m i z a t i o n o f l i q u i d s h e e t s i s a l s o im p o r t a n t f o r m a n y e n g i n e e r i n g a p p l i c a t i o n s . a l o t o f t h e b r e a k u p o f l i q u i d j e t , f o r e x a m p l e , t h e b r e a k u p o f a t o m i z a t i o n o f t h e t h i n l i q u i d s h e e t in s w i r l n o z z l e s i n g a s b u r n e r s w h e r e a h o l l o w c o n e i s f o r m e d , c a n f i n a l l y c o m e d o w n t o t h e b r e a k u p o f l i q u i d s h e e t . i n p r e s e n t w o r k , a f u r t h e r in v e s t i g a t i o n i s t h u s c a r r i e d o u t o n t h e m e c h a n i s m o f a t o m i z a t i o n o f b o t h l i q u i d s h e e t s a n d c y l i n d r i c a l j e t u n d e r h e a t i n g c o n d i t i o n . t h e l i n e a r t h e n n o c a p i l l a r i n s t a b i l i t y o f a v i s c o u s l i q u i d s h e e t i n m o t i o n t h r o u g h a g a s i s i n v e s t i g a t e d a n d i t s d i s p e r s i o n e q u a t i o n i s o b t a i n e d w h i c h i s s o l v e d b y t h e mu l l e r m e t h o d . u s i n g t h e c a l c u l a t i o n r e s u l t s , t h e m e c h a n i s m o f b r e a k u p o f l i q u i d s h e e t s u n d e r s i n u o u s a n d v a r i c o s e m o d e i n d i ff e r e n t r e g i m e s u n d e r h e a t i n g c o n d i t i o n i s s t u d i e d . t h e e ff e c t s o n t h e a t o mi z a t i o n c h a r a t e r i s t i c o f d i m e n s i o n l e s s n u mb e r s , i n c lu d i n g we b e r n u m b e r ( w e ) , d e n s i t y r a t i o ( q ) , ma r a n g o n i n u m b e r ( ma ) a n d o h n e s o r g e n u m b e r ( z ) , a s w e l l a s j e t p a r a m e t e r s , i n c lu d i n g s h e e t v e l o c i t y , s h e e t t h i c k n e s s , g a s d e n s i ty , l i q u i d v i s c o s i t y a n d t e m p e r a t u r e g r a d i e n t , a r e a l s o i n v e s t i g a t e d a c c o r d i n g t o t h e l i n e a r t h e n n o c a p i l l a r i n s t a b i l it y t h e o r y , a c y l i n d r i c a l l i q u i d j e t m o d e l w i t h v i s c o s i t y t h r o u g h a g a s u n d e r h e a t in g c o n d i t i o n i s e s t a b l i s h e d a n d t h e d i s p e r s i o n e q u a t io n o n i t i s o b t a i n e d . wi t h t h e c a l c u l a t i o n r e s u l t s a c h i e v e d b y t h e mu l l e r m e t h o d . , t h e b r e a k u p m e c h a n i s m o f c y l i n d r i c a l l i q u i d j e t u n d e r s y m m e t r i c m o d e u n d e r r e y l e i g h a n d t a y l o r m o d e i s s t u d i e d . t h e e ff e c t s o f d i m e n s i o n l e s s n u m b e r s ( we , q , ma ,z ) a n d j e t p a r a m e t e r s , i n c l u d i n g j e t v e l o c i t y , j e t d i a m e t e r , g a s d e n s i t y , l i q u i d v i s c o s i t y a n d t e m p e r a t u r e g r a d i e n t , o n t h e g r o w th r a t e a n d d o m i n a n t f r e q u e n c y o f s u r f a c e w a v e o f l i q u i d j e t s a r e a l s o i n v e s t i g a t e d . i n o r d e r t o v e r i f y t h e t h e o r e t i c a l p r e d i c t i o n , a n e x p e r i m e n t a l s y s t e m c o n s i s t i n g o f t h e c o n s t a n t v o l u me c o m b u s t i o n b o mb ( c v c b ) , t h e i n j e c t i n g s y s t e m , t e m p e r a t u r e c o n t r o l l i n g s y s t e m , p r e s s u r e c o n t r o l l i n g s y s t e m , c o o l i n g s y s t e m , p h o t o g r a p h i c s y s t e m a i记d i g i t a l d a t a p r o c e s s i n g s y s t e m , h a s b e e n e s t a b l i s h e d . s c h l i e r e n t e c h n i q u e a n d s h a d o w g r a g h t e c h n i q u e h a v e b e e n a p p l i e d . t h e e ff e c t o f t e m p e r a t u r e o f g a s m e d i u m , i n j e c t i o n p r e s s u r e , e n v i r o n m e n t a l g a s p r e s s u r e , s p e e d , d i a m e t e r o f n o z z l e a n d t h e s p e c i e s o f l i q u i d o n s p r a y c h a r a c t e r i s t i c s a r e i n v e s t i g a t e d . t h e c o n c l u s i o n a g r e e w e l