雙股射流碰撞霧化特征實驗

王 輝， 曹 偉， 張 帥， 郭永軍， 楊 琦， 吳少華

(哈爾濱工業大學 能源科學與工程學院 燃燒工程研究所， 哈爾濱 150001)

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雙股射流碰撞霧化特征實驗

王 輝， 曹 偉， 張 帥， 郭永軍， 楊 琦， 吳少華

(哈爾濱工業大學 能源科學與工程學院 燃燒工程研究所， 哈爾濱 150001)

為改善雙股射流碰撞霧化器的霧化性能，基于自行搭建的射流碰撞霧化實驗臺，采用CCD拍攝技術，研究射流速度、碰撞角度、噴嘴出口內徑和黏度對霧化特征的影響.結果表明：隨著射流韋伯數和碰撞角度的增大，噴霧角增大，液滴的索太爾平均直徑(SMD)減小，且液滴分布更加均勻；噴嘴內徑較小時形成的液膜厚度較薄，穩定性差，噴霧角較小，在所研究的范圍內，液滴的平均直徑不受噴嘴內徑的影響；液體黏度越大，液膜越穩定不易破碎，液膜尺寸越大，噴霧角越小，液滴的平均粒徑越大；在韋伯數較小時，差異明顯，而在較高的韋伯數條件下，差距較小.在進行40%濃度甘油溶液霧化實驗時，觀察到了液膜翻轉現象，從碰撞點往下出現連續多個相互垂直的液膜.因此，增大射流速度、碰撞角度，減小液體黏度，有助于改善霧化性能.

射流碰撞；韋伯數；碰撞角；黏度；霧化特征

對于發動機而言，霧化質量的優劣能夠影響點火、燃燒效率、火焰穩定性等，因此，對霧化特征的理解和控制是發動機燃燒系統設計和優化的前提.射流碰撞霧化器由于結構簡單，易于制造和維修，并且在不同噴注壓力下都能具有良好的霧化和混合特點，所以在液體火箭發動機上得到了廣泛地應用.例如，阿波羅登月計劃所采用的F-1發動機，其主燃燒室采用的就是射流碰撞霧化器[1]，除此之外，射流碰撞霧化器還應用在了H-1、Titan、XLR-132等型號的液體火箭發動機上[2].

自Savart在1833年觀察到兩股相同的同軸射流碰撞產生的液膜破碎形成液滴之后，研究者們便對射流碰撞進行了廣泛而深入的研究[3].在液膜特征方面，Ma等[4]和Chen等[5]通過數值模擬研究了雙股射流碰撞霧化，發現液膜是由于表面波紋受氣動力放大的影響而破裂，主要受液體黏度和表面張力的作用.Dombrowski等[6]在研究液膜破碎機制過程中進一步發現，當韋伯數大于某一臨界值時，液膜上才能夠出現碰撞波紋.Heidmann等[7]指出了射流速度、碰撞角在雙股射流碰撞霧化過程中的重要性，將液膜破碎劃分為封閉邊緣、邊緣有液滴灑落、開放邊緣、完全破碎4類.Choo等[8]發現碰撞角增大、噴嘴內徑減小時，能夠產生更薄的液膜.張蒙正等[9]采用激光全息和圖像處理技術，發現凝膠推進劑相對于水更難霧化，是由于其表面張力和黏性力較大.Bai等[10]發現,對于黏度較大的液體，液膜長度更大，噴霧角卻更小.Fu等[11]發現，在相同壓降條件下，矩形噴嘴和橢圓形噴嘴產生的液膜相對于圓形噴嘴產生的液膜更加不穩定.在霧化后液滴特征方面：Sun等[12]發現液滴索太爾平均直徑隨噴嘴壓降增大而減小，而均勻度指數隨噴嘴壓降增大而增大.高繼慧等[13]利用數值模擬分析了各因素對霧化液滴粒徑的影響，得到了壓力噴嘴下游流場內液滴粒徑和速度空間分布.Lai等[14]首先通過攝影圖像技術研究了水的射流碰撞霧化，發現較大黏度和表面張力的液體對應的液滴尺寸都相對較大.Chen等[15]利用時間分辨粒子圖像測速研究了撞擊角度和射流壓差對凝膠推進劑霧化后液滴速度的影響，結果表明：霧化液滴速度對于撞擊軸線呈單峰對稱分布，距離撞擊點越遠，霧化液滴速度越小且分布越均勻，增大撞擊角和增大射流壓差都可提高凝膠推進劑有效撞擊速度.

