周高伟，阎凯，李峰

(1.中车工业研究院有限公司，北京 100070；2.中车大连机车研究所有限公司，辽宁 大连 116021)

目前，国内外已有研究者对流动聚焦/模糊喷嘴进行了研究。对于流动聚焦模式，喷嘴气液流量较小(通常为几毫升每分钟)。司廷等[9-10]就流动参数对喷嘴生成液滴的影响进行了研究，研究表明，气相流量的增加有助于喷嘴生成单分散小液滴，液相流量增加时的影响相反。Acero和Vega等[11-14]的研究则表明，通过磨尖喷嘴内管、在内管中添加导杆等方法可以提高喷嘴流动聚焦模式时生成液滴的稳定性。而对于流动模糊模式，喷嘴出口的气液流动速度通常能达到几十米每秒，Azevedo等[15]的研究表明，喷嘴采用锥形喷孔时对液相流体工质的雾化效率最高；Simmons和Jiang等[16-17]的研究则表明，较高的气液比有利于喷嘴外部液滴的二次破碎，从而提高喷嘴的雾化效果。

流动聚焦/模糊喷嘴依靠喷嘴内部气相流体的调控作用才能在不同的工况下以不同的流动模式工作。但是，目前对喷嘴内部气液流动的研究仍然十分有限。部分研究者发现喷嘴内部还存在不同于流动聚焦模式和流动模糊模式的第三种流动模式[18]。另外，已有的研究由于研究的目的不同，大多是单独对喷嘴以流动聚焦模式或流动模糊模式工作时的特点进行研究，而未从整体上对喷嘴的流动模式进行研究，这在一定程度上阻碍了流动聚焦/模糊喷嘴的实际应用，特别是在液体喷雾与燃烧领域的应用。

基于以上原因，本研究将通过试验和数值模拟方法对流动聚焦/模糊喷嘴内部的气液流动形态及流动模式进行研究。搭建了流动聚焦/模糊喷嘴内部气液流动试验平台，对喷嘴内部的气液流动模式进行研究。建立了喷嘴内部气液流动的数值模拟模型，对不同流动模式时喷嘴内部的气液流动形态进行研究。在此基础上，通过流型图对气液流动参数和喷嘴结构参数对喷嘴流动模式的影响进行研究。

1 试验平台及数值模拟模型

1.1 流动聚焦/模糊喷嘴

本试验需要对不同工况时流动聚焦/模糊喷嘴内部的气液流动进行研究，因此，试验时采用的流动聚焦/模糊喷嘴需满足可视化和可变结构的要求。基于此，设计了模块化的流动聚焦/模糊喷嘴，其结构剖视图以及实物图见图1。

图1 流动聚焦/模糊喷嘴结构剖视图和实物图

如图1a所示，试验用流动聚焦/模糊喷嘴由喷嘴内管、喷嘴主体和喷孔组件三部分组成。液相流体和气相流体分别通过喷嘴内管和喷嘴主体进入流动聚焦/模糊喷嘴，在喷嘴内管头部和喷孔组件构成的混合区内相互作用后，通过在喷孔组件底部的喷孔流出喷嘴。由于研究不针对某一具体应用，且考虑到试验的安全性以及对环境的影响，采用水和空气作为流动聚焦/模糊喷嘴的试验工质。

喷孔组件采用亚克力材料制作并进行抛光处理，从而满足可视化试验的需求。进行研究时，主要改变的喷嘴结构参数为管孔距H(内管与喷孔间的距离)、喷孔直径Dh和喷孔长度Lh。试验用流动聚焦/模糊喷嘴的喷孔组件和喷嘴主体间通过螺纹进行连接，更换不同的喷孔组件即可以对喷孔直径和喷孔长度进行调整。而通过在喷孔组件与喷嘴主体的连接螺纹处添加不同数量厚度为1 mm的垫片则可以实现对管孔距的调整。试验用流动聚焦/模糊喷嘴的主要结构参数见表1。

