关于喷嘴放大对同轴气体辅助雾化影响的学术研究报告

一、 作者、机构与发表信息

本研究的主要作者为Feichi Zhang (张飞驰)、Simon Wachter、Thorsten Zirwes、Tobias Jakobs、Nikolaos Zarzalis、Dimosthenis Trimis、Thomas Kolb以及Dieter Stapf。研究团队主要来自德国卡尔斯鲁厄理工学院（Karlsruhe Institute of Technology, KIT）的多个研究所，包括技术化学研究所、Steinbuch计算中心、燃烧技术研究所（Engler-Bunte-Institute: Combustion Technology）和燃料技术研究所（Engler-Bunte-Institute: Fuel Technology）。通讯作者为Feichi Zhang。

该研究成果以题为“Effect of nozzle upscaling on coaxial, gas-assisted atomization”的研究论文形式，于2023年4月3日在线发表于流体物理学领域的知名期刊《Physics of Fluids》第35卷第4期，文章编号为043302。该论文是“能源研究与应用中的多相流：MTCUE-2022特刊”专题的一部分。

二、 学术背景与研究目标

本研究属于流体力学、多相流及喷雾技术领域，具体聚焦于同轴气体辅助雾化器的初级射流破碎过程。气体辅助同轴雾化器（中央为液体射流，外围为同轴高速气体流）在燃烧、气化、喷涂、制药等众多工业领域有广泛应用。其雾化性能（如液滴尺寸、分布、射流破碎长度）直接决定了后续过程的效率与效果。

在实际应用中，经常需要将实验室规模（小流量）的雾化器设计放大到工业规模（大流量），即所谓的“放大”过程。一个核心的科学与工程问题是：在放大喷嘴尺寸以提高液体质量流率（ṁ_liq）时，如何保持或预测雾化质量（如射流破碎特性）？尽管已有大量研究关注特定参数（如韦伯数We、动量通量比J）对雾化的影响，但关于喷嘴几何尺寸比例放大本身对液体射流破碎和喷雾特性的影响，现有的知识和研究非常匮乏。特别是，当试图通过保持关键无量纲参数（如气动韦伯数We_aero和气体-液体质量流量比GLR）恒定的方式进行放大时，雾化行为会发生何种系统性变化，尚不明确。

因此，本研究的主要目标是：探究在保持We_aero和GLR恒定的前提下，通过几何比例放大喷嘴来提高液体质量流率时，对同轴气体辅助雾化中液体射流初级破碎过程的影响机制。 研究旨在通过结合实验与高分辨率数值模拟，揭示放大过程中流场动力学与破碎形态的内在联系，并推导出可用于初步预测破碎特性的基本原理。

三、 详细研究流程与方法

本研究采用了实验研究与数值模拟相结合的系统性方法，工作流程可分为以下几个主要步骤：

1. 实验设计与设置： * 研究对象与参数： 研究设计了四种不同尺寸的几何相似同轴雾化器，对应的液体质量流率ṁ_liq分别为20、50、100和500 kg/h。液体喷嘴直径（d_liq）和环形气体喷嘴直径（d_gas）按比例增加，而喷嘴壁厚（b）保持不变。研究采用了两种液体：水（粘度1 mPa·s）和甘油/水混合物（粘度100 mPa·s），以考察粘度影响。空气作为雾化气体。 * 放大策略： 核心的放大策略是保持气动韦伯数（We_aero） 和气体-液体质量流量比（GLR） 恒定。We_aero表征气动力与液体表面张力之比，GLR是气体与液体质量流量的比值。在此策略下，液体出口速度（v_liq）保持不变，但气体出口速度（v_gas）会随着放大因子n（n = ṁ_liq / ṁ_liq,0，基准为20 kg/h）的增加而降低（v_gas ∝ n^(-¹⁄₄)）。这导致其他关键参数如动量通量比（J）和动量流量比（J̇）下降，而液体雷诺数（Re_liq）增加。 * 实验装置与测量： 使用了两个喷雾测试台（ATMO用于实验室规模，BTR用于工业规模）。采用高速摄影结合背光LED阵列照明，以3600 Hz的帧率记录喷嘴出口区域的初级射流破碎过程。每个工况拍摄2000张图像。

2. 实验数据处理与分析： * 破碎形态与长度提取： 从高速图像中，定性观察射流破碎模式（如纤维型、脉动型）。同时，使用Otsu阈值等方法进行后处理，提取并量化液体核心长度（L_c），即完整液体射流持续的长度。 * 开尔文-亥姆霍兹不稳定性频率测量： 在距离喷嘴出口2倍液体直径的位置，通过对液柱边缘波动进行线扫描分析，并结合快速傅里叶变换（FFT），提取KHI频率（f_KHI）。该频率反映了气液界面初始扰动的特征时间尺度。