l w i t h t h e t h e o r y . b e s id e s , t h e ma l v e r n e x p e r im e n t i s a l s o d o n e t o v e r i f y t h e b r e a k u p m e c h a n i s m u n d e r c o n s t a n t t e m p e r a t u r e . k e y w o r d s : me c h a n i s m o f j e t b r e a k u p , l i q u i d s h e e t , c y l i n d r i c a l l i q u i d j e t , t b e r m o c a p i l l a r i n s t a b i l i t y , s c h l i e r e n t e c h n i q u e , s h a d o w g r a g h t e c h n i q u e 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卜 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己 经发表 或 撰 写 过的 研 究 成 果， 也 不 包 含 为 获 得 丛进选，主 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己 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 :可 i 签 字日 期 :y o b l 年 1 - 月: ; 日 学位论文版权使用授权书 本 学 位 论 文 作 者 完 全了 解透 建大兰 兰有 关 保 留 、 使 用学 位论 文 的 规 定 。 特授 权天津大学 可以 将 学 位论 文的 全 部 或 部分内 容 编入 有关 数 p : i,: 进行 检 索，并采用影印、 缩印或扫描等复制手段保存、旅编以供查阅和倡阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁翻 : ( 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 : 百才 导师签名 琴 字 日 期 : -m m l 年卜月、 ; 日 字 日 期 : 协 “ 年!z j 1 3 日 第一章 绪论 第一章 绪论 r 内容提要刀 本章回顾了 动态液膜的雾化机理研究的历史及现状以及圆 柱射流 雾化机理的研究方法及现状，阐述了本课题的意义及主要工作。 1 . 1引言 内燃机发展至今，已经有一百余年的历史了。百余年来，内燃机凭借其热 效率高、热负荷小、结构紧凑等优点而在车辆、船舶、工程机械等广阔的应用 范围内取得了优势地位。在可以预见的将来，内燃机仍将是中、小功率范围内 最主要的原动机。 然而，虽然内燃机是到目 前为止热效率最高的热力发动机，它所发出的功 率占全世界所有动力装置总功率的9 0 % ， 但同时它又是环境污染的最大源泉。 据 最新的研究表明，汽车的排放物是一种十分复杂的混合物，其中的成分达 1 4 0 多种。这些排放物严重危害人类的健康和自 然界的生态平衡，已构成严重的社 会公害口因此，世界各国都已制定了符合木国国情的内燃机排放法规，并 一 且日 趋严格。 世界范围内排放法规的日 益严格和市场竞争的日 趋激烈对内燃机的性能要 求越来越高，l 千 成为内燃机发展的主要推动力量。反映内燃机性能的关键指标 如动力性、经济性、排放以及噪声等卞要取决于内燃机的燃烧过程。因此，燃 烧过程仍是当今内燃机研究的主要课题之一，实现内燃机的高效率、低污染的 可控燃烧一直是内燃机工作者孜孜以求的目标。而实现这一目 标的基础就是刘 内燃机基木燃烧过程详尽而深入的认识。 对 于 柴油机以及直喷式分层燃烧汽油机等在燃烧室内组织可燃混合气的内 燃机来说，它们的燃烧过程属于喷雾燃烧，其燃烧由喷雾特性、燃烧室形状和 空气流动所支配，其中雾化特性对燃烧的影响最为强烈。可以说，燃油啧射过 程是影响混合气形成的决定因素，燃油喷雾质量的优劣直接影响到内燃机的燃 烧性能。由:j-世界范围内的石油紧缺和柴油作为车用发动机比汽油机节油 3 0 - 4 0 4 柴油d 9 l 直喷化和汽车柴油机化的浪潮正以不可阻挡的气势席卷全世界此 外，从汽油机的角度来看，近年来逐步为人们所认知的直喷式汽油机( g u 工 ) 与 传 统的化油器式及气道喷射式汽油机相比，在许多方面都具有不可比拟的优越性， 许多著名的汽车厂家已将其作为解决当今能源、环境问题的重要课题，并已逐 步应用于轿车中 重大的理沦意义 加热条4 1 if 液体射流破碎机理的 研究 大津大学硕十论文 。