表1 流动聚焦/模糊喷嘴主要结构参数

1.2 流动聚焦/模糊喷嘴内部气液流动试验平台

根据对流动聚焦/模糊喷嘴内部气液流动研究的需要，搭建了流动聚焦/模糊内部气液流动试验平台(见图2)。

图2 流动聚焦/模糊喷嘴试验平台

采用空气压缩机和液体泵作为流动聚焦/模糊喷嘴气液两相流体供给的动力源，以气液两相流体管路上安装的容积式流量计和压力调节阀对喷嘴的气液两相流量进行调节, 试验时气体流量的调节范围为10～100 L/min，液体流量的调节范围为100～1 000 mL/min。不同工况时气液流体的压力均保持恒定且气体压力比液体压力更大；气体压力的最大值为0.7 MPa，液体压力的最大值为0.5 MPa。通过FASTCAM Mini UX100高速摄像机对喷嘴内部的气液流动形态进行拍摄，将白色光源与高速摄像机相对布置以提高拍摄的清晰度。进行每组试验时，分别打开空气压缩机和液体泵，检查气液流体管路，在不存在泄漏的情况下，缓慢调节气液流量计和压力阀，使喷嘴气液流量达到试验目标值。待喷嘴稳定工作1 min后，通过高速摄像机对喷嘴内部的气液流动形态拍摄10张图像，完成该组试验。

1.3 流动聚焦/模糊喷嘴内部气液流动的数值模拟模型

以流动聚焦/模糊喷嘴混合区和喷孔区域作为数值模拟的计算域。考虑到计算域为轴对称结构，为节省计算时间，取计算域横截面的1/2区域作为数值模拟的最终计算域(如图3所示)。

图3 流动聚焦/模糊喷嘴数值模拟计算域示意图及其范围

如图3所示，虚线框区域为本研究对流动聚焦/模糊喷嘴内部气液流动进行数值模拟的计算区域。计算区域在喷嘴径向的宽度为4 mm，在喷嘴轴向上，由于不同流动模式时喷嘴的管孔距不同，计算区域的长度范围为13～15 mm。

对计算域划分网格并试算后发现，当网格尺寸小于一定程度后继续减小网格尺寸对计算结果基本没有影响。因此，最终选定的计算网格尺寸为0.02～0.1 mm，对混合区及喷孔中心气液相互作用较为剧烈区域的网格进行了加密，最小网格尺寸为0.02 mm。数值模拟模型计算网格总数为140万个。

为对喷嘴内部气液流动的细微结构进行深入研究，采用大涡模拟方法对喷嘴内部气液流动的控制方程进行求解。大涡模拟的控制方程如下：

(1)

(2)

式中：u为流体速度；ρ为流体密度；μ为流体黏度；p为流体压力；τij为亚网格应力；g为流体重力加速度；F为表面张力项。

大涡模拟方法采用滤波函数对气液流动中的大尺度涡团与小尺度涡团进行分离。对于大尺度涡团，可以直接通过式(1)和式(2)进行求解计算。对于小尺度涡团，则可以通过引入亚网格应力模型使式(2)封闭后进行求解。在兼顾计算精度和计算效率的情况下，选择Smagorinsky-Lilly模型作为数值计算的亚网格应力模型，其亚网格应力可由大尺度流场的应变率确定：

(3)

式中：τkk为亚网格各项同性应力；δij为克罗内克函数；μt为亚网格涡黏系数。

数值模拟时，通过PISO算法对喷嘴内部气液流动压力与速度的耦合进行处理，利用二阶迎风格式对动量方程进行离散，采用PRESTO法对喷嘴内部压力进行处理。为精确对气液两相流体相界面进行计算，采用VOF方法对流动聚焦/模糊喷嘴内部气液两相流体相界面进行追踪。通过气相体积函数α确定气液区域：当气相体积函数α为0时，表明该区域为液相区域；当气相体积函数α为1时，表明该区域为气相区域；当气相体积函数α介于0和1之间时，表明该区域液相和气相共存，即混合区域。针对研究对象的特点，在进行喷嘴内部气液两相流体流动数值模拟时，计算区域气相流体和液相流体入口边界采用速度边界条件，喷孔出口边界采用压力边界条件，计算区域喷嘴壁面边界采用无滑移壁面边界条件，对称线边界采用对称线边界条件。

