雾化技术第二章.ppt

第二章液体射流的破碎与雾化过程 尽管各国学者在射流雾化领域开展了多年的研究工作，提出了关于射流雾化的湍流扰动学说、空穴扰动学说、边界突变学说、压力振荡学说以及空气动力扰动学说等，但是至今尚未形成一套完整而成熟的理论可以很好地解释射流雾化过程中的所有现象。目前，公认的比较成熟的理论是空气动力扰动学说，即认为射流雾化是气流与液体射流之间强烈的相互作用造成的。值得注意的是，喷嘴的几何形状与结构尺寸、喷口的粗糙程度以及喷嘴内部的扰动等因素对射流雾化具有显著的影响，这些空气动力扰动学说无法给予清晰的解释。 Re的影响 Re数增大，使射流最不稳定频率增加、最大扰动增长率增大。可见题提高雷诺数有利于射流的破碎，粘性力在两种破碎模式下，都会抑制射流破碎 We的影响 初始扰动的幅度与频率严重影响射流的破碎过程，很多文献研究了受激射流的破碎情况。 初始扰动为： B.S.Cheong, Effect of initial disturbance amplitude in gravity affected jet breakup, Chemical Engineering Science, 2005,p3715-3719 有粘情况下，初始扰动的影响更为强烈 杜青，史绍熙，受激液体燃料射流表面波规律初探，内燃机学报，2001，no.6 四、圆射流速度对破碎的影响 不同流动状态下，射流速度分布如图。Schweitzer分析认为： 在层流状态（a）下，径向速度分量较小，环境气体对射流的扰动较小，表面张力以及气流摩擦的作用使射流表面出现波动，并最终导致射流破碎。 在湍流状态（c）时，径向速度将破坏射流表面波形，造成射流的破碎。此时，即使没有气动力的作用，射流也会破碎。 在过渡状态，外层层流将保护射流表面不被中心湍流核心破坏，因此射流不会在喷口附近立即破碎；但在射流下游，湍流核心将突破层流层，使射流整体呈现湍动，射流开始破碎。 * 工程实践中，经常利用射流方式使液体破碎并进一步雾化，如内燃机喷油嘴、水喷淋灭火喷头、喷涂用喷枪等装置都是将液体介质加压后输送到喷嘴，再经过喷口以液体射流的形式喷射出来，高速射流与周围空气的相互作用使射流表面产生振荡与波动，形成不同结构的表面波，当表面波的振幅增大到一定程度时，液体射流就会发生破碎，分离出大量的液滴颗粒 。若分离出来的液滴尺度大于前文所述的临界直径，则将继续破碎成小液滴。 一、圆射流在同向气流中的破碎模式 1、瑞利破碎模式（Rayleigh breakup regime）：当流速很低，气动力很小时，射流破碎发生于距离喷口很远的位置，所产生的液滴直径约为喷口直径的1.89倍。由于流速很低，液滴的形成几乎与气动力无关；由于扰动的作用，液柱表面形成轴对称的振荡波，并在表面张力作用下振幅不断增大，最终将液柱切断。 气流扰动动能 2、第一类风生破碎模式（First wind-induced breakup regime）：射流破碎依然发生在距离喷口较远的位置。此时，由于气动力作用增大使表面张力的作用相应地增强，从而造成液柱内部压力分布不均，迫使液体向曲率半径较大的方向流动，并最终导致射流破碎。 3、第二类风生破碎模式（Second wind-induced breakup regime）:在逐渐增大的气动力作用下，液柱表面形成小波长的正弦扰动波，振幅不断增长并失稳，导致射流破碎。在这种破碎模式下，液体表面张力对射流的破碎表现为抑制作用。 4、雾化模式（Atomization regime）：液体射流在脱离喷口时就已经发生破碎，形成液滴群，破碎产生的颗粒直径远远小于喷口直径。 Reite(1978) Faeth(1990) 曹显奎等，液体射流在同向气流中的破碎，化学工程，2007.5 实验条件：射流速度0.54m/s~1.89m/s；雷诺数1043~3660，韦伯数0~94.9 破碎长度实验关联： 未受扰动长度的实验关联： 二、射流在横向气流中的破碎 三、射流不稳定性以及线形不稳定理论 Rayleigh最早研究了低速非粘性圆射流的不稳定破碎，他认为圆射流喷出后会受到气流的扰动，扰动动能为： 其中E为表面势能，bn为傅立叶展开级数的常数，k是表面波数 E为负值，表示系统不稳定 E为正值，表示系统趋于稳定 低速射流破碎时，形成大液滴以及夹杂其间的“卫星”液滴，其中大液滴直径与波长有关。 表面波增长率及其对应波长为： 液滴分离出来后会收缩成为球状： 目前，对于射流不稳定性的分析主要应用线形不稳定理论，线形不稳定理论是以气液质量、动量守恒方程为基础的，考虑气液速度、密度、气体可压缩性以及液体表面张力、粘性，以及边界条件之后，所得到的色散关系