为此，研究燃油喷射雾化机理和特性具有深刻的现实意义和 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。迄 今为走，1妇 于对燃a* . 雾发展过程机理的认识还极为有限，远不能适应内燃机 燃烧理沦研究和实际发动机vx计的需要。因此，燃油喷射雾化机理研究将是目 前和今后相当长 一 段时间内内燃机研究领域中最为紧迫的前沿课题之一 互 1 . 2 液膜的雾化机理研究的历史与现状 1 . 2 . ， 平面液膜的扰动形式 平 面 液膜 射流 的 表面 扰 动波 有两 种 形式: 对称 波( s y m m e t ri c w a v e o r v a r i c o s e w a v e ) 和反对 称波 ( a n t i s y m m e t r i c w a v e o r s i n u o u s w a v e ) 。 当两 个界面发生相位 相同的变形时形成反对称型扰动，当两个界面的变形在相位上相差 1 8 0度时则 形成了对称型扰动。无干扰的液膜的形成如图 1 - 1 所示， ，图 1 - 2描述了两种扰 动形式。 si nuous u , )一卜 va r i cos e 图1 - 1 未受扰动的液膜图卜2液膜的两种扰动形式 1 . 2 . 2 液膜的雾化机理研究的历史与现状 液体燃料射流的破碎机理，是一个具有重要理论价值和实际意义的研究课 题。而液膜射流破碎的研究在其中占有重要地位。t r 多液体射流的破碎问题， 例如由旋流喷嘴所形成的空心锥喷雾的破碎最终都可以归结为液膜射流的破碎 问题。 1 . 2 . 2 . 1 常温下液膜的雾化机理研究的历史与现状 最 早 提出 液 膜 的 稳定 性问 题 的 是r e y le i g h h l ， 在 其 著名 的 学 术 论 著( t h e o r y 。 f s 二 。 d ) i_r i 对平面液膜的表面波发展给出了解释。但他的理论只考虑了单而液 膜。 第一章 绪论 定性的定量和定性的信息还是很困难的。原因是液体蒸发稳定性问题是极其复 杂的，蒸发表面的稳定性强烈地依赖于蒸发质量流量 ( 即蒸发率、和表面温度。 而这些9 . , 的直接测量又是如此的困难。因此，关于射流在加热条件下 一 的不稳定 问题今后还有许多工作要做。 互 1 . 4本课题的主要工作及意义 综_ 日听 述， 液体射流破碎与雾化机理的研究， 无论在流体力学领域还是在工 程应用领域，都是具有重要意义的。 木文是在u家自然科学基金项目“ 受激液体射流破碎机理及其控制方法” 的资助下，在前人研究工作的基础上，着重于加热条件下 ( 忽略蒸发的影响) 粘性液体射流分裂与雾化机理的理论与 实验研究。 具体完成了以下几方面的工 作: i ,概括介绍并总结前人关于射流稳定性及其分裂雾化机理的研究成果和国 内外研究现状。 2 、考察加热条件下粘性液膜射流自由表面小扰动的发展，建立控制力程、 边界条件并得到色散方程，根据其求解和计算结果，分析了各种无量纲参数和 实际射流参数对特征频率和最大扰动增长率的影响。 3 .运用线性不稳定性理论，建立了加热条件下粘性液体射入气体介质的圆 机射流模型，得到了表征圆柱射流的热不稳定性的色散方程，根据其数值求解 训算结果，分析了各种无量纲参数和实际射流参数对特征频率和最大扰动增长 率的影响。 9 ,分别采用阴影、 纹影两种方法进行喷雾形态实验以 及m a l v e r n 粒度仪测 量喷雾粒度，实验结果证实了理论研究的正确性。 一1 2一 1 加热条件 卜 液体射流破碎机理的研究 大津大学硕十论文 第二章 动态平面液膜的热不稳定性研究 皿 内容提要 运用线性不稳定性理论，建立了 加热条件下粘性液膜射入气 体介质的 射流模型， 得到了 表征动态平面液膜的热不稳定性的色 散方程，并利 用 n u i e r 方法对色散方程进行数值求解，根据其计算结果，分析了各种无量纲 参数和实际射流参数对特征频率和最大扰动增长率的影响。 2 . 1 动态液膜的热不稳定性理论分析 2 . 1 . 1 液膜射流模型 假设基础流场为一液膜，其厚度尺度远小于其宽度尺度，密度p 1 ，粘度v 1 , 表面张力。 ， 均匀厚度2 a ， 热扩散系数k ， 两个自由面温度分别为t 。 和t p + lt , 以 速度u. 在密 度为p g 的 静 止 气 体 介 质中 运 动， 如图2 - 1 所 示。 