喷嘴雾化的原理和研究发展过程

研究表明，喷嘴雾化过程主要受4种力的控制，即气动阻力、黏性力、液体的表面张力和惯性力。这4种力之间的相互作用，使连续的液注发生分裂、破碎。一般认为喷嘴雾化过程分为射流雾化过程与液膜雾化过程。

Rayleigh于1876年对射流破碎机理进行了分析。他采用小扰动方法分析了低速射流破碎所需要的条件，认为只有当对称的扰动波波长达到与射流直径可比时才能使得射流破碎。Tyler通过测量射流破碎的频率，研究了射流破碎与扰动波波长之间的关系，验证了Rayleigh的理论分析。

Weber发展了更具一般意义的低速黏性射流破碎理论，提出射流破碎存在扰动波波长，并给出了其表达式。通过分析液体雾化过程中各种力的相互作用，他认为气动力对液体的摩擦作用与液体自身的高速流动惯性是导致液滴破碎的重要原因。当气动阻力的作用大于表面张力时，液体就会发生雾化现象，液体表面发生液滴剥离。据此他提出了一个无量纲常数——Weber数，并给出了雾化现象发生的临界Weber数、临界液体速度等重要指标参数。

Haenlein则通过试验验证了Weber的结论，并将液体射流雾化区分为4类过程：无空气影响时的液滴形成、有空气影响时的液滴形成、射流波动引起的液滴生成和射流的完全破碎即雾化。Ohnesorge 根据射流 受 力 的 重 要程度将数据进行整 理，引入无量纲数Ohnesorge数将射流破碎过程分为 3 个阶段：

(1) 低雷诺数段，此时 Rayleigh 机理控制破碎过程：

(2) 中雷诺数段，射流破碎由射流扰动控制；

(3) 高雷诺数段，雾化过程在喷嘴出口很短的距离内完成。

这个分类广为引用。为了解决 Ohnesorge 分类图中存在的不确定状态问题，Reitz 通过分析柴油机喷雾的试验数据，提出以下 4 种破碎状态：Rayleigh 形破碎；一次风生破碎；二次风生破碎以及雾化。

Fraser和 Eisenklam 定义了 3 种液膜破碎方式：边缘脱落、表面波动及液膜穿孔。他们认为液膜破碎时转变为液带，而后继续破碎为液滴。边缘脱落所形成的液滴仍然沿着破碎前的方向运动。液膜穿孔方式形成的液滴具有很好的均匀性，而表面波动方式形成的液滴尺寸变化很大。对于发生液膜雾化的喷嘴来说，3 种破碎方式可能同时发生。

1950年代，Dombrowski 和 Fraser 通过大量试验深入研究了液膜的破碎过程。他们发现，液带主要是由于液膜穿孔造成，如果孔由空气摩擦引起，液带会非常快地破碎：而孔若由喷嘴中的湍流引起，则液带破碎得很慢。

他们总结认为：高表面张力和高黏性的液膜难于破碎：液体的密度对液膜破碎几乎不起作用。York 等人对平面液膜的破碎机理进行了理论与试验研究，得到结论认为，连续相与离散相界面之间的不稳定性和表面波的形成是影响液膜破碎为液滴的主要因素。

可见，上述机理分析离不开试验的支持。因雾化过程复杂，迄今为止几乎所有的理论研究结果都是经验和半经验的。

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