题目：液体横向射流破碎机理研究

 

液体燃料喷射入横向气流场中，在气动力及射流不稳定性作用下破碎成液滴，为冲压发动机、超燃冲压发动机、新型低污染燃烧室、液体火箭发动机以及各种航空动力燃烧室中常见的燃油供给方式。而液体燃料的雾化过程，特别是初始雾化过程非常复杂，至今无法建立准确的初始雾化模型。因此需要从机理入手，对液体横向射流的破碎过程进行深入的研究。

本文应用线性不稳定性分析方法和高频拍摄技术，对液体横向射流破碎机理进行了理论分析和实验研究。横向射流的破碎过程中表面波起着重要的作用，特别是Rayleigh-Taylor波。首先，理论上针对无粘液体横向射流进行建模，推导出色散方程，进而得到射流表面波的增长规律、不稳定波长预测公式及主要参数对其影响。而后，增加考虑射流粘性，推导出有粘横向射流的色散方程，并分析粘性对射流不稳定的影响。实验上采用高速摄像仪拍摄圆柱液体横向射流的动态破碎过程，工质为水，通过观测该动态破碎，得到关键参数的变化规律。

对液体横向射流不稳定性建模研究结果表明：

1）采用线性不稳定性分析方法推导出无粘横向射流的色散方程，求解得到射流表面波的增长率。影响表面波增长率的主要因素为射流速度剪切、横向气动力及液体表面张力。通过与实验值对比发现，气动力作用的有效厚度为射流半径的八分之一时，最佳波长预测关系式可以很好预测实验值。

2）气体韦伯数与液体韦伯数对表面波增长率及最佳波长的影响规律类似，增大气体韦伯数或液体韦伯数，表面波的增长率显著增加，同时最佳波长减小。衡量横向射流破碎过程中Kelvin-Helmholtz不稳定性与Rayleigh-Taylor不稳定性哪一个占主导的值为临界动量比，该值随气体韦伯数或液体韦伯数的增大而减小，并呈现幂函数关系。大于临界动量比，横向射流破碎过程中K-H不稳定性为主要影响因素，而小于临界动量比时，R-T不稳定性主导射流的破碎。

3）建模得到有粘横向射流的色散方程，由方程的解发现液体粘性会减弱表面波增长率，即粘性力对横向射流的不稳定性起抑制作用。但与表面张力的抑制效果不同，粘性力并不影响射流的不稳定波数范围。增加粘性，最不稳定波长将增大。

4）与无粘射流分析结果类似，有粘横向射流的表面波增长率分为四部分，它们分别代表速度剪切、表面张力、横向气动力及粘性力的贡献量。对于低粘性液体（如水），增长率受粘性力的抑制量较小，则不稳定性可按无粘射流计算；当液体的粘性较大（如甘油水混合物），粘性力同表面张力的抑制量相当，不能忽略其影响，且该规律基本不受气体速度和液体速度影响较小。对促发横向射流破碎的K-H不稳定性和R-T不稳定性，粘性对两者均起抑制作用，且对K-H不稳定性的抑制效果更强。以上对液体横向射流建模的结果可以较好地预测射流的不稳定性，及速度剪切、气动力、表面张力和粘性力对射流破碎的影响。

通过对大量高频（大于1000HZ）液体横向射流实验照片观测统计得到的结果表明：

1）横向射流轨迹呈现幂函数曲线形式，其幂指数为0.5。射流轨迹仅与液气动量比和阻力系数相关，对比实验数据得到射流的平均阻力系数为1.72。

2）圆柱破碎与袋式破碎的临界气体韦伯数并非定值，而是随液气动量比的不同而变化。

3）射流在横向气动力的作用下发生形变，其展向宽度随时间线性增长，且斜率随气体韦伯数呈对数增长。液柱的最大形变量为定值，近似为射流直径的两倍，最大形变点位置随参数q/Re的增大而增大。液袋的运动速度近似等于射流的初始速度。液环破碎时的临界直径随气体韦伯数的增大而减小。以上的实验研究结果完善了袋式破碎模式下经验关系式，为建立初始雾化模型打基础。