与 圆 柱 液体 射 流 的扰动形式不同，液膜射流的扰动主要有两种形式，当两个界面发生相位相同 的变形时形成反对称( s i n u o u s ) 型扰动， 当两个界面的变形在相位上相差1 8 0 度时 则形成了对称( v a r i c o s e ) 型扰动， 如图2 - 2 所示。 si nuous 1 p + pp u p 一粉 va r i c os e 图2 - 1 未受扰动的液膜图2 - 2液膜的两种扰动形式 2 . 1 . 2 模型的基本假设 根据稳定性理论的一般研究方法，同时也为了使问题简化，在研究中作如 一 卜 假设: ( 1 )液体有粘，气体无粘。 ( 2 )周围气体介质是理想气体，且初始状态保持静止。 ( 3 )4 1x 设流体不可压缩。 ( 4 )忽略重力的影响。 第_ _ 章 动态平面液膜的热不稳定性研究 2 . 1 . 3 动态液膜的热不稳定性理论分析 如图2 - 1 所示1两 个自 山 表面的 温 度分 别为t o 和t o + o t ， 这使得在液 膜内 产生一个温度梯度，导致热量从热的一面向冷的一面传递，同时表i ii 张力也产 生相)如钧 变化。表面张力的变化使液膜表面产生剪切应力，所以% m .度梯度的存 在会影响液膜的稳定性，但是在此之前由于空气动力学或液膜粘度的原因可能 已经使液膜处于非稳定状态。 设液膜的密 度为p i ， 运动 粘度为v i ， 热扩散率为k ， 并且满足二维的 瞬态 能量平衡方程式: 百+ u ,a l 1 a p p , a x 1o p p , a y + v . v z u ( 2 - 1 ) + v ,v - v( 2 - 2 ) u + 面一动 言+ u o 言 k v- t ( 2 - 3 ) ( 2 - 4 ) 一一 面一即 + 即一敌 此处拉普拉斯算子定义为: _ 。 a ? a 2 v一=+， 一 育 a r - 即 ( 2 - 5 ) 粘性液体的速度分量设为: “=叭 + u = 乙 ) =u , 一卜 u ,( 2 - 6 ) 其中， ( 。 一 ; 2 ) 代表无粘无旋流 体的 速度， 而( u , , v , ) 则包括了 粘度和热可 稳 定性的影响。 此处， 液膜的压力 和温度分别由1 ) 和t 表示。 a tr.a e 气体 密 度为刀 、 ， 气 体 无 粘， 并 且 满足 欧 拉方 程: 1 o p , p , a x l助 p ,- a ( 2 - 7 ) ( 2 - k ) 加热条件 卜 液体射流破碎机理的研究 人津大学硕十论文 皿+ 竺 _ 。( 2 - 9 ) 气体和液膜在边界接触并且在接触面夕 = 士 a 处压力平衡: ( 6 r ,。 一 6 9 .7; 在少 h =c o n s t 在y ) 。 ， 二 q 7c , ( ? 7 ) n 一 )i n , a x ) ( 2 - 1 0 ) = 士 a 1归热通量h为常数: ( 2 - 1 1 ) = 士 a 处的运动边界条件为: 日 n_ ，口 7 7 +u， =u , a td x ( 2 - 1 2 ) 开且对于气体的速度有 ( 2 - 1 3 ) 气体速度在夕 = 士 00时有: u ; 二 0 ( 2 - 1 4 ) 此 处。 是 应 力 张 量， 。 、 。 代 表 气 体 压 力， 二 指 表 面 张 力， k , ( 77 ) 是 表 1111 率，77 指表面应变，并一且 有: a 6 y 一a t 气 和i 、 分 别 是 表 面 的 法向 和 切向 向 量。 h 为 液 膜 的 导 热 系 数， 此 处 考 虑 其 为定值( 毕握数为0 ) 0 无 量 纲 数 设 置 如 下: 长 度 尺 寸 为a ， 时 间 为( p ,a s / c ) u 2 ， 速 度为( 6 / p ,a ) u 2 ， 压力 为0 - / c / , 温度为加= a t o 温度分布曲线为 t = a t ( + 1)a十 to 其中t ， 是 温度的 量纲形式。 这里在表示千扰时 应用了 无量纲变量的 标准形 式/( 二 /) 二 f ( y ) e x p (co t + i)izx ) 。 其 中 co 二 co ,. + i ro iw e 11 2 , m 代 表 波 数 。 co , 和 a ) 分 别代表增 长率和波速的扰动量。 