《Energies》：Numerical Simulation and Experimental Verification of the Atomization Characteristics of Gas–Liquid Two-Phase Impact Jet Nozzle Based on the VOF-DPM Coupling Method
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柴油机排气管道承受由高温高压气流引起的严重热应力，采用雾化喷嘴进行喷雾冷却已成为保障结构可靠性广泛采用的方法。然而，目前对低入口压力下两相流喷雾破碎机制的理解尚不全面。研究人员建立了气液冲击射流喷嘴的三维模型，并应用耦合的体积流体法到离散相模型（VOF–DPM
柴油机排气管道承受由高温高压气流引起的严重热应力，采用雾化喷嘴进行喷雾冷却已成为保障结构可靠性广泛采用的方法。然而，目前对低入口压力下两相流喷雾破碎机制的理解尚不全面。研究人员建立了气液冲击射流喷嘴的三维模型，并应用耦合的体积流体法到离散相模型（VOF–DPM）方法来详细解析液体破碎过程。进行了高速成像实验以验证数值结果。在气体和水的五个压力水平——0.28、0.24、0.20、0.16和0.12 MPa——上进行了正交试验，产生了25组喷雾锥角和索特平均直径（SMD）数据对。在探索的0–0.3 MPa空气入口压力范围内，升高压力持续降低SMD并增大锥角，尽管两种趋势随压力增加而减弱。水入口压力表现出非线性影响，在较高压力区域出现局部极值。总体SMD达到最小值34.12 μm和最大值149.04 μm。利用这25个数据点，采用遗传算法在总水力功率约束下优化压力比，得出了不同功率预算的优化策略。模拟的另一个成果是识别了一个结构弱点：通过将原始平面冲击表面重塑为全锥形表面，在相同边界条件下雾化质量提高了29.36%。这些发现阐明了低入口压力下气液冲击射流的雾化机制，并为喷嘴优化提供了实用指导。
论文解读：气液两相冲击射流喷嘴雾化特性的数值模拟与实验验证
**研究背景与问题**
柴油机排气管道长期承受高温高压气流引发的热应力，需通过喷雾冷却保障结构可靠性。目前雾化喷嘴广泛应用于该领域，但低入口压力条件下气液两相流的喷雾破碎机制尚未被充分揭示。现有研究多集中于常规环境参数下的雾化分析，对发动机驱动泵提供的低入口压力（0–0.3 MPa）范围内冲击射流雾化机理的认识仍不完整。因此，有必要结合数值模拟与实验手段，系统探究气液两相冲击射流喷嘴在该低压区内的雾化特性，为优化喷雾冷却系统提供理论支撑。该论文发表在《Energies》。
**关键技术方法**
研究人员采用基于ANSYS Fluent 2022 R1平台的VOF-DPM耦合方法（体积流体法-离散相模型，Volume of Fluid-Discrete Phase Model），结合自适应网格细化（AMR）技术，构建三维瞬态高保真数值模型。湍流模型采用剪切应力输运SST k-ω（Shear Stress Transport k-omega）模型以精确捕捉强剪切层和分离流。实验验证方面，搭建了喷雾可视化实验平台，利用高速摄影（Motion Pro Y4-S1）和Malvern Spraytec激光衍射粒度分析仪（采样频率10 kHz，测量范围0.05–2000 μm）分别测量喷雾锥角和索特平均直径（SMD）。通过25组正交实验（气体和水各5个压力水平：0.12、0.16、0.20、0.24、0.28 MPa）生成数据对。数值模型中的VOF-DPM转换机制基于液滴尺寸（当量球径≤0.4 mm）和形状（非球形度标准差<0.5）双判据自动触发。
**研究结果**
**5.1 数值模型与实验数据的验证**
通过对比四个代表性工况（覆盖高、中、低压区）的喷雾锥角和SMD模拟值与实验值，验证了VOF-DPM框架的准确性。喷雾锥角的最大相对误差为1.81%，SMD的相对误差在2.67%至5.59%之间，所有数据点均落在±6%误差带内，表明模型在整个研究工况范围内具有定量可靠的预测能力。