雖然前人對于撞擊式射流的破碎模式、霧化效果等方面取得了很多研究成果，然而仍缺乏一些條件下黏度、射流速度、碰撞角度等因素對噴霧角、液滴粒徑及分布的具體影響的詳細信息，且采取的測試手段、分析手段及得出的結果也不盡相同.

本文基于自主搭建的射流碰撞霧化實驗臺，采用CCD高清拍攝技術，對去離子水及不同濃度的甘油溶液的雙股射流碰撞的霧化特征及粒度特征進行記錄測量，以探究射流速度、碰撞角度、黏度等因素的影響，獲得對碰撞射流系統更加深入的理解，從而指導液體火箭發動機噴嘴的優化設計，提高燃燒效率.

1 實驗系統及方法

圖1為射流碰撞霧化系統示意圖，主要包括壓力-流量調節系統、儲液系統、壓力測量系統、方位調節噴射系統4部分.實驗采用高壓氮氣作為驅動力，經過壓力調節系統作用在儲液系統中的實驗工質上，使工質流經流量調節系統和方位調節噴射系統，以一定的射流速度、碰撞角度和噴射直徑進行碰撞，得到噴霧場.

圖1 射流碰撞霧化實驗臺系統

射流碰撞霧化的測量記錄采用美國TSI公司生產的CCD拍照系統，其由計算機、CCD相機、同步器、標定及坐標架系統構成，可以完全滿足噴霧場的測量需要.根據測量條件，分辨率為2 048×2 048，同步器根據設定的延遲時間、間隔時間對信號進行同步，實現CCD相機的拍照.實驗前需要調焦獲得清晰圖像后進行標定.實驗得到的圖像通過IPP6.0軟件進行處理，得到噴霧角和液滴粒徑.IPP6.0軟件支持彩色圖像和多閾值測量，利用對象的顏色特征將其從背景中分離出來，并對對象進行計數和屬性測量.利用此軟件，能夠快速、自動地對噴霧場的液滴進行識別并測量平均粒徑，對像素模糊點還可以采取手動模式進行修正.圖2為利用IPP6.0處理液滴粒徑和噴霧角的方法與步驟.由于液滴具有三維結構，而CCD相機拍攝是二維測量，對于單個非球形液滴來說，不能夠準確描述其粒徑及形態.在統計測量液滴時，通過選取大量液滴來抵消其中產生的誤差.同一工況下，通過連拍20張照片，每張照片在同一位置自動識別15個液滴，取平均值計算得到索太爾平均直徑.經過重復實驗比較，誤差較小，在可接受范圍內.

實驗采用控制變量法，分別研究射流速度、碰撞角度、噴嘴內徑、黏度對霧化質量的影響，衡量指標為液滴粒徑、霧化均勻度、噴霧角等，所處的環境溫度都為20 ℃，壓力為常壓.在研究黏度的影響時，實驗組為20%、30%、40%體積分數的甘油溶液，相關的物理參數見表1，對照組為去離子水，其他實驗以去離子水為工質.噴嘴出口內徑D分別為0.67、0.86、1.07 mm，噴嘴長徑比都為10以上，使得液體在內部流動時能夠充分發展.為了保證兩股射流的對稱性，實驗之前對射流速度進行了標定，發現最大誤差不超過5%，所以，可以認為左右兩股射流在流速上符合對稱的要求.

