1 前言

压力旋流喷嘴具有结构简单、雾化效果好、不易堵塞、所需泵端压力低等优点，被广泛应用于各种化工喷射系统中^[1]。圆环旋转黏性液体射流可以看作是压力旋流喷嘴射流的简化模型。

实验方法具有直观性强、说服力高等特点。国内外一些学者根据不同研究目的，从不同研究角度对液体射流问题进行过许多实验研究，并取得了一定的研究结果。高速摄影是液体射流问题实验研究的传统方法；采用高速摄影方法可以得到液体射流界面发展、射流破碎长度、射流锥角以及射流破碎液滴粒径等形貌特征信息，但难以对射流的振荡频率进行研究^[2~7]。而采用激光衍射方法则可以得到能够直接反映液体射流稳定性的射流振荡频率等信息^[8~18]。国内外一些学者采用激光衍射方法对圆柱液体射流和平面液体射流的稳定性问题进行过研究^[12~19]，得到了射流表面液滴剥离频率、射流振荡频率等信息。Lozano等学者对采用激光衍射方法和声压检测方法得到的射流振荡频率进行了比较，结果表明激光衍射方法是一种研究射流振荡频率的有效方法^[15]；Lozano等学者采用激光衍射方法对平面液体射流厚度、射流周围气体沿射流方向运动对平面液体射流振荡频率的影响进行过研究^{[9, 10]}；Lasheras采用激光衍射方法对射流周围存在轴向气体运动时的圆柱液体射流振荡频率进行过研究^[13]。

目前，针对压力旋流喷嘴射流的实验研究大多采用高速摄影方法；采用激光衍射方法对压力旋流喷嘴射流稳定性问题的研究尚未见报道。

本文将采用激光衍射方法和高速摄影方法对压力旋流喷嘴射流稳定性问题进行研究。通过激光衍射方法获取压力旋流喷嘴射流的振荡频率信息，采用高速摄影方法获取压力旋流喷嘴射流的破碎长度、锥角等形态信息，并在此基础上对压力旋流喷嘴射流稳定性进行分析。

2 实验方法及实验系统 2.1 实验方法及原理

液体射流振荡频率、射流破碎长度以及射流锥角是反映液体射流稳定性及射流特征的重要参数。实验原理如图 1所示。通过激光衍射方法，可以获取压力旋流喷嘴的射流振荡频率；通过高速摄影获得的射流图像，可以获取压力旋流喷嘴的射流形态以及射流破碎长度和射流锥角。

激光衍射方法的测试原理是，使激光投射到射流开始点至射流破碎点之间的射流表面上，射流液体将对激光产生衍射作用；利用光电信号转换模块对激光衍射信号进行光电转换，利用数字信号采集器对光电信号转换模块的输出电信号进行采集；通过计算机对采集到的电信号进行降噪处理和变换以提取射流的不稳定性特征，即射流振荡频率。

本文对射流旋转强度、射流液体物性以及喷嘴结构参数对压力旋流喷嘴射流振荡频率、射流破碎长度以及射流锥角的影响进行研究。实验研究时，射流旋转强度由射流流量控制，射流液体物性由乳化剂水溶液体积浓度调节，压力旋流喷嘴结构参数的变化主要是喷嘴出口内径。

2.2 实验系统

压力旋流喷嘴射流稳定性实验平台主要包括射流喷射系统、激光发射系统、光电信号转换及数字信号采集系统以及射流形态信息采集系统等。

压力旋流喷嘴射流喷射系统主要由压力旋流喷嘴、液体泵、流量控制阀、流量计等部分组成。压力旋流喷嘴采用L型拐角喷嘴，如图 2所示。实验时采用的两个喷嘴出口内径分别为3.2 mm和1.2 mm，实验工质为水并且在常温下进行实验。