3. 数值模拟设置： * 模拟目的： 为了深入理解实验观察到的现象背后的物理机制，研究对ṁ_liq为20、50和100 kg/h（GLR=0.36， We_aero=250）的甘油/水混合物工况进行了高分辨率数值模拟。模拟旨在解析喷嘴近场区域的瞬态多相流场，揭示质量流放大对气流湍流结构、气液动量交换和液体动能的影响。 * 数学模型与方法： 采用大涡模拟（LES） 耦合流体体积法（VOF） 的多相流模型。VOF方法通过求解液体体积分数（f）的输运方程来捕捉气液界面。LES方法直接解析大尺度湍流结构，通过亚网格尺度模型考虑小尺度涡的影响。表面张力通过连续表面力（CSF）模型处理。由于We_aero远大于1，气动力占主导，表面张力建模的影响相对次要。 * 计算域与网格： 计算域包含了喷嘴内部部分和下游锥形区域。针对不同尺寸的喷嘴，保持了大致相同的总网格数量（约1030万六面体单元），因此在放大时网格分辨率相对降低。在射流初级破碎区域进行了局部加密。最小网格尺寸随喷嘴放大而增大。通过额外的网格细化算例（对100 kg/h工况使用8100万网格）评估了网格分辨率的影响。 * 求解与边界条件： 使用开源CFD软件OpenFOAM进行求解。采用二阶时间离散格式和TVD/迎风格式进行对流项离散。在入口给定与实验对应的质量流量，出口为压力边界条件。统计平均基于超过50万时间步长（约10个基于液体体积流量的流动通过时间）的数据。

4. 数据分析流程： * 实验与模拟对比验证： 将模拟得到的时均液体体积分数（f̄）沿中心线的分布与实验图像推断的破碎形态进行定性对比。通过模拟数据提取中心线上f̄=0.5的位置作为模拟的L_c，与实验测量的L_c进行定量比较。 * 流场与动力学分析： 从模拟结果中分析瞬时和时均的流场信息，包括速度场、湍流动能、液体相特定动能（K_l）等。K_l通过对整个计算域内液体动能进行体积积分并除以液体总体积得到，是一个衡量液体相所获动能强度的积分量。 * 参数化与相关性分析： 将实验和模拟得到的关键结果（L_c/d_liq, f_KHI）与放大因子n以及理论推导的参数变化规律（如J ∝ n^(-¹⁄₂), Re_liq ∝ n^(¹⁄₂)）进行关联分析，探究其内在物理联系。

四、 主要研究结果

1. 实验观察结果： * 破碎形态： 在所有研究的We_aero（250-1000）和ṁ_liq范围内，对于水和甘油/水混合物，射流破碎均处于纤维型破碎（fiber-type breakup） 模式，符合Faragó和Chigier的分类。在高We_aero和低ṁ_liq时，可观察到超脉动（superpulsating）子模式。 * 放大效应： 在恒定We_aero和GLR下，随着ṁ_liq（即n）的增加，初级液核长度L_c显著增加，液滴数量密度降低。即使在高We_aero（如1000）下，对于最大的500 kg/h喷嘴，虽然剪切出的液纤能进一步破碎成细小液滴，但液体核心仍能保持较长距离的完整。这表明，仅保持We_aero和GLR恒定不足以在放大后获得相同的雾化质量。 * 粘度影响： 高粘度液体（甘油/水混合物）的液滴数量密度显著降低，韧带形成更明显，尤其是在低We_aero下，这是粘性力增强所致。但L_c随ṁ_liq增加而增大的趋势在两种液体中一致。 * KHI频率： 实验测得的f_KHI随着ṁ_liq（n）的增加而减小，随着We_aero的增加而增加。这与基于Dimotakis和Marmottant-Villermaux不稳定性理论（考虑剪切层厚度和垂向波速）的预测趋势一致。

2. 数值模拟结果与机理揭示： * 破碎形态验证与量化： 模拟成功再现了实验中观察到的脉动型（pulsating） 破碎模式，即完整的液核周期性地断裂出膜状或纤维状的初级液纤。模拟提取的归一化破碎长度L_c/d_liq也显示出随n增加而增大的趋势，与实验定性一致（定量上因评估方法不同有偏差）。网格细化研究表明，对于大尺度喷嘴，获得网格无关的L_c结果计算成本极高。 * 流场结构分析： 瞬时流场显示，液体射流的破碎由高速气流施加的气动拉力触发。初始阶段在液柱表面形成KHI波，下游则产生尺度与喷嘴直径相当的同心环状涡结构。这些大涡穿透液核尖端，阻碍其发展，并导致液纤从液核剥离。 * 湍流与动量交换衰减： 时均和脉动速度场的分析表明，随着n增大，气体出口速度vgas降低（符合理论推导），导致气液界面速度梯度减弱。更重要的是，气流湍流脉动强度（速度均方根u’）也随n减小。这表明放大后，驱动多相动量交换和射流不稳定的湍流脉动被削弱。 * 液体动能分析： 计算得到的液体相单位体积平均动能K_l及其能谱（通过FFT得到）显示，K_l的时均值及其脉动能谱的幅值均随n增加而下降。K_l的能谱呈现出与一般湍流动能谱类似的宽带分布，说明动能从气相向液相的传递机制受湍流脉动主导。K_l的降低直接反映了动量交换效率的下降。 * KHI频率的模拟与验证： 从模拟的瞬时界面演化中也能识别KHI波，其频率f_KHI的变化趋势（随n减小，随We_aero增大）与实验测量和理论估计吻合良好。