圖2 圖像處理方法

表1 甘油溶液的物理參數

2 實驗結果及分析

2.1 碰撞射流的液膜及破碎特征

圖3為不同射流韋伯數下去離子水碰撞射流的噴霧結構.可以看出，隨著韋伯數增加，雙股射流碰撞后形成的液膜在破碎模式上存在較大的差異.圖3(a)為左右兩股射流碰撞之后形成的液膜具有規則封閉邊緣，并且液膜的邊緣相對較厚，液滴沒有在邊緣脫落，而是全部在液膜下方滴落，不存在張角，液膜表面存在波動，伊吉明等[16]認為是由沖擊波造成的.Dombrowski等[6]發現液膜出現波紋時韋伯數臨界值介于66～165，本文實驗在韋伯數為39時就觀察到波紋的出現，存在差異的原因可能在于本文實驗采用的液體為去離子水，Dombrowski等所采用的水經過染色，使得水的特性有微小的差異.圖3(b)同樣是封閉邊緣，但此時液膜底部兩側開始出現液絲，由于液體的表面張力作用，液絲出現斷裂，形成液滴.圖3(c)顯示液滴數量繼續增加，并且液滴開始向兩側發展，出現噴霧角.因此，當韋伯數較小時，液膜都有著較為完整而規則的邊緣，并且液膜大小隨著韋伯數逐漸增大.圖3(d)的液膜邊緣開始出現破裂，變得不再連續而規則，并且液膜表面出現明顯的表面波，這是由于在氣液交界面上液膜受到外界空氣的擾動作用而在其表面形成波紋，因此又被稱為空氣擾動波，底部液膜出現剝離，然后逐漸破碎形成液滴.由圖3(e)中可以看出，液膜在底部破裂后收縮形成的液絲呈弓形，噴霧角繼續增大.在圖3(f)～3(h)中，已經很難看出射流碰撞形成液膜的邊緣，稱為無邊模式.隨著韋伯數增加，液膜出現破裂的位置越來越接近于射流的碰撞點，這說明空氣擾動波隨著韋伯數的增加而逐漸加強.在無邊模式下，周期性弓形液絲在向下運動過程中，不斷破碎而出現大量液滴.

圖4為不同射流韋伯數下20%體積分數甘油溶液的碰撞射流的噴霧結構.與相同條件下去離子水的噴霧結構類似，當韋伯數增大時，雙股射流碰撞形成的液膜間存在較大的差異.相對于同樣狀態下的去離子水，甘油溶液液膜波紋出現得要晚一些，即甘油溶液液膜波紋的出現需要更大的射流速度，這是因為甘油溶液黏度較大，輕微的波動難以在液膜上表現出來.

對濃度較高的甘油溶液進行雙股射流碰撞霧化實驗時的結果見圖5，此時甘油體積分數為40%，韋伯數為90(對應射流速度為2.58 m/s，).射流碰撞形成一個規則的葉子型液膜，液膜下方垂直方向存在一個較小的液膜(圖中間直線部分)，在這個小液膜的下方垂直方向又存在一個更小的液膜，把這種現象稱為液膜翻轉.液膜翻轉現象一般出現在高黏度液體碰撞時，因為高黏度流體液膜較為穩定，對碰撞波和空氣的擾動作用抵抗能力強，而在其他條件下，液膜邊緣可能存在不規則的凸起，影響新射流碰撞，液膜翻轉現象不會出現，或者僅存在兩個相互垂直的液膜.

圖3 去離子水不同韋伯數下噴霧場圖像

圖4 20%甘油溶液不同韋伯數下噴霧場圖像

圖5 液膜翻轉現象

2.2 不同射流速度對霧化效果的影響

在研究射流速度對去離子水霧化效果的影響時，以射流速度為變量，固定碰撞角和噴嘴出口內徑不變.圖6(a)給出了韋伯數對噴霧角的影響.可以看出，當韋伯數增大時，雙股射流碰撞形成的噴霧角將隨之增大.在較小的韋伯數條件下，噴霧角增速較快；而當韋伯數處于較高范圍時，噴霧角增加較慢，并且逐漸趨于穩定.