激光发射系统的核心部分是氦氖激光器，包括激光电源和氦氖激光管。实验中使用的氦氖激光器为HNK型氦氖激光器。激光电源输入电压为AC (220±10) V，50 Hz，输出电压为DC 1000~1500 V，功率为30 W；激光管发射的激光功率为4 mW，激光波长632.8 nm，激光光束直径0.8 mm。

使用光电信号转换及数字信号采集系统对激光衍射信号进行光电转换与采集。在光电信号转换模块中采用了光敏二极管传感器，其具有响应频率高(大于100 kHz)、线性度好等优点；光电信号转换模块的输出信号为0~5 V电压信号。数字信号采集器采用Hantek 6022BE型数字信号采集器，其采样频率范围为100 kHz~48 MHz。

使用高速摄影方法对压力旋流喷嘴射流形态信息进行图像采集。实验研究时使用的高速相机为PENTAX K5数码相机。对射流形态信息进行图像采集时，相机快门速度为1·(8000 s)^-1。

3 射流稳定性特征及其提取

国内外在利用实验方法进行射流稳定性研究时，一般都是以射流振荡频率作为表征射流稳定性的特征参数^[12~19]；另外，射流破碎长度和射流锥角等射流形态参数也可在一定程度上反映射流稳定性的状况。射流振荡频率和射流形态参数的提取是进行压力旋流喷嘴射流稳定性实验研究的重要基础。

3.1 射流振荡频率及其提取

射流从喷嘴喷出后，其界面将沿空间发展；在某一空间位置处，射流界面将以一定频率随时间振荡。将射流界面随时间振荡的频率称为射流振荡频率。射流振荡频率可以用于表征射流不稳定程度。图 3给出的是射流界面空间发展、时间振荡示意图。在射流界面空间各个位置处，射流界面都是以一定的频率随时间振荡。

图 4给出的是采集到的压力旋流喷嘴射流的激光衍射原始信号；从图中可以看到，采集到的激光衍射原始信号中存在着很多噪声信号。采用基于能量阈值的离散小波变换降噪方法对采集的激光衍射信号进行降噪处理^[20]。图 5给出的是经过降噪处理后的激光衍射信号。

图 6给出的是基于连续小波变换的压力旋流喷嘴射流的激光衍射信号小波能谱。从图 6中可以看到，压力旋流喷嘴射流激光衍射信号的小波能谱不随时间变化。对时不变信号进行频谱分析的常用方法是傅里叶变换方法；傅里叶变换方法的优点是，在频率域内对信号具有很高的解析度。

对降噪后的激光衍射信号进行傅里叶变换，可以得到激光衍射信号的无量纲能量随频率的变化，即傅里叶频谱；进而对射流振荡频率进行提取^[20]。

图 7给出的是基于傅里叶变换的压力旋流喷嘴射流激光衍射信号频谱。从图中可以看到，射流激光衍射信号傅里叶频谱中含有很多频率成分，其中某一频率成分的能量幅值远大于其他频率成分；而具有最大能量幅值的频率即为射流振荡频率。

采用傅里叶变换方法对压力旋流喷嘴射流下游距喷嘴出口不同距离处的射流振荡频率进行提取，结果如图 8所示。从图中可以看到，压力旋流喷嘴射流振荡频率不随射流轴向距离变化。

3.2 射流形态及其特征参数提取

采用高速摄影方法对压力旋流喷嘴射流图像进行采集，并在此基础上对射流形态以及射流破碎长度和射流锥角等射流形态特征参数进行提取。

图 9给出的是压力旋流喷嘴射流图像。在图 9中，将射流起始点到射流破碎点之间的轴向距离l_b定义为射流破碎长度；两条虚线为射流外包络线切线；两条实线为射流起始点与射流破碎点间连线。将外包络线切线间的夹角ϕ₁称为液膜锥角；将射流起始点与破碎点连线的夹角ϕ₂称为雾化锥角。