通过对比相同工况下流动聚焦/模糊喷嘴内部气液流动的试验图像和数值模拟结果对喷嘴内部气液流动数值模拟模型进行了验证。图4示出流动聚焦模式下喷孔直径5 mm、管孔距5 mm、液相流体流量100 mL/min条件，不同气相流量时喷嘴内部气液流动形态的试验结果与数值模拟结果的对比。图5示出流动过渡模式下喷孔直径5 mm、管孔距1 mm、液相流体流量1 000 mL/min条件，不同气相流量时喷嘴内部气液流动形态的试验结果与数值模拟结果的对比。

图4 流动聚焦模式下不同工况时喷嘴内部气液流动试验结果与数值模拟结果的对比

图5 流动过渡模式下不同工况时喷嘴内部气液流动试验结果与数值模拟结果的对比

从图4和图5可以看出，流动聚焦模式时，通过数值模拟方法计算得到的喷嘴混合区锥形液体射流和喷孔内柱形液体射流的形态与试验结果基本相同；流动过渡模式时，通过数值模拟方法计算得到的喷嘴喷孔内柱形液体射流的破碎点位置与试验结果基本相同。这说明本研究建立的流动聚焦/模糊喷嘴内部气液流动数值模拟模型较为准确，可用于对喷嘴内部的气液流动形态进行计算。

2 流动聚焦/模糊喷嘴内部的气液流动模式

喷嘴内部的气液流动模式对流动聚焦/模糊喷嘴的工作有重要的影响，但目前对流动聚焦/模糊喷嘴内部存在的气液流动模式还未有定论。利用本研究中设计的可视化流动聚焦/模糊喷嘴进行试验后发现，喷嘴内部存在流动聚焦模式、流动过渡模式和流动模糊模式3种流动模式。流动聚焦模式时，喷嘴内部液体射流未发生破碎；流动过渡模式时，液体射流在喷嘴喷孔内破碎；流动模糊模式时，喷嘴混合区和喷孔内的液体射流均破碎。在喷孔直径5 mm、喷孔长度10 mm和液相流量200 mL/min时，试验观测到的流动聚焦/模糊喷嘴内部不同流动模式下的流动图像见图6。

从图6可以看出，3种流动模式时流动聚焦/模糊喷嘴内部气液流动的差异主要体现为气液两相流体间混合状况的不同。

图6给出的可视化试验结果表明：流动聚焦模式时，气液两相流体间的相互作用相对较弱，喷嘴内不存在气液两相流体间的掺混，因此可以在喷嘴混合区和喷孔内观察到清晰的锥形液体射流和柱形液体射流；流动过渡模式时，气液两相流体间的相互作用增强，在喷嘴喷孔内出现液体射流破碎，在液体射流破碎点下游的喷孔内存在着剧烈的气液两相流体间的掺混，而在液体射流破碎点上游的喷嘴混合区和喷孔内仍然可以观察到清晰的锥形液体射流和柱形液体射流；流动模糊模式时，喷嘴内部气液两相流体间的相互作用十分剧烈，在喷嘴混合区和喷孔内均存在着气液两相流体间剧烈掺混，此时已很难再观察到明显的气液两相流体的分界面。

图6 不同流动模式时喷嘴内部的气液流动试验图像(Ql=200 mL/min)

3 不同流动模式下喷嘴内部流动形态的数值模拟

不同流动模式时，流动聚焦/模糊喷嘴内部的气液相互作用程度不同，喷嘴流动参数和结构参数的改变不仅会影响喷嘴内部的流动模式，也会影响相同流动模式时喷嘴内部的气液流动形态。本节将通过数值模拟方法对不同流动模式时喷嘴内部的气液流动形态进行深入研究，从气液相互作用的角度对喷嘴内部不同流动模式产生的原因进行分析。

