跨声速气流中的液体喷射与液滴破碎

《Experimental Thermal and Fluid Science》：Liquid spraying and break-up of droplets in a transonic air flow

　　

# 超声速喷嘴中微米级液滴喷雾在跨音速流场中的研究

## 摘要

本研究在带有下游激波结构的扁平收缩-扩张喷嘴中，对微米级液滴的水、乙醇和丙酮喷雾在跨音速流中的行为进行了调查。采用高倍双帧阴影摄影法，并以较短的帧间隔时间，研究了液滴的尺寸、速度和变形分布。研究重点聚焦于直径小于100μm、韦伯数小于100的液滴。液滴形状演变的可视化表明，液滴破碎遵循袋状和袋-柱状模式，这与该韦伯数范围内其他关于此过程的观察结果一致。研究表明，当韦伯数小于临界韦伯数（????cr=12）时，激波前液滴在运动方向上的扁平化程度随韦伯数的增大而增加。在激波后方观察到液滴的拉伸现象。在加速的激波前区域中，对于足够大的液滴，液滴速度对液滴尺寸的依赖性较弱。

## 引言

液体喷雾过程和二次液滴破碎过程在各种工程应用中至关重要，包括发动机和发电厂中的燃料燃烧[1]、冷喷涂技术[2]、飞机防冰[3]、气体净化[4]、文丘里反应器[5]以及喷雾冷却系统[6]。这些过程已被广泛地进行实验研究（例如[7]），并且已发展出各种现象模型[8]、[9]。

大多数经典实验中，所研究的这些现象大多是在相对较大的单个液滴上进行的，特征直径约为1毫米量级。既描述了激波管实验[10]、[11]、[12]，也描述了均匀流动中的实验[13]、[14]。人们指出，液滴的逐渐加载和快速加载会导致即使在相同韦伯数下液滴的破碎特性也存在差异。在所有情况下，激波波都会导致液滴过度变形[11]。Sharma等人[15]研究了激波波-液滴相互作用的多尺度动力学及其在外部气流雾化液滴中的作用。

Kihm和Chigier[16]研究了激波波对二维气爆雾化器中液体雾化的影响。文献[17]、[18]、[19]、[20]的作者们分别研究了欠膨胀和过膨胀超声速两相射流中的液滴行为。Reuter和Schwer[21]研究了收缩-扩张喷嘴下游的喷雾-激波相互作用，重点关注多分散喷雾与激波之间的相互作用。

Zhang等人[22]采用双脉冲激光全息测试技术，实验研究了百微米级液滴在激波驱动下的变形和破碎。Duke-Walker等人[23]、[24]研究了液滴在激波后方突然加速过程中的破碎。在[23]中，他们重点关注直径在14-50μm范围、韦伯数在600–1800范围内的相对较小的液滴；在[24]中，他们研究了直径在50-200μm范围、韦伯数在100–6000范围内的液滴。

先前的研究在高速喷雾测量和单个液滴变形图像研究之间留下了空白。高速多分散喷雾研究[18]、[20]、[21]量化了激波结构对液滴尺寸和速度分布的影响。然而，由于它们的液滴测量主要依赖于相位多普勒技术，它们无法提供关于液滴形状和破碎形态的信息。此外，它们也未描述喷雾与激波结构相互作用之前所经历的逐渐加速阶段。相比之下，对高速流动中单个液滴的图像研究[23]、[24]，详细解析了液滴变形和破碎，但主要考虑了快速气动加载情况，且韦伯数多在100以上。可压缩加速流动中多分散喷雾对逐渐气动加载的耦合响应仍然缺乏充分表征。此前仅研究了激波结构上下游液滴尺寸和速度的局部变化。

我们的论文主要关注超声速气流中液体喷雾和液滴破碎的实验研究。我们通过考察多分散喷雾在亚音速和超声速流态下逐渐加速过程中的行为来弥补上述空白。在连续的轴向位置上同时测量局部液滴尺寸、速度和投影变形量。这些测量数据被用于表征激波前局部喷雾状态的发展以及激波区域中气动加载和液滴形态的变化。变形趋势从韦伯数和欧根数的角度进行了分析，所解析的破碎结构被识别并与经典的袋状和袋-柱状模式进行了比较。实验采用蒸馏水、乙醇和丙酮喷雾进行。分析重点关注有效直径小于100μm的液滴。扁平拉瓦尔喷嘴在载气马赫数0.6≤??≤1.5的范围内运行，并采用了高倍双帧阴影摄影法。

### 实验装置与方法

本研究中采用的方法与[17]、[18]、[19]、[20]、[21]中用于研究高速两相射流中液滴和喷雾的方法一致。实验所选的流道构型使我们能够研究在亚音速和超声速流区域加速段中液滴上气动力逐渐增大的过程中喷雾特征的演变。这种构型使我们能够在激波前后研究这些特征。

### 结果

利用实验中获得的数据，构建了液滴尺寸分布，并计算了统计分布特征量，包括等效体积液滴平均直径（??）、液滴的索特平均直径（SMD）以及液滴速度。

如上所述，液体以连续射流的形式从针尖处引入气流中，位置在??=?45 mm。随后，射流在加速区经历了初步雾化。

### 讨论

根据我们的分析，在加速段中大多数液滴的????/????值在1.4到1.9之间。因此，大多数液滴在其运动方向上呈扁平化。与激波管中载荷几乎瞬时增加不同，在拉瓦尔喷嘴中，液滴经历的是气动力的逐渐增加。在这种加载条件下，液滴在破碎前可能发生振荡变形[39]。然而，本双帧测量无法……

### 结论性评述

在下游带有激波结构的扁平收缩-扩张喷嘴中，对由微米级液滴组成的水、乙醇和丙酮喷雾在加速跨音速流中的演变进行了研究。采用高倍双帧阴影摄影法，以较短的帧间隔时间，沿喷嘴轴线方向获得了液滴尺寸、速度和变形的分布。研究重点关注有效直径小于100μm、韦伯数小于100的液滴。

### CRediT作者贡献声明

Oleg A. Gobyzov：写作-审阅与编辑、写作-原稿撰写、方法学、调查研究、形式分析、概念设计。Mikhail N. Ryabov：写作-审阅与编辑、形式分析。Aleksandr S. Mordovskoy：写作-审阅与编辑、形式分析。Artur V. Bilsky：写作-审阅与编辑、写作-原稿撰写、项目管理、概念设计。Pavel A. Strizhak：写作-审阅与编辑、验证、概念设计。Sergei S. Sazhin：写作-审阅与编辑、声明。

### 利益冲突声明

作者声明不存在已知的可能影响本文报告工作的竞争性经济利益或个人关系。

### 致谢

本研究得到了俄罗斯联邦科学与高等教育部（第075-15-2025-007号资助项目）的支持（Gobyzov、Ryabov、Mordovskoy、Bilsky、Strizhak和Sazhin的贡献）。作者感谢热物理研究所对实验部分工作的支持（合同编号126021217059-6）（Gobyzov、Ryabov和Mordovskoy的贡献）。

Oleg A. Gobyzov | Mikhail N. Ryabov | Aleksandr S. Mordovskoy | Artur V. Bilsky | Pavel A. Strizhak | Sergei S. Sazhin

库塔特拉泽热物理研究所，俄罗斯科学院西伯利亚分院，拉文季耶夫大道1号，新西伯利亚630090，俄罗斯联邦