(a) 韋伯數對噴霧角的影響

(b) 韋伯數對索太爾平均直徑的影響

在測量雙股射流碰撞形成的噴霧場中液滴的粒徑時，選定射流碰撞點正下方某一固定區域進行測量，根據在實驗過程中拍攝到的噴霧場圖像，發現在碰撞點下方6 cm處，液膜已經完全破碎形成液滴，不存在塊狀液膜或者液絲，所以選擇此處作為測量區域.圖6(b)給出了75°和90°兩種射流碰撞角條件下，韋伯數對液滴粒徑的影響.總體上，隨著韋伯數增大，液滴的平均粒徑會隨之減小，并且減小趨勢變得平緩，最后穩定在0.4 mm以下.這是因為較大的韋伯數意味著射流速度較大，液膜破碎形成的大液滴相對于周圍空氣的運動速度大，能夠更容易繼續破裂形成小液滴.在實驗過程中，受測量條件限制，設定曝光時間最小為10 μs，所以，在拍攝速度較高的液滴時，照片上會留有很小的一段液滴運動軌跡，使得液滴粒徑測量值偏大，反應在圖中即75°韋伯數大于600之后，索太爾平均直徑有微弱的變大的趨勢；而當液滴速度較小時，曝光時間對粒徑測量值的影響并不明顯，液滴的平均粒徑隨著韋伯數的增大而減小.

2.3 不同碰撞角度對霧化效果的影響

在研究不同碰撞角對霧化效果的影響時，同樣以去離子水為實驗工質，所采用的噴嘴內徑為0.86 mm，保持射流速度不變，對比研究了60°、75°、90°、105°等4種碰撞角對霧化效果的影響.圖7(a)給出了4種韋伯數狀態下，不同的碰撞角對噴霧角的影響.由圖7(a)可以看出，無論是在何種韋伯數條件下，當碰撞角增加時，噴霧場都會隨之增大，在韋伯數處于較大范圍時，同種碰撞角下的噴霧角差距相對較小.

圖7(b)給出了在不同韋伯數條件下，射流碰撞角對霧化形成液滴粒徑的影響.可以看出，在韋伯數保持不變時，隨著雙股射流間碰撞角的增大，液滴的平均直徑將會逐漸減小，說明增大碰撞角有利于改善霧化.這是因為碰撞角增大時，左右兩股射流更加接近于正碰，動量交換變得更劇烈，從而使液膜的不穩定性加強，加速了液膜的破碎.在應用雙股射流碰撞霧化時，要選擇合適的碰撞角，不能單獨依靠增加碰撞角改善霧化，因為根據噴霧場圖像，在噴霧角為90°或105°時，液膜接近于圓形，會有較多的液滴向上傳播一定的距離，這可能會引起嚴重的粘壁現象.

圖7(c)給出了不同韋伯數時，液滴粒徑的方差隨碰撞角的變化.總體上，隨著左右兩股射流間的碰撞角增大，液滴粒徑方差逐漸減小，即液滴更為集中地分布在粒徑均值(算術平均值)附近，液滴與液滴之間的粒徑差值減小.同時，當無論是在何種碰撞角時，韋伯數較大的條件下霧化產生的液滴粒徑方差都較小韋伯數時的液滴粒徑方差小.這是因為在小韋伯數(小流速)、小碰撞角時，射流碰撞比較溫和，液膜較為穩定，僅在擾動較強的地方液膜破碎形成小液滴，而在其他區域，破裂的液膜在表面張力作用下匯聚形成體積較大的液滴，最終表現為液滴大小不一；而當韋伯數較大，或者碰撞角較大時，射流碰撞更為劇烈，液膜容易破碎形成液滴，這種差異性會有所減小.