流动聚焦/模糊喷嘴内部的气液流动形态和流动模式与气相流体有密切联系，气相流体的惯性力及黏性力对液相流体的流动起主要影响作用。雷诺数反映了流体惯性力与黏性力的相对大小，因此，通过气相流体雷诺数对不同流动模式时喷嘴内部的气液流动形态进行分析。气相流体雷诺数定义为

(4)

式中：ρg为气体密度；μg为气体黏度；Qg为气相流体流量。

3.1 流动聚焦模式下喷嘴内部流动形态的数值模拟研究

图7示出管孔距4 mm、喷孔直径5 mm、喷孔长度10 mm、液相流量200 mL/min时，不同气体雷诺数下通过数值模拟得到的喷嘴内部气液流动相分布、速度分布和压力分布。

图7 流动聚焦模式时不同气相流量下喷嘴内部气液流动数值模拟结果

从图7a中可以看出，流动聚焦模式时，随着气体雷诺数的增加，流动聚焦/模糊喷嘴混合区内的锥形液体射流外凸程度逐渐减弱，锥形液体射流形态依次表现为外凸锥形、标准锥形和内凹锥形三种形态；喷嘴喷孔内的柱形液体射流直径逐渐减小。

从图7b和图7c中可以看出，流动聚焦模式时，随着气体雷诺数的增加，流动聚焦/模糊喷嘴混合区及喷孔内气液两相流体间速度与压力的差距增加，气相流体对液相流体的惯性力作用增强，这可能是喷嘴混合区锥形液体射流外凸程度减弱、喷孔内柱形液体射流直径减小的主要原因。从图中可以发现，流动聚焦模式时尽管喷嘴内部气液两相流动速度差与压力差随着气体雷诺数增加而增加，但喷嘴内部大部分区域气液两相流体流动的流线较为稳定，这可能是流动聚焦模式时喷嘴内部气液流体间未发生掺混的主要原因。而在气体雷诺数较大时，由于气液流体间压力差的增大，喷嘴喷孔下游区域气液两相流体流线开始出现一定的扭曲(图7中虚线圈所示)，这种气液两相流动间的扰动(也就是气体紊流作用增强的体现)正是流动聚焦模式向流动过渡模式转变的原因。

从图7还可以看到，流动聚焦模式时，喷嘴内部液体射流表面存在一定的不稳定波动。随着气体雷诺数的增加，流动聚焦模式时喷嘴内部液体射流表面的不稳定波动有一定的减弱。这说明，流动聚焦模式时气体的惯性力作用在使液体射流直径减小的同时还能在一定程度上增强液体射流的稳定性，这正是流动聚焦模式时喷嘴能够生成较小粒径液滴的重要原因之一。

3.2 流动过渡模式下喷嘴内部流动形态的数值模拟

图8示出管孔距3 mm、喷孔直径5 mm、喷孔长度10 mm、液相流量400 mL/min时，不同气体雷诺数下通过数值模拟得到的喷嘴内部气液流动相分布、速度分布和压力分布。

从图8a中可以看到，流动过渡模式时，流动聚焦/模糊喷嘴内部气液流动形态的差异主要体现为喷孔内柱形液体射流的破碎。喷嘴气体雷诺数较大时，喷嘴喷孔内柱形液体射流破碎点距喷孔出口的距离增加，柱形液体射流的破碎程度提高。

