基于乙醇燃料解明液体射流破碎机理的研究

液体射流的初期破碎是二次雾化及喷雾质量的决定因素，与二次雾化相比，初期破碎存在着时间极短且极强的两相流不规则性及随机性，研究难度大，其物理机理尚不明确。本课题以乙醇为研究对象，采用高速显微激光摄像技术，对乙醇射流的初期破碎过程进行深入研究，捕捉各种喷射条件下的初期破碎形态，发现其与喷雾特性之间的内在联系。在由液体射流和气态介质所形成的两相流中，射流破碎形态取决于作用在液体射流上各种力之间的相互作用，其机理可以通过表征液体流动特性的雷诺数和表征气液两相相互作用的韦伯数这两个无量纲数来描述。本课题在雷诺数和韦伯数构成的两维区域上对初期破碎形态进行统计学的归类分区，得到无量纲数与破碎形态之间的关系，并在各分区里研究惯性力、粘性力和表面张力对破碎形态的影响效果，进而解明初期破碎的物理机理，并阐明其与采用激光诊断获得的喷雾特性之间的关联，建立相应的物理模型，填补液体喷雾雾化数理分析研究中的重要空白。

本课题以乙醇为研究对象，利用先进激光诊断技术对乙醇射流的宏观和微观形态进行深入系统研究。基于无量纲分析对射流破碎过程中受到的各种作用力进行定量分析，建立射流形态与无量纲数间的定量关系。基于对无量纲关系式解明液体射流在初期破碎和二次破碎的物理机理，建立射流破碎模型。通过本课题的研究发现，液体射流的破碎和雾化是惯性力、粘性力、表面张力和空气阻力共同作用的结果，这些作用力的相对大小对液体射流的破碎和宏观及微观形态起关键作用。利用无量纲数的雷诺数、韦伯数和气液密度比可以定量地表达各个作用力在射流破碎不同阶段的相对重要性。在不同的流动的条件及射流发展阶段，作用力的影响也有所不同，基于射流破碎的时间阶段及无量纲数可以对射流进行分区。结果表明，射流破碎在时间上可分为初期破碎和二次破碎阶段；根据流动状态则可分为低雷诺数和高雷诺数流动区域。在初期破碎阶段，射流内部存在连续流动的液核。初期破碎则是连续液核破碎成为离散液带和液核的过程。在这个阶段，射流以稳定的运动速度远离喷嘴，该速度与韦伯数的0.549次方以及气液密度比的-0.142次方成正比。说明在初期破碎阶段，惯性力和表面张力对连续射流的运动速度起决定性作用，空气阻力的重要性次之。初期破碎的持续期，即连续射流的存在时间，与雷诺数的-0.294次方以及气液密度比的-0.268次方程正比。因此，惯性力、粘性力和空气阻力对连续射流的存在时间都发挥着重要作用。当连续射流完全破碎成为离散的液带和液滴后，射流进入到二次破碎阶段。由于空气阻力的持续作用，射流在二次破碎阶段的运动速度随着时间发展逐步减慢。相对于初期破碎阶段，空气阻力在二次破碎阶段对射流运动具有更加明显的影响。而惯性力和空气阻力的作用则相对减弱。在射流破碎的整个阶段，粘性力对射流运动速度的影响都不是很明显，只有在低雷诺数流动（Re<12500）时，粘性力才发挥一定作用。基于以上定量分析建立了射流破碎的无量纲模型。相对于传统的射流破碎模型，无量纲模型直接反映射流破碎的物理机理，将影响射流破碎的众多物理因素统一归纳到三个无量纲数中，极大地简化建模过程，具有宽广的适用范围。到目前为止，本课题已经顺利完成了各项研究内容和研究目标。研究成果共计发表国际SCI学术期刊论文8篇，国际会议11篇，国内会议和杂志论文8篇。依托本项目培养硕士研究生4名，博士研究生4名，获得了良好的学术成果和社会价值。