射流破碎长度和射流液膜锥角可以从一定角度反映射流稳定性。一般来说，射流破碎长度越小或射流液膜锥角越大，则射流稳定性越差。

射流液膜锥角与雾化锥角间的差值可以反映射流液体表面破碎点向内弯曲程度。射流液膜锥角与雾化锥角差值较小时，意味着射流表面破碎点向内弯曲程度较小，此时射流为空心锥形；差值较大时，意味着射流表面破碎点向内弯曲程度较大，此时射流为空心橄榄形。

在进行压力旋流喷嘴射流稳定性研究时，实验误差主要体现在对射流图像的测量上。由于论文研究的侧重点是射流稳定性的影响因素及其影响规律，在一定误差范围内所得到的一些规律性的结论与测量误差的关系不是很大，因此未进行误差分析。

4 压力旋流喷嘴射流稳定性研究

对于压力旋流喷嘴射流来说，射流稳定性的影响因素和影响原因非常复杂；本文在对压力旋流喷嘴射流稳定性研究时，主要是对压力旋流喷嘴射流稳定性的一些影响因素及影响规律进行分析。

压力旋流喷嘴射流的旋转强度与射流流量密切相关；射流流量越大，射流旋转强度越大，同时射流轴向速度也越大。动力黏度、表面张力、密度等是影响射流稳定性的射流液体主要物性参数；乳化剂水溶液体积浓度不同时，射流液体的物性将会发生变化。喷嘴出口内径是压力旋流喷嘴重要的几何参数。本文将分别采用射流流量、乳化剂水溶液体积浓度以及喷嘴出口内径表征压力旋流喷嘴的射流旋转强度、射流液体物性以及喷嘴结构参数。

采用在水中添加不同比例化学成分为羟丙基甲基纤维素的乳化剂的方法来改变射流液体的物性。已有研究结果表明^[21]，添加不同体积浓度乳化剂时，液体的物性将会发生变化，特别是液体的动力黏度。表 1给出的是不同体积浓度的乳化剂水溶液的动力黏度。

从表 1中可以看到，在水中添加羟丙基甲基纤维素乳化剂对改变射流液体的动力黏度非常有效；体积浓度为1.4%的乳化剂水溶液的动力黏度是水的动力黏度的100倍左右。

本文首先对不同射流条件下压力旋流喷嘴的射流形态进行分析，然后对不同射流流量、不同射流液体物性、不同喷嘴出口内径时压力旋流喷嘴的射流稳定性进行研究。

4.1 压力旋流喷嘴射流形态分析

通过射流图像对不同射流流量、不同射流液体物性、不同喷嘴出口内径时压力旋流喷嘴射流的形态进行分析。

对于压力旋流喷嘴来说，射流流量对射流形态和射流稳定性的影响不仅可以反映射流轴向速度的影响，更重要的是可以在一定程度上反映射流旋转强度的影响。

图 10给出的是射流液体为水时不同射流流量下压力旋流喷嘴射流的形态。

从图 10中可以看到，对于压力旋流喷嘴射流来说，射流流量较小时，射流呈空心橄榄形；射流流量较大时，射流呈空心锥形。距喷嘴出口一段距离后，射流表面呈现出非常明显的锯齿形状。在图 10(d)中，标注出了射流表面波两个波峰间的距离，此即射流扰动波波长。随着射流流量增加，亦即射流旋转强度和轴向速度增大，射流扰动波波长减小。

图 11给出的是射流液体为1.4%乳化剂水溶液时不同射流流量下压力旋流喷嘴射流形态的比较。

添加乳化剂后，射流液体物性参数将会发生变化，特别是射流液体黏性。从图 11中可以看到，在较高乳化剂水溶液体积浓度(较高液体黏度)下，流量较小时，射流基本为实心旋转液体射流，由于旋转作用，射流表面会有液丝甩出(图中箭头所示)；流量较大时，才会形成空心橄榄形射流。