从图8b和图8c中可以看到，流动过渡模式时，喷嘴混合区内气液流体流动的速度场和压力场与流动聚焦模式时类似，而从喷孔内气液流动速度场和压力场中可以发现，气液两相流体的压力增加，气相流体流动中存在大量的漩涡，气体紊流对液体的扰动作用增强。喷孔内气体紊流导致的气相流体漩涡对液体射流的剪切和扰动作用正是流动过渡模式时液体射流发生破碎的主要原因。从图中还可以发现，喷嘴气体雷诺数较大时，喷嘴喷孔内气相流体漩涡逐渐向喷孔中心区域以及接近喷孔入口区域移动，这应该就是气体雷诺数较大时流动过渡模式下喷孔内液体射流破碎位置上升、破碎程度提高的主要原因。

图8 流动过渡模式时不同气相流量下喷嘴内部气液流动数值模拟结果

对比图8和图7可以发现，气体雷诺数较大时，流动聚焦/模糊喷嘴内部气体惯性力作用的增加主要起减弱液体射流稳定性的作用，这也是导致流动过渡模式时喷嘴喷孔内液体射流发生破碎的主要原因。

3.3 流动模糊模式下喷嘴内部流动形态的数值模拟

图9示出管孔距2 mm、喷孔直径5 mm、喷孔长度10 mm、液相流量400 mL/min时，不同气体雷诺数下通过数值模拟得到的喷嘴内部气液流动相分布、速度分布和压力分布。

从图9(a)中可以看到，流动模糊模式时，流动聚焦/模糊喷嘴混合区与喷孔内的液体射流均已发生剧烈的破碎。喷嘴气体雷诺数不同时，喷嘴内部气液流动形态的差异主要体现在液体射流的破碎程度上，气体雷诺数较大时，喷嘴内部液体射流破碎的程度较高。

图9 流动模糊模式时不同气相流量下喷嘴内部气液流动数值模拟结果

从图9b和图9c中可以看到，流动模糊模式时，流动聚焦/模糊喷嘴混合区内气液流体流动的流线有明显的扭曲，且存在一定的气液流动漩涡，即气体紊流对液相流体的扰动作用较强，这应该是导致喷嘴混合区内锥形液体射流发生破碎的主要原因。喷嘴气体雷诺数较大时，喷嘴内部存在的气液流动漩涡更明显，气液流动漩涡对喷孔中心区域的影响更明显，气体紊流对液相流体的扰动作用更强，气液流动压力较大且压力的扰动更明显，这可能是气体雷诺数较大时喷嘴内部液体射流破碎程度较高的原因。

从图9还可以看到，尽管流动模糊模式时喷嘴内部液相流体已发生破碎，但喷嘴混合区内破碎后的射流整体形态仍然呈锥形，喷孔内仍然存在一些未完全破碎的液柱。这主要是由于流动模糊模式时气体雷诺数较高，气体的惯性作用力对破碎液丝或液滴的挤压作用较强，导致部分液丝和液滴之间出现碰撞融合现象。

上述研究结果表明，不同流动模式时，流动聚焦/模糊喷嘴内部存在的不同气液流动形态是由不同工况时气相流体对液相流体的惯性力作用不同导致的。流动聚焦/模糊喷嘴内部气液流动模式由流动聚焦模式向流动过渡模式及流动模糊模式的转变，与气体惯性力作用增强时喷嘴内部出现的气液流动漩涡向喷孔中心区域及接近喷孔入口区域的移动有一定的关系。

4 喷嘴内部气液流动模式的试验研究

不同流动模式时流动聚焦/模糊喷嘴应用的领域有明显的差异，明确流动聚焦模式、流动过渡模式和流动模糊模式出现的工况对流动聚焦/模糊喷嘴结构的设计与实际应用有重要意义。本研究将通过气液流型图对气液流动参数和喷嘴结构参数对流动聚焦/模糊喷嘴内部三种流动模式的影响进行研究。

