多股射流撞击雾化机理的实验研究
文献类型：学位论文
| 作者 | 侯林
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| 答辩日期 | 2024-05-18 |
| 文献子类 | 博士 |
| 授予单位 | 中国科学院大学 |
| 授予地点 | 北京 |
| 导师 | 范学军 |
| 关键词 | 多股射流 雾化机理 偏心撞击 SMD 液滴分布均匀性 |
| 学位专业 | 流体力学 |
| 其他题名 | Experimental Study on Characteristics of multi-jet impingement Atomization |
| 英文摘要 | 众所周知，燃烧室整体性能与喷嘴的雾化性能是密不可分的，雾化性能良好
的喷嘴可以使液体燃料或氧化剂形成大量细小而均匀的小液滴，从而增加液滴与
周围环境空气的接触面积，促进换热与蒸发过程，有利于促进混合气的形成，提
高燃烧的稳定性。本课题以水介质的射流撞击雾化形成的喷雾为主要研究对象，
创新设计了多股环状排列射流的正心与偏心撞击雾化喷嘴，定义了表征射流偏心
撞击程度的偏心碰撞参数 B，围绕多股射流撞击雾化液膜结构与破碎机理、射流
撞击形成的液膜形态与尺寸特性，多参数下的喷雾液滴统计学规律展开实验研究。
本课题利用高速背光成像技术对射流撞击雾化喷雾进行可视化测量，结果表
明，与双股射流撞击后形成的叶片状液膜的平面雾化结构不同，三股环状排列的
射流撞击于一点，随后在下游形成由三个半叶状液膜组成的空间结构，在液膜表
面波与周围空气共同作用下，液膜发生破碎形成液丝和大液滴，随后继续破碎成
大量小液滴。随着撞击韦伯数的增大，结构下游尖端边缘从闭合状态转变为开放
状态，分析了液膜上的表面波，测量了表面波波长，并与理论值做了对比，得出
液膜上的表面波为气动波与撞击波的非线性叠加，韦伯数较小时波长较长，而韦
伯数较大时，波长较短，这与粘性耗散与拉伸应力有关。通过对可视化测量获取
的喷雾图像进行处理，计算获取了雾化液膜长度，雾化液膜宽度，雾化液膜厚度
等参数用于表征雾化液膜的尺寸特性，并与理论值做对比，得出液膜的厚度与撞
击韦伯数有关，撞击韦伯数越大，液膜厚度越小，液膜的长度和宽度均与韦伯数
有关，液膜为边缘闭合状态时，液膜长度和最大宽度随韦伯数增大而增大，液膜
为边缘开放状态时，液膜长度随韦伯数增大而减小，液膜最大宽度随韦伯数增大
而增大，这与理论预测相符合。
采用相位多普勒粒子测量技术对雾化液滴粒子数、粒径和速度进行同步测量，
分析获取了雾化场液滴的尺寸分布、空间分布以及速度分布。结果表明，雾化场
内液滴直径的概率密度分布曲线呈近似对称，且在 150μm 至 250μm 范围内出
现峰值，在该分布内，液滴尺寸主要分布在 100μm 至 300μm 范围内，表明该喷
雾雾化效果较好。对雾化场内粒子的归一化尺寸的概率密度分布也进行了分析，
发现其与 Gamma 分布函数有较好的拟合效果。采用径向不均匀指数 RNI 对雾化
场内液滴的空间分布进行表征，结果表明 RNI 随着径向距离的增大而减小，也
就是说，越靠近喷雾边缘，雾化液滴分布越均匀。
射流的偏心撞击对雾化结构的影响体现在两个方面，一是可以使雾化液膜发
生偏转，二是加速液膜下游尖端从闭合状态转为开放状态。对雾化液滴特性的影
响体现在增大撞击偏离程度，会使雾化液滴的平均尺寸减小但是会使得雾化场的
I多股射流撞击雾化机理的实验研究
空间分布均匀性降低。对于雾化场内的液滴尺寸分布，分析表明液滴粒径的概率
密度函数 PDF 的曲线峰值与偏心碰撞参数 B 有关，随着 We 和 B 的增加，测量
平面上液滴直径减小，这将有利于雾化。
最后对射流数量对雾化的影响进行了分析，结果表明，在相同的撞击韦伯数
下，增加射流数量，雾化质量会变差，以五股射流撞击为例，射流撞击后形成窄
小的液膜，液滴沿喷嘴轴向分布，径向的液滴数量减少。虽然增大撞击韦伯数（ ）
后，液膜的破碎长度变长，液膜厚度变小。液丝、液滴的数量增多，雾化场内液
滴的索特尔平均直径（SMD）变小，但是对比相同撞击韦伯数下三股和两股射
流撞击雾化喷雾，雾化场内雾化效果仍不理想。使射流偏心撞击后，随着偏心碰
撞参数 B 的增大，雾化锥角增大，雾化液膜的轴向延伸距离增大，液膜下游从闭
合状态转为开放状态。相邻两液膜的相对位置发生改变。在一定范围内，B 的增
大有利于液膜的形成与破碎，超过某一临界值后，随着 B 的增大，雾化场液滴数
目减少，液丝变粗变短。雾化场内液滴的 SMD 变大，不利于液膜破碎成液丝和
液滴。
总的来说，本文以水介质的射流撞击雾化形成的喷雾为主要研究对象，设计
并建造了一套基于 PDPA 和高速相机的可视化测量实验设备，并研发了多股环
状排列射流的正心与偏心撞击雾化喷嘴结构；创新性地定义了适用于多股射流偏
心撞击雾化的偏心参数，量化了多股射流偏心撞击的程度；揭示了多股环状排列
的射流正心和偏心对撞雾化过程和机理，填补了该类型撞击雾化机理实验测试的
部分空白。 |
| 语种 | 中文 |
| 源URL | [http://dspace.imech.ac.cn/handle/311007/95228]  |
| 专题 | 力学研究所_高温气体动力学国家重点实验室 |
| 通讯作者 | 侯林 |
| 推荐引用方式 GB/T 7714 | 侯林. 多股射流撞击雾化机理的实验研究[D]. 北京. 中国科学院大学. 2024. |
入库方式： OAI收割
来源：力学研究所
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