d a)一 i n 2 q ) = 0 ( 2 - 1 5 ) d ? l i l 一 尸t= 0 d=e一 尸0 p . _ =二 丁( u甲 一 1 7 1 y ) z ( 2 - 1 6 ) ( 2 - 1 7 ) 第二章 动态平面液膜的热不稳定性研究 d q) , - . (d , = 0( 2 - 1 8 ) 运动学的边界条件为; 在夕 二 士 1 处 d (d - im t = ( cry + im pv e l / 2 ) 0( 2 - 1 9 ) 法向: 产少 = 】 处有 2 z ( d 2 ,d 一 im d p )二 p 一 m 2 o 一 p cu 2 o / m( 2 - 2 0 ) 在y = 一 1 处有 2 z ( d 2 q) 一 im d p ) 二 p 一 m 2 。 一 p co 2 o e ie / m( 2 - 2 1 ) 切向: 在y = 1 处有 一 2 m 2 d o + im ( d 2 y + m 2 p ) = m 2 z m a ( o + p ) / p r 在y = 一 1 处有 一 2 m 2 d (l) + im ( d 2 p + m 2 p ) = m 2 z m a ( 0 + f)e b ) / p r ( 2 - 2 2 ) ( 2 - 2 3 ) 在自山表而( 夕 = 土 ， ) 的热流量表示为: 0 气体的边界条件为 ( 2 - 2 4 ) “ c0 氛 ) = 1 1( 2 - 2 5 ) = 0 y=士 00( 2 - 2 6 ) =99 。神, =- i -y二 尸一二 一 dt y=士 1( 2 - 2 7 ) 朋肿肿场 此 处 s 2 = m 2 + ( co + im w e 11 2 ) / z ， r 2 = m 2 + p r 佃+ im w e 11 2 ) / z ， 小 、 q) 9 、 p 、 。 4 , 尸 p 9 分 别 表 示 速 度 势 的 振 幅 、 气 体 速 度 势 振 幅 流 动 函 数 、 温 度 、 表 面 变 形 液 体 压 力 和 气 体 压 力 t o ， 代 表 气 体 普 通 压 力 参 数 b 用 来 表 示l 下 表面变形的不同 在s i n u o u s 型中它等于0 ， 在v i s c o u 。 型中它等于二。在公式 中 还 用 到 了 以 下 的 一 些 无 量 纲 数 。 o h n e s o r g e 数 z = v s p l i 6 c t 厂 z它 代 表 了 粘 性 力 和 毛 细 力 之 比 ) ， p 二 庵/ p , 代 表 气 液 密 度 之 比 ， 普 朗 特 数 p r = 数 m a = y 2 i p ，二代 表 了 热 和 粘 度 的 比 值 ， 其 中 刀 二 婴 v i i k， ma r a n g o n i ， 1 6 一 , : 加热条件 卜 液体射流破碎机理的 研究， 大津大学硕十沦 文 解以 : 方程组，得到了一组包含六个未知数的齐次扰动方程组。 得到色散方程如下: s i n u o u s t s ? 进而可 以 上c 7 , ta n h m ; ( b r ta n h : 一 。 e ta n h s ) x , + c m r ta n k r v , 一( 2 - 2 8 ) 一 q 2 t a n h s ( a r t a n h r 一 c d m t a n k m ) x j + c m r t a n h r + q 3 = 0 v a r i c o s e 型: q , 一 ( i c e s t a n h r 一 b r t a n h s ) x , + c m r t a n h s ( 2 - 2 9 ) 一 q 2 ( ( d m ta n k r + a r t a n h m ) x , + c m r t a n h r + 色= 0 式中无量纲数分别表示: g, = m c ( d m t a n h m一 e s t a n h s ) + r ( b 一 a ) t a n h r g , = m r ( b 一 a ) t a n h m t a n h s 一 c t a n h r ( i e s t mh m+ d m t a n h s ) 。 一 2 z n a2 + (m + im w e 112 ) ， q 2 一 2 z m s , 。 ， = m - 、 兰 。 ， x 二 。 + im w e 一 a=m2 九a m2 一r z 2 十 气 二 : ; m 2 腼 1 。 m 2 z m a ” = m l， 十 ，十 s 2 - 万 七 = - p r pr mp r m z ( s ， 一 r 2 ) 对两种 扰动模式下 色散 方 程的 数 值求解可采用m u l l e r 5 3 1 方法 用 m a t l a b f i语 言进行编程计算。