喷嘴结构设计与流场分析毕业设计说明书+CAD图纸(10)
4 喷嘴雾化性能
近年来，国内外学者对气体辅助雾化方法及其雾化机理进行了广泛而深入的研究。LefebvreAH等人先后研究过气体辅助雾化喷嘴的液体喷射压力、气液比与喷孔直径对液体雾化颗粒平均直径和尺寸分布的影响[23]，气体注入孔尺寸的影响，气体注入形式的影响，以及喷嘴的流量特性，外界反压的影响等(试验均是在竖直向下喷射时完成)。气液两相流动不同于单相流动，喷嘴水平与竖直放置对喷嘴内的两相流动状态会有显著影响，并产生不同的流型，进而可能产生不同的雾化效果。LefebWe、Wang等人认为“喷嘴出口直径对雾化质量影响不大，在较低的气液质量流量比下可以得到很好的雾化效果”。Buckner和Sojka等人通过试验验证了流体的粘性对雾化效果的影响较小。而Lund的试验则显示液体表面张力的增加将会使颗粒的直径减小，粘度的增加则会导致颗粒直径的轻微增加，并利用Weber理论进行了解释。试验研究与了解气体辅助雾化喷嘴雾化特性是研制工业用喷嘴的关键步骤。对于任何一种型式的喷嘴，都必须通过雾化特性研究来了解其结构参数和工作参数对雾化质量的影响后，才能来确定其最佳的结构和尺寸参数，以及在实际应用中的合理调节。
4.1 圆射流破碎
在圆射流以连续的液体的形式从喷嘴口喷出时，受外界气体扰动作用后，在其表面会形成一定模式的震动波。表面波的振动幅度将逐渐扩大后，分裂成为大颗粒的液滴和液片。这个过程被称为初级雾化。如果初级雾化的液滴直径超过临界值，它们将会进一步破裂成为大量的细小液滴，这个过程称为二级雾化[24]。
因为圆射流雾化的重要性，其破裂过程和不稳定性在过去几十年里一直被燃烧与流体学界广泛关注[25]。Rayleigh首先提出圆射流的不稳定分析，Weiber则提出了低速粘性和非粘性圆射流受气液交界面空气动力作用而形成的不稳定模型。之后，Sterling和Sleicher深入研究了空气动力作用对位于运动气流中圆射流的影响。他们的研究表明，圆射流喷射流入气体介质中的不稳定性有规则可循，并逐步形成喷雾的理论体系。
（1） 不稳定性分析
Rayleigh研究了低速圆射流的破碎机理后，认为从孔式喷嘴中喷射出的圆射流要受到周围空气的扰动。其扰动的能量为：
E_s=πσ/2d(k^2+n^2-1)b_n^2 （4-1）
式中：
Es为表面势能，单位：J；
d为圆射流直径，单位：m；
bn为傅里叶展开级数的常数；
k=2π/λ为量纲πσ/2d的表面波数；
n=0，1，2，3，4，5。
对于非对称扰动，当不小于1时，E_s为正值，表示系统趋于稳定。对于非对称扰动，当n=0时，且λ>2π时，Es的值为负，表示系统不稳定。
Weiber将低速圆射流的稳定性理论扩展到粘性流体。他认为有一个最小的表面波长λ_min和最有可能导致圆射流破碎成为液滴的表面波长λ_dom。当喷嘴出口附近的初始扰动表面小于λ_min时，受到表面张力的作用，圆射流的扰动减缓；当初始扰动波长大于λ_min时，扰动波幅增大，并最终达到λ_b，导致圆射流破碎。
对于非粘性流体：
λ_min=πd （4-2）
λ_dom=√2 πd=4.44d （4-3）
对于粘性流体：
λ_min=πd （4-4）