(a) 碰撞角對噴霧角的影響

(b) 碰撞角對索太爾平均直徑的影響

(c) 碰撞角對液滴粒徑方差的影響

圖7 碰撞角對噴霧角、索太爾平均直徑、液滴粒徑方差的影響

Fig.7 Effects of impinging angle on spray angle, SMD and variance

2.4 不同出口內徑對霧化效果的影響

圖8(a)分別給出了3種不同出口內徑的噴嘴產生射流的韋伯數對噴霧角的影響，可以發現，無論對于何種內徑的噴嘴，當韋伯數增加時，噴霧角都會隨之增大，而后逐漸趨于穩定.出口內徑為0.86、1.07 mm的兩種噴嘴形成噴霧的張角在不同韋伯數時都較為接近，且都要大于出口內徑為0.67 mm噴嘴形成的噴霧角.Dombrowski等[6]研究了層流與湍流射流形成的液膜及破碎，通過比較發現了不同的破碎機理，并發現液膜的破碎是由空氣動力學和水動力學作用而產生的波紋擾動引起.液膜破碎的過程受到周圍空氣的擾動作用，當噴嘴內徑較小時，雙股射流碰撞形成的液膜比較薄，同時，Heidmann等[7]的研究表明，噴嘴內徑對液膜表面的波紋具有微弱的影響，小內經噴嘴形成的液膜波紋更為密集一些，綜合這兩項原因，輕微的擾動就能使之形成的液膜破裂，不易于向兩側傳播，因而最終的噴霧角較小.對于內徑為0.86、1.07 mm的兩種噴嘴，雙股射流碰撞形成的液膜較厚，能夠抵抗更強的空氣擾動作用，所以液膜能夠在寬度方向上傳播更遠，并且，0.86 mm的噴嘴形成的液膜厚度足以抵抗空氣的擾動，所以兩者的噴霧角更大且較為接近.

(a) 噴嘴內徑對噴霧角的影響

(b) 噴嘴內徑對索太爾平均直徑的影響

圖8(b)給出了采用3種不同出口內徑的噴嘴形成噴霧場中液滴的平均粒徑隨韋伯數的變化趨勢，可以看出隨著韋伯數增大，液滴平均直徑會隨之減小.盡管噴嘴內徑能夠影響到韋伯數的大小，但從圖中可以看出3種噴嘴形成的液滴在大小上并沒有較大的區別，可見，在所研究的范圍內噴嘴尺寸對液滴粒徑影響較小，這與前人的研究結果相同.對于內徑為0.67 、0.86 mm的兩種噴嘴，可以發現，在液滴粒徑隨韋伯數變化曲線的后半段有所上升，這是因為射流碰撞產生的液滴速度較大，曝光時間偏長導致液滴粒徑的測量值偏大.

2.5 不同黏度對霧化效果的影響

圖9(a)給出了去離子水及各種濃度的甘油溶液形成液膜的長度隨韋伯數的變化，因為液膜的縱橫比接近2，且隨韋伯數變化較小，所以可以用液膜長度來表征液膜大小.可以看出，當韋伯數增大時，液膜將逐漸增大，并且對于黏度較大液體，其液膜尺寸也較大.對于黏度較高的甘油溶液來說，即使處于較大的射流速度時，液膜也不易破裂.

圖9(b)給出了內徑為0.86 mm的噴嘴，在90°碰撞角時形成的噴霧場張角隨韋伯數變化趨勢.可以看出，當韋伯數增大時，去離子水和甘油溶液形成的噴霧角都會隨之增大，甘油溶液形成的噴霧角與韋伯數大致呈線性關系，并且濃度越高，噴霧角越小.這主要是由兩方面原因造成的：濃度較高的甘油黏度大，液膜發展受到的阻力大，因而張角較小；甘油的密度約為1.26×103kg/m3，比去離子水的密度大，濃度越高的甘油溶液密度越大，因而液膜在向兩側傳播時受到的重力作用將更加明顯，使得噴霧角隨甘油溶液濃度增大而減小.

圖9(c)給出了去離子水、20%體積分數甘油溶液、30%體積分數甘油溶液的液滴平均直徑隨韋伯數的變化，可以發現，3種液體霧化形成的液滴直徑隨韋伯數的變化趨勢一致.并且，無論是在何種韋伯數條件下，高濃度(高黏度)的甘油溶液相對于低濃度的甘油溶液，霧化形成的液滴平均直徑更大.