图10示出喷嘴喷孔直径5 mm、喷孔长度10 mm时，不同喷嘴管孔距下通过试验方法得到的流动聚焦/模糊喷嘴内部基于喷嘴气液流动参数的流型图。

图10 不同管孔距时喷嘴内部气液流动参数流型图

从图10可以看到，流动聚焦模式主要出现在喷嘴气相流量和液相流量较小的工况，流动模糊模式主要出现在喷嘴液相流量较小而气相流量较大的工况。随着喷嘴气相流量的增加，喷嘴内部的气液流动模式会由流动聚焦模式向流动过渡模式及流动模糊模式转变；而随着喷嘴液相流量的增加，喷嘴内部的气液流动模式会由流动聚焦模式或流动模糊模式向流动过渡模式转变。从整体上看，在大部分工况时流动聚焦/模糊喷嘴内部均表现为流动过渡模式。

从图10中还可以看到，随着喷嘴管孔距的增加，流动聚焦/模糊喷嘴内部流动聚焦模式出现的工况范围有一定的增加，流动模糊模式出现的工况范围有明显的减小，管孔距增加到一定程度后，喷嘴内部已不存在流动模糊模式。说明管孔距增加不利于喷嘴内部流动模式向流动模糊模式转变。

图11示出喷嘴管孔距2 mm、喷孔长度10 mm时，不同喷嘴喷孔直径下通过试验方法得到的流动聚焦/模糊喷嘴内部基于喷嘴气液流动参数的流型图。

图11 不同喷孔直径时喷嘴内部气液流动参数流型图

从图11中可以看出，气液两相流量对喷嘴内部流动模式的影响不受喷孔直径的影响。随着喷孔直径的增加，流动模糊模式出现的工况范围减小，流动聚焦模式出现的工况范围增大。说明喷孔直径的增加同样不利于喷嘴内部流动模式向流动模糊模式转变。对比图10和图11可以发现，喷孔直径对流动聚焦模式出现工况范围的影响比管孔距大，而对流动模糊模式出现工况范围的影响比管孔距小。

图12示出喷嘴管孔距2 mm、喷孔直径5 mm时，不同喷嘴喷孔长度下通过试验方法得到的流动聚焦/模糊喷嘴内部基于喷嘴气液流动参数的流型图。

从图12中可以看到，气液两相流量对喷嘴内部流动模式的影响同样不受喷孔长度的影响。随着喷孔长度的增加，流动聚焦模式出现的工况范围减小，流动模糊模式出现的工况范围增加，喷孔长度对流动聚焦模式出现工况范围的影响程度比流动模糊模式时更明显。但从整体上看，喷孔长度对喷嘴内部流动模式的影响相对较小。

图12 不同喷孔长度时喷嘴内部气液流动参数流型图

上述研究结果表明，喷嘴内部的气液流动模式与气液流动参数和喷嘴结构参数有密切的关系。流动聚焦模式主要出现在液相流量和气相流量较小工况，流动模糊模式主要出现在液相流量较小而气相流量较大工况；喷嘴管孔距和喷孔直径的增加均不利于喷嘴内部流动模糊模式的出现，喷孔长度的增加虽然有利于喷嘴内部流动模糊模式的出现，但影响相对较小。

5 结论

a) 试验研究发现，由于气液两相流体间混合状况的不同，流动聚焦/模糊喷嘴内部的气液流动模式可以分为流动聚焦模式、流动过渡模式和流动模糊模式3种；

b) 对喷嘴内部气液流动形态及流动模式的数值模拟研究发现，不同流动模式下，不同工况时气相流体对液相流体惯性力作用的不同导致了喷嘴内部的气液流动形态不同；流动聚焦/模糊喷嘴内部气液流动模式由流动聚焦模式向流动过渡模式及流动模糊模式的转变，与气体惯性力作用增强时喷嘴内部出现的气液流动漩涡向喷孔中心区域及接近喷孔入口区域的移动有一定的关系；

c) 通过流型图对试验结果的分析表明，流动聚焦模式主要出现在液相流量和气相流量较小工况，流动模糊模式主要出现在液相流量较小而气相流量较大工况；喷嘴管孔距和喷孔直径的增加均不利于喷嘴内部流动模糊模式的出现，喷孔长度的增加虽然有利于喷嘴内部流动模糊模式的出现，但影响相对较小。