图 12给出的是不同乳化剂水溶液体积浓度时，压力旋流喷嘴射流的形态。

从图 12中可以看到，在射流流量一定条件下，随着乳化剂水溶液体积浓度增加(射流液体黏度增大)，射流形态从具有较大锥角的空心锥形逐渐变成较小锥角的空心锥形，并最终变成空心橄榄形。从图 12中还可以发现，随着乳化剂水溶液浓度增加，射流表面逐渐光滑，破碎分裂后液滴粒径增大。

选取结构相同、出口内径不同的两个压力旋流喷嘴，对不同射流流量时两个压力旋流喷嘴的射流形态进行比较，如图 13所示。

从图 13中可以看到，在相同射流流量下，不同出口内径压力旋流喷嘴射流的形态呈现出很大不同。射流流量较小时，喷嘴出口内径较小的压力旋流喷嘴射流即可形成空心锥形，破碎分裂液滴粒径较小；而即使是在较大射流流量下，喷嘴出口内径较大的压力旋流喷嘴射流仍呈空心橄榄形，且破碎分裂液滴粒径较大。根据图中给出的变化趋势可以预测，只有在更大射流流量下，出口内径较大的压力旋流喷嘴射流形态才有可能形成空心锥形。

4.2 不同射流流量时压力旋流喷嘴射流稳定性

通过旋流改善射流雾化效果是压力旋流喷嘴的重要特点。射流旋转强度是影响压力旋流喷嘴射流稳定性的重要因素。射流流量与压力旋流喷嘴的射流旋转强度和射流轴向速度密切相关；射流流量对压力旋流喷嘴射流稳定性的影响可以在一定程度上反映射流旋转强度对射流稳定性的影响。

利用激光衍射方法可以得到压力旋流喷嘴射流激光衍射信号的傅里叶频谱，进而通过傅里叶频谱可以分辨出射流振荡频率。压力旋流喷嘴射流振荡频率随射流流量的变化如图 14所示。

从图 14可以看到，压力旋流喷嘴射流振荡频率随射流流量增加呈近似线性增大趋势。说明射流流量增加，亦即射流旋转强度和轴向速度增大，可增强射流振荡，加速射流不稳定发展，促进射流破碎。

表征射流形态特征的射流破碎长度和射流锥角同样可以从一定角度反映压力旋流喷嘴射流的稳定性。图 15给出的是压力旋流喷嘴射流破碎长度和射流锥角随射流流量的变化。

从图 15(a)中可以看到，随着射流流量增加，射流破碎长度呈先增大后减小的变化规律。其原因可能是，射流流量较小时，亦即射流旋转强度较小时，射流振荡频率较低，此时射流的旋转有利于射流稳定，使得射流破碎长度随射流流量增加而有所增大；射流流量较大时，亦即射流旋转强度较大时，射流振荡频率较高，此时射流旋转不利于射流稳定，射流破碎长度随射流流量增加而减小。相关文献利用射流线性稳定性理论对圆环旋转黏性液体射流稳定性研究时也曾得出过类似结论^[22]。

另外，也可以从引起射流破碎原因角度对图 15(a)中射流破碎长度随射流流量的变化规律进行分析。射流轴向速度和旋转强度较小时，射流破碎原因主要是射流表面张力的作用；此时随射流流量增加，射流轴向速度增大，而引起射流破碎的表面张力作用基本保持不变，因此射流破碎长度增大。而射流轴向速度和旋转强度较大时，射流破碎原因则主要是空气动力学作用；此时随射流流量增加，尽管射流轴向速度增大，但引起射流破碎的空气动力学作用也会同时增大，空气动力学作用增大对射流破碎长度的影响超过射流轴向速度增大对射流破碎长度的影响，从而导致射流破碎长度减小。

从图 15(b)中可以看到，射流雾化锥角和液膜锥角皆随射流流量增加而增大；相比较，雾化锥角受射流流量影响更大。在较低射流流量时，雾化锥角受射流流量影响较大；超过一定射流流量后，雾化锥角受射流流量影响会显著减小。从图 15(b)中还可以发现，在较低射流流量时，液膜锥角与雾化锥角间的差值较大，但该差值会随射流流量增加而迅速减小；超过一定射流流量后，液膜锥角与雾化锥角间的差值几乎不再随射流流量变化。