圖9(d)為去離子水、20%體積分數甘油、30%體積分數甘油3種液體霧化形成液滴粒徑的方差隨韋伯數的變化趨勢.對于大體積分數的甘油溶液，其在霧化后產生的液滴粒徑方差更大，即液滴粒徑均勻性差，彼此之間差距大.這是因為高濃度意味著高黏度，液膜更加穩定，產生的液滴大小不一.當韋伯數較大時，黏度對液滴的影響將會減弱，因而粒徑的方差將會較為接近.

(a) 黏度對液膜長度的影響

(b) 黏度對噴霧角的影響

(c) 黏度對索太爾平均直徑的影響

(d) 黏度對液滴粒徑方差的影響圖9 黏度對液膜長度、噴霧角、索太爾平均直徑、液滴粒徑方差的影響Fig.9 Effects of viscosity on sheet length, spray angle, SMD and variance

3 結 論

1)增大韋伯數，液膜會表現出不同的特征.在韋伯數較小時，液膜具有較厚并且封閉的邊緣，表面有波紋出現.隨著韋伯數增大，液膜兩側出現液絲，液絲在與周圍空氣相對運動過程中破碎產生液滴，噴霧場呈現一定的張角，并且隨韋伯數增大而增大.

2)增大兩股射流間的碰撞角，有利于液膜向兩側發展，噴霧場張角增大.同時，增大碰撞角后，射流接近于正碰，碰撞更加劇烈，液膜不穩定性增強，液滴平均直徑減小.

3)內徑較小的噴嘴形成的液膜比較薄，表面波紋更為密集，穩定性差，輕微的外界擾動就能使之破裂，不利于液膜向兩側傳播，最終導致噴霧角較小.噴嘴內徑較大時，內徑值對噴霧角的影響較小.在所研究的范圍內，液滴的平均直徑不受噴嘴內徑的影響.

4)對于不同黏度的液體來說，韋伯數的增大都能夠引起液膜尺寸增大，并且，黏度較大的液體在相同韋伯數時對應的液膜尺寸更大.黏度較高的液體的噴霧角較小.韋伯數較小時，高黏度液體形成的液膜更為穩定，液滴平均直徑較大; 而當韋伯數較大時，黏度對液滴的影響變小，不同黏度的液體對應的液滴直徑差異較小.黏度較大的液體，在低流速條件下，容易出現液膜翻轉現象.

5)增大射流速度,增大碰撞角,減小液體黏度，這些有利于增強液膜不穩定性的因素都能夠使得霧化形成的液滴分布更加集中.

[1] OEFELEIN J C, YANG V.Comprehensive review of liquid-propellant combustion instabilities in F-1 engines[J].Journal of Propulsion and Power, 1993, 9(5): 657-677，DOI: 10.2514/3.23674.

[2] RYAN H M, ANDERSON W E, Pal S, et al.Atomization characteristics of impinging liquid jets[J].Journal of Propulsion and Power, 1995, 11(1): 135-145.

[3] HUANG J C P.The break-up of axisymmetric liquid sheets[J].Journal of Fluid Mechanics, 1970, 43: 305-319.

[4] MA D J, CHEN X D, KHARE P, et al.Atomization patterns and breakup characteristics of liquid sheets formed by two impinging jets[J].AIAA Paper, 2011, 97: 2011, DOI: 10.2514/6.2011-97.

[5] CHEN X, MA D, YANG V, et al.High-fidelity simulations of impinging jet atomization[J].Atomization and Sprays, 2013, 23(12): 1079-1101, DOI: 10.2514/6.2012-4328.

[6] DOMBROWSKI N D, HOOPER P C.A study of the sprays formed by impinging jets in laminar and turbulent flow[J].Journal of Fluid Mechanics, 1964, 18(3): 392-400.

[7] HEIDMANN M F, PRIEM R J, HUMPHREY J C.A study of sprays formed by two impinging jets[J].World Literature Today, 1957(4):681-682.

