剪切气流中无黏液体横向射流破碎机理

航空发动机燃烧室中,液体燃料的雾化过程、特别是初始雾化过程非常复杂,至今无法建立准确的初始雾化模型。忽略液体射流黏性,采用线性不稳定性分析法对无黏液体(工质为水)在二维剪切横向气流中的破碎机理进行研究。通过建立射流的色散方程,根据其表面波的增长率及波数的发展情况对射流破碎进行预测。当气体韦伯数或液体韦伯数增大时,射流表面波增长率显著增加,最佳波长明显减小。液气动量比大于临界值时,Kelvin-Helmholtz(K-H)不稳定性占主导作用;反之,Rayleigh-Taylor(R-T)不稳定性占主导作用。二维剪切气流在射流方向上具有速度梯度,只改变横向气动力对射流表面波的作用。气体韦伯数与液体韦伯数对射流破碎的作用与均匀气流相似;保持气流流量相同时,负梯度剪切气流可以加速射流的破碎。

黏性液体横向射流破碎机理

航空发动机中液体燃料雾化过程十分复杂,特别是雾化初始阶段,至今无法建立准确的雾化模型。本文利用线性不稳定性分析法研究均匀气场和二维剪切气场中,不同黏性液体横向射流破碎过程。在圆柱坐标系下,建立有黏液体横向射流色散方程,利用Muller法求解得到射流表面表面波的不稳定增长率随波数的变化情况。当来流为均匀气流时,考虑液体黏性影响,射流表面扰动波增长率的减小量与增长率的比值较不考虑黏性时的至少增大1000倍。黏性对Kelvin-Helmholtz(K-H)和Rayleigh-Taylor(R-T)不稳定性均起到削弱作用,抑制了射流破碎,且表面波波数越多,黏性对破碎的抑制作用越强,但并不影响射流的不稳定波数范围。当黏性系数增大500倍时,表面波最大增长率降低80.37%,最佳波数减小40%,黏性力对表面波的抑制作用十分明显。横向来流为二维剪切气流时,横向气动力和剪切速度促进液体射流表面波生成进而产生破碎,而液体的表面张力和黏性力则会抑制表面波生成。液气动能比越大,气流剪切作用对射流不稳定性的影响越大,K-H不稳定性主导射流表面波的生成。进一步研究液体黏性对射流不稳定性的抑制作用,发现黏性对K-H不稳定性增长率的抑制作用较R-T不稳定性大,前者不稳定性增长率的削减可达82.7%,而后者削减量为49.1%。