**5.2 喷雾形态与破碎过程**
采用VOF方法追踪液相体积分数等值面，结合DPM粒子轨迹，完整捕捉了从液膜铺展、失稳、穿孔到液带拉伸破碎的瞬态过程。在0–400 μs内，依次经历了初始平滑液膜（50 μs）、气体剪切诱发开尔文-亥姆霍兹不稳定性（Kelvin-Helmholtz instability）导致液膜边缘拉伸（100–150 μs）、瑞利-泰勒不稳定性（Rayleigh-Taylor instability）驱动一次破碎产生环状薄片、细长液带和大液块（200–250 μs）、二次破碎将液带和液块进一步分裂为细小液滴（300–350 μs）以及最终达到稳定雾化状态（400 μs）。液滴最终尺寸由气动韦伯数、表面张力、黏性应力和毛细压力梯度之间的多尺度力平衡决定。
**5.3 空气入口压力对喷雾锥角和SMD的影响**
在固定水入口压力下，SMD随空气入口压力升高单调下降（如0.28 MPa水压下从149.04 μm降至40.46 μm，降幅72.85%），喷雾锥角同步增大但变化幅度较小（约13.4%）。然而，SMD的降低率和锥角的增大率均随压力升高而递减：在0.20–0.24 MPa区间每0.01 MPa降低约7.2 μm，而在0.24–0.28 MPa区间降至1.9 μm，再升至0.28–0.30 MPa区间进一步降至1.4 μm。这表明高空气入口压力下雾化改善效果减弱，符合实验观测趋势。
**5.4 水入口压力对喷雾锥角和SMD的影响**
水入口压力对SMD和锥角的影响呈现非线性特征。在高水压区域，SMD先降后升，在0.24 MPa处出现最小值；在0.28 MPa空气入口压力下，将水压从0.28 MPa升至0.30 MPa导致SMD增加5.2%、锥角减小1.9%。这种非线性响应源于气动剪切力与液膜惯性之间的竞争：适度水压下液膜薄且受剪切主导，过高水压导致膜厚增大、惯性增强，阻碍气动破碎，使雾化质量下降。
**5.5 基于总驱动功率约束的气液压力多目标匹配优化**
以总驱动功率为约束，引入无量纲等效压力系数（权重因子α=0.005），构建二次多项式代理模型，利用遗传算法搜索最小SMD。无约束最优解为空气入口压力0.28 MPa、水入口压力0.24 MPa，对应SMD=34.12 μm；中等约束下最优解为空气入口压力约0.28 MPa、水入口压力约0.16 MPa（压力比约1.75）。这表明在有限功率预算下，应优先保障空气入口压力（高气低水策略），可使SMD比等压分配方案降低约59%。
**5.6 喷嘴结构优化**
原始水平冲击表面易导致一次破碎后液滴在混合室内聚并。数值模拟揭示将平面改为全锥形冲击表面后，液膜沿倾斜壁快速径向铺展并持续变薄，增加了暴露于气体剪切的表面积与体积比，从而使SMD在相同边界条件下降低29.36%，同时喷雾锥角增大。该改进归因于锥形表面增强了液膜铺展能力并缩短了驻留时间，提升了单位液体质量的气相动量传递效率。
**讨论总结与结论**
讨论部分指出，空气入口压力是控制SMD的主导变量，但其单调改善效应在高区衰减；水入口压力则因惯性主导机制呈现非单调影响。总驱动功率约束下的优化推荐“高气低水”分配策略。结构优化表明锥形冲击面通过几何调控液膜重新分布，显著提升雾化效率。研究结论翻译如下：
本研究聚焦喷雾冷却应用，采用多尺度VOF-DPM耦合方法（体积流体法-离散相模型耦合方法）结合自适应网格细化（AMR）技术，对气液同轴冲击射流喷嘴的雾化过程进行了深入的数值研究与实验验证。基于验证模型，系统考察了气液压力比对雾化特性的影响。主要结论概括如下：通过整合VOF法、DPM法和AMR技术，成功建立了高保真三维瞬态计算流体动力学模型（CFD模型）。喷雾锥角和SMD与实验数据的比较验证了模型的准确性和可靠性。该模型能够详细捕捉关键雾化子过程，包括液膜铺展、失稳、穿孔、液带拉伸和破碎。在环境压力下，通过25组正交实验测量了SMD和锥角，揭示了空气入口压力和水入口压力对雾化质量的非线性影响：固定水入口压力时，SMD随空气入口压力升高逐渐降低，但高空气入口压力下降低趋势减弱；固定空气入口压力时，SMD和锥角在水入口压力升高时均出现局部极值，表明水入口压力对雾化的非线性影响。在空气入口压力和水入口压力受总驱动功率限制的条件下，进行了气、水压力匹配的约束优化，针对给定船舶电站容量提供了不同约束水平下的最优功率分配策略。作为结构设计的进一步探索，在数值模型中比较了原始平面冲击表面与全锥形冲击表面在相同边界条件下的性能。锥形构型预测SMD降低29.36%，表明冲击表面几何形状是改善雾化质量的有效手段。其机制归因于沿倾斜壁的增强径向铺展和连续液膜减薄，从而增加了暴露于气体剪切的表面积与体积比。该结果将冲击几何优化确定为未来喷嘴开发的一个有价值的方向。