[8] CHOO Y J, KANG B S.Parametric study on impinging-jet liquid sheet thickness distribution using an interferometric method[J].Experiments in Fluids, 2001, 31(1): 56-62.

[9] ZHANG M Z, CHEN W, YANG W D, et al.Atomization and characteristics of gelled propellant with impinging injector[J].Journal of Propulsion Technology, 2009, 30(1):46-51.

[10]BAI F, DIAO H, ZHANG M, et al.Breakup characteristics of power-law liquid sheets formed by two impinging jets[J].Fluid Dynamics Research, 2014, 46(5): 055506, DOI: 10.1088/0169-5983/46/5/055506.

[11]FU Q, YANG L, CUI K, et al.Effects of orifice geometry on gelled propellants sprayed from impinging-jet injectors[J].Journal of Propulsion and Power, 2014,30(4): 1113-1117, DOI: 10.2514/1.B35144.

[12]SUN J, WANG J, SHEN C, et al.Experimental for a like-doublet injector with 40° impingement angle[J].Journal of Propulsion Technology, 2002, 23(3):207-206.

[13] 高繼慧, 陳國慶, 高建民,等.半干法壓力旋流式噴嘴霧化性能數值模擬[J].哈爾濱工業大學學報,2010,42(3):437-441.

GAO J H, CHEN G Q, GAO J M, et al.Numerical simulation on atomizing performance of pressure swirl nozzle for semi-drying FGD[J].Journal of Harbin Institute of Technology, 2010, 42(3):437-441.

[14]LAI W H, HUANG W, JIANG T L.Characteristic study on the like-doublet impinging jets atomization[J].Atomization and Sprays, 1999, 9(3):277-289.

[15]CHEN J, FENG F, HU M A, et al.Experimental study on impinging velocimetry of gel simulants based on PIV[J].Journal of the Royal Statistical Society, 2014, 35(4):565-569.

[16]伊吉明,白富強,常青,等.撞擊式射流速度特性及液滴粒度特性的實驗[J].內燃機學報，2013,31(6):519-524.

YI J M, BAI F Q, CHANG Q, et al.Experiment on velocity and size distribution of droplets produced by an impinging liquid jet[J].Neiranji Xuebao/transactions of Csice, 2013, 31(6):519-524.

(編輯 楊 波)

Atomization characteristics experiment of impinging jets

WANG Hui,CAO Wei, ZHANG Shuai, GUO Yongjun, YANG Qi, WU Shaohua

(Combustion Engineering Research Institute, School of Energy Science and Engineering,Harbin Institute of Technology, Harbin 150001, China)

To improving the atomization characteristics of dual impinging jets, based on the impinging jets platform established by ourselves, the effects of jet velocity, impingement angle, nozzle diameter and liquid viscosity on the atomization characteristics were studied by CCD Photography technology.The experimental results indicate that with the increase of Weber number and impingement angle, the spray angle is increased, droplet SMD is decreased and the droplet distribution is more uniform.When the nozzle diameter is small, the thickness of liquid sheet is small, the liquid sheet is unstable and the spray angle is small.The nozzle diameter has little influence on SMD.Besides, the larger the liquid viscosity, the more unstable of the liquid, the larger the liquid size, the smaller the spray angle and the larger the droplet SMD.When the Weber number is small, the difference is obvious and when the Weber number is large, the difference is smaller.Also, in the study of 40% concentration of glycerol solution atomization characteristics, the phenomenon of liquid sheet flip was observed, and multiple consecutive perpendicular liquid sheets could appear down from the impact point.In conclusion, increasing the jet velocity and impinging angle and decreasing the liquid viscosity can improve the atomization characteristics.

impinging jets; Weber number; impingement angle; viscosity; atomization characteristics

10.11918/j.issn.0367-6234.2017.01.013

2016-03-18

國家自然科學基金創新群體科學基金(51121004)

王 輝(1977—)，男，副教授，博士生導師

王 輝，wanghui_hb@hit.edu.cn

V434+.3

A

0367-6234(2017)01-0093-08