计算结果可以得到在一定条件下液膜射流破碎的最大扰动增 长率及占优波数，以及各种参数对液膜射流破碎不稳定性的影响。 2 . 2 无量纲参数对液膜射流破碎热不稳定性的影响 2 . 2 . 1 反对称模式下无量纲参数对液膜射流破碎热不稳定性的影响 2 . 2 . 1 . 1 反对称模式扰动液膜射流的破碎模式 根据实验结果，反对称模式扰动液膜射流的破碎按其特征大致可分为两种: ( i ) 大尺度破碎模式: 液膜射流破碎的尺度与液膜厚 度尺度相当 或大于液膜 厚度尺度。 ( )小尺度破碎模式: 液膜射流破碎的尺度远小于液膜厚度尺度。 第-动态平而液膜的热不稳定性研究 肠20 白)，口召二尸。口 we yd 7 5 6 x = 0 . 0 6 5 8 p r - 8 0 0 0 ma 二 百 e g q = i 4 2 e - 4 1 , 5 1 () w-2 4 5 0 - 0 , 0 6 5 8 p r = 8 0 0 0 m- i e y q = i .4 2 e - 3 r少护少 抓6x4xzx 3习。已币言匕 1 .0 2 . 0 3 . 0 wa v e n u m b e r ( m ) ”ilo 500 八卜u 0 益0 . 0 0 5 0 .0 1 0 0 . 0 1 5 0 . 0 2 0 wu v e n u m ber ( m ) ( a )大尺度破碎模式( b )小尺度破碎模式 图2 - 3 反对称模式扰动液膜射流的破碎模式 图2 - 3 给出了反对称模式下液膜射流处于大尺度破碎模式和小尺度破碎模式 所对应的扰动增长率曲线。从图中可以看出，当射流处于大尺度破碎模式下， 其扰动增长率较小，表面波发展缓慢，破碎较慢，最大扰动增长率对应的波数 较小( 通常远小于1 ) . 破碎尺度较大:当 射流处于小尺度破碎模式下时 其扰动 增长率较大， 表面波发展迅速， 破碎较快， 最大扰动增长率对应的 波数较大 通 常大于i )破碎尺度较小。 2 . 2 . 1 . 2 反对称( s i n u o u s ) 模式下无量纲数对液膜热不稳定性的影响 由色散方程可以看出， 加热条件下影响液膜射流破碎不稳定性的无量纲数要 比 常 温条 件下 复 杂， 主 要 有: w e b e r 数、 气液 密 度比 、 p r a n d t l 数、 m a r a n g o n i 数 和o h n e s o r g e 数 等。 它们分别表 征了 惯 性力、 粘性力、 表 面张力、 气液作用力、 热毛细力等影响液膜射流破碎的各种作用力的相对大小。研究这些无量纲数对 加热条件下粘性液膜射流破碎不稳定性的影响有助于理解液膜射流破碎的机 理、 特征等规律。 计算中 选取柴油为 液体 介质， 柴油的 物性参数( 室温 ) 为:b ( = 8 4 0 k g / m 3 , p r = 8 0 0 0 , v r = 5 x 1 o ,b m 2 / s。 = 3 2 . 3 2 x 1 0 + n / m o 22了 . 2 . 了w e 对液膜不稳定性的影响 图2 - 4 分别给出了w e 数对大尺度破碎模式液膜射流和小尺度破碎模式液膜 射流破碎的影a 1h 1 o w e数表征了液膜射流表面张力的大小。we数越大，表面张 力越小。从图中可以看出， 在加热条件下， 在两种破碎模式下，随着w e 数的增 加，液膜射流的最大扰动增长率和占 优波数都显著增加，这表明在这两利 “ 破碎 模式下，表面张力都是阻挠反对称模式液膜射流破碎的因素。就表面张力所起 的作用而裔，大尺度破碎模式与与圆柱液体射流破碎相反，小尺度破碎模式与 犷 加热条件 卜 液体射流破碎机理的研究 大津大学硕十论义 圆柱液体射流破碎相同。 2 牛 飞 0 6 5 8 c ) -一 4 2 e - 4 ma =1 e 0 p r - 8 0 0 少 砂 . ， 一 ， ， 、 岁。 r 1 . 0 6 5 8 q = 1 4 2 e - 3 ma =1 e 9 p r - 8 0 0 0 1 1 ) .畏以上旧扩产2公 w ew e 一 we =r 8 0 ，。 k, 一w七 孟 2 0 5 0 -一w e = 2 4 5 0 ，。 一 we - 3 8 5 0 - 一w- 3 2 弓 0 008尹。盛鳄d02 一 0 .0 0 匕 二 一 主 一 司 油 一 一 因 匕 一 0 . 0 0 0 .0 3 0 . 0 6 0 . 0 9 0 . 1 2 0 . 1 5 wa v e nu mb e r ( m)wu v e n u m h a r ( ml ( a )大尺度破碎模式( b )小尺度破碎模式 图2 - 4 w e 对液膜射流反对称模式热不稳定性的影响 2 . 