3. 结果间的逻辑关系与对结论的贡献： 实验观察到的L_c增加和f_KHI降低是宏观表现。数值模拟通过解析近场流场，揭示了这些宏观现象背后的微观物理机制：在恒定We_aero和GLR的放大策略下，气体出口速度vgas必然下降，导致动量通量比J和动量流量比J̇降低，进而削弱了气液两相间的动量交换效率。 这具体体现在：1）时均气流速度降低；2）气流湍流脉动强度减弱；3）传递给液体相的特定动能减少。这些动力学参数的衰减，直接导致了射流失稳（表现为f_KHI降低）和破碎过程延缓（表现为L_c增加）。实验与模拟在趋势上的一致性，相互印证了上述机理的可靠性。对高低粘度液体的对比实验则表明，尽管粘度影响破碎的细微形态，但放大效应带来的上述动力学变化是普适的。

五、 研究结论与价值

本研究通过系统的实验与高分辨率数值模拟，深入探究了同轴气体辅助雾化器在按比例放大时的初级射流破碎行为，主要结论如下：

1. 核心结论： 在保持气动韦伯数（We_aero）和气体-液体质量比（GLR）恒定的条件下，单纯几何放大喷嘴以提高液体质量流率，会导致雾化性能下降，表现为液体核心破碎长度（L_c）增加和开尔文-亥姆霍兹不稳定性频率（f_KHI）降低。其根本原因是，该放大策略不可避免地导致气体出口速度（v_gas）下降，从而降低了气液动量通量比（J）和动量交换强度。
2. 物理机制： 数值模拟清晰地揭示了这一现象的流动物理学根源：放大后，气体流动的湍流动能和传递给液体相的特定动能均减弱，从而削弱了驱动射流表面不稳定性和破碎过程的气动力量。
3. 破碎模式不变性： 尽管破碎程度发生变化，但破碎的形态模式（纤维型、脉动型）在放大过程中基本保持不变，这符合基于We_aero和Re_liq的经典破碎图谱分类。
4. 预测工具： 研究提出了将放大因子n的影响纳入关键参数（如J, Re_liq）的关联式中（J ∝ n^(-¹⁄₂)， Re_liq ∝ n^(¹⁄₂)），这为基于实验室小尺度喷嘴数据初步预测大尺度喷嘴的初级破碎特性（如L_c）提供了第一阶估算方法。
5. 工程指导意义： 该研究明确指出，在设计从实验室放大到工业规模的高负荷同轴气体辅助雾化器时，需要特别谨慎。仅维持We_aero和GLR恒定不足以保证雾化质量。工程师需要考虑放大导致的J下降效应，可能需要调整其他参数（如提高气体压力或速度）来进行补偿，但这可能以牺牲GLR（影响经济性）为代价。

六、 研究亮点

1. 系统性的放大研究： 首次通过精心设计的实验（涵盖20-500 kg/h宽范围流量、两种粘度液体、多个We_aero）结合高分辨率数值模拟，系统性地研究了喷嘴几何比例放大对同轴雾化初级破碎的影响，填补了该领域知识的空白。
2. 机理深度揭示： 不仅报道了宏观现象（L_c增加），更通过先进的VOF-LES模拟，深入揭示了现象背后的流场动力学机理（湍流脉动减弱、液体动能降低），建立了从操作参数（n, We_aero）到流场参数（J, u’），再到破碎结果（L_c, f_KHI）的完整逻辑链条。
3. 方法学结合： 实验提供了大尺度（500 kg/h）的可靠数据和验证基准，而数值模拟则提供了实验难以获得的详细流场信息和机理洞察，二者优势互补，增强了结论的说服力。
4. 普适性验证： 研究涵盖了不同粘度的液体，表明所发现的放大效应规律具有相当的普适性，不局限于某一种流体。
5. 明确的工程启示： 研究结论对工业放大过程具有直接的指导价值，明确指出了常用放大准则（恒定We和GLR）的局限性，并提供了初步的量化预测思路。

七、 其他有价值内容

研究还讨论了在高压条件下进行放大的可能性。虽然本研究在常压下进行，但作者指出，提高系统压力会增加气体密度，从而在相同流速下提高We_aero和J，强化雾化。然而，在恒定压力（即恒定密度比）下进行放大时，本文所揭示的因vgas下降导致J降低的规律依然适用。这扩展了研究结论的适用范围。此外，论文对数值模拟的网格依赖性进行了坦诚讨论，指出了对大尺度系统进行完全网格无关的高分辨率模拟所面临的巨大计算挑战，体现了研究的严谨性。