2 . 1 . 2 . 2 0 对液膜稳定性的影响 图2 - 5 给出了气液密度比q对反对称模式下液膜射流热不稳定性的影响。 气液密度比q表征的是气液作用力的大小。从图中可以 看出，随着气液密度比 q的增加， 表面波的最大扰动增长率和占 优频率都显著增加， 表明 气液作用力 在 大尺度模式破碎模式和小尺度破碎模式下都是促进液膜射流破碎的因素，就气 液作用力所起的作用而言，大尺度破碎模式与 与圆柱液体射流破碎不同，小尺 度破碎模式与圆柱液体射流破碎相同。 勺乙份，民二弓公 w. 沟 7 . 5 6 2 吃 0 6 5 a p , 8 0 0 0 ， ， 一 ” 一 、 二 、 m4 =l e v， ， we = 2 4 5 0 -00 6 ! 名 p r - 8 0 0 0 mn 留! 已 9 ，.， 尸 一 、 :/ l i 卜. 一 ， 产. . 乙 ， 0 = 1 a 2 n - 4 -一 q 二 3 5 5 e - 4 一 q = 7 . 1 w- 3 一一 0 = 1 .0 6 e 3 一q = i 043e-3 .找 1 。 ik ii 、一 二 一 一01c o0 氏 0a0604的的 肖uc户0八u八u (0。1匕二州产产1二口 0 . 0 0 2 . 2 . 1 . 2 . 3 0 . 0 3 0 . 0 6 0 . 0 9 0 . 1 2 wa v e nu mb e r 1 邝 2 . 0 3 . d 4 . 0 5 . 0 we v e n u mb e r ( m) ( a )大尺度破碎模式( b )小尺度破碎模式 图2 - 5 0 对液膜射流反对称模式热不稳定性的影响 m a对液膜稳定性的影响 图2 - 6 给出了一定射流参数下、 m a r a n g o n i 数对液膜破碎热不稳定性的影响。 ma 表征了液膜射流热毛细力与粘性力的比 值。在其他条件保持不变的情况下， ma 越大， 温度梯度越大，热毛细力越大。 从图中可以 看出， 在大尺度破碎模式 第二章 动态平面液膜的热不稳定性研究 下， 随着ma 的增加， 液膜射流的最大扰动增长率和占优波数都变化不大， 表明 热毛细力在反对称模式下对大尺度破碎模式液膜破碎影响不大，在小尺度破碎 模式下，随着io t a 的增加，液膜射流的最大扰动增长率和占优波数都略有减小， 表明热毛细力在反对称模式下对小尺度破碎模式液膜的破碎略有阻挠趋势，但 总的影响不大。 25刘 0 . 01 6 0 . 0 1 2 w-9 7 . 5 6 卜1 4 2 c - 4 -0 .0 6 5 8 p r - 吕 n 0 0 叭- 2 4 5 0 z =0 . 0 6 5 8 q = 1 a 2 e - 3 pr - 8 0 0 0丫 0. 00 8 1 . 5 ，0 息。瓮召巴3云0 (日。1门“占蛋。0 吐q0 0. 0 0 4 0 . 0 0 0 0. 0 00 . 0 3 0 . 0 4 wa v e n u mb e r ( m) 0 . 0 1 . 0 2 . 0 3 . 0 wa v e n u m b e r ( in ) 2 . 2 . 1 a )大尺度破碎模式( b )小尺度破碎模式 图2 - 6 m a 对液膜射流反对称模式热不稳定性的影响 2 . 4 z 对液膜稳定性的影响 / _ we = 9 7 . 5 6 q = 1 .4 2 1 - 4 、m -1 e 9 、p r = 8 0 0 0 w-2 4 5 0 于 1 . 4 2 e - 3 p r - 8 0 0 0 m- l a 户、 、 2 =0 .0 0 6 5 8 -一2 州j g 5 3 二2 盖 32 9 - 一2 = 3 29 介乙. 尸1卜ilweeer|卜1!il|卜日以沙刃 505a5q0 砚内1通1六un 日口1.民节辛产夕口 2 幸 日0 6 5 8 -一2 二 06 5 8 ” - - - - 3 2 9 -一 -3 2 9 一。韶召上尸0口 0 . 0 0 0， 一-曰 j ， 司 0 . 0 0 0 0 . 0 0 5 0 . 0 1 0 0 . 0 1 5 0 . 0 2 0 0 . 0 2 5 wa v e nu mb e r ( m) 1 . 0 2 . 0 3 . 0 wa v e nu mb e r ( m) ( a )大尺度破碎模式( b )小尺度破碎模式 图2 - 7 2 对液膜射流反对称模式热不稳定性的影响 图2 - 7 给出 了 一定 射流参 数下， o h n e s o r g e 数 对液膜破 碎热不 稳定 性的 影响。 z表征了液膜射流破碎粘性力与表面张力的比 值。 在其他条件保持不变