射流液膜锥角可以从一定角度反映压力旋流喷嘴射流稳定性；液膜锥角越大，射流稳定性越差。因此，根据图 15(b)，从液膜锥角来看，随射流流量增加，射流稳定性变差。

液膜锥角与雾化锥角间的差值可以反映压力旋流喷嘴射流形态。从图 15(b)中可以看到，射流流量较小时，液膜锥角与雾化锥角间的差值很大，此时射流形态为橄榄形；射流流量较大时，液膜锥角与雾化锥角间的差值较小，此时射流形态为空心锥形。说明随射流流量增加，射流形态会从橄榄形逐渐转变为空心锥形。

4.3 不同射流液体物性时压力旋流喷嘴射流稳定性

通过在水中添加不同比例乳化剂以改变射流液体的物性参数。添加不同含量乳化剂时，液体黏度的改变十分明显(如表 1所示)，但同时射流液体其他物性参数也会发生一定变化，因此这里主要从射流液体物性的变化角度(乳化剂水溶液体积浓度的变化角度)对压力旋流喷嘴射流稳定性进行研究。

乳化剂水溶液体积浓度不同时，射流激光衍射信号傅里叶频谱中含有的频率成分不同，特别是频谱中具有最大能量幅值的频率，亦即射流振荡频率不同。压力旋流喷嘴射流振荡频率随乳化剂水溶液体积浓度的变化如图 16所示。

添加乳化剂主要对射流液体黏度产生影响；乳化剂水溶液浓度越高，射流液体黏度越大。从图 16中可以看到，随乳化剂水溶液浓度增加，亦即射流液体黏度增大，射流振荡频率显著减小，射流稳定性增强。当然，射流液体表面张力和密度的变化也会对射流振荡频率产生影响；但与黏度变化相比，乳化剂水溶液表面张力和密度的变化相对较小。

射流液体物性变化对射流稳定性的影响除了体现在射流振荡频率上外，还会体现在对射流破碎长度和射流锥角的影响上。图 17给出的是射流破碎长度和射流锥角随射流液体乳化剂水溶液体积浓度的变化。

从图 17(a)中可以看到，随乳化剂水溶液体积浓度增加，亦即射流液体黏度增大，压力旋流喷嘴射流破碎长度增大，射流稳定性增强。从图 17(b)中可以看到，乳化剂水溶液体积溶度较小时，对射流液膜锥角影响不大；乳化剂水溶液体积浓度超过一定值后，液膜锥角开始显著减小；液膜锥角的变化同样说明射流液体黏度增大使射流稳定性增强。液膜锥角和雾化锥角间的差值随乳化剂水溶液体积浓度增加而增大；液膜锥角和雾化锥角差值随乳化剂水溶液体积浓度的变化说明，随乳化剂水溶液体积浓度增加，亦即射流液体黏度增大，射流形态会从空心锥形逐渐变为橄榄形。

4.4 不同喷嘴出口内径时压力旋流喷嘴射流稳定性

选取结构相同、出口内径不同的两个压力旋流喷嘴，对其射流稳定性进行比较与分析。

不同出口内径压力旋流喷嘴射流激光衍射信号傅里叶频谱中含有的频率成分不同，且具有最大能量幅值的频率成分也不同，亦即射流振荡频率不同。图 18给出的是不同射流流量时两个不同出口内径压力旋流喷嘴射流振荡频率的比较。

从图 18中可以看到，在相同射流流量下，出口内径小的喷嘴射流振荡频率大于出口内径大的喷嘴射流振荡频率；说明出口内径较小的压力旋流喷嘴的射流稳定性较差。从图 18中还可以发现，射流流量较小时，两个不同出口内径喷嘴射流振荡频率的差别很大，但该差别会随射流流量增加而减小；射流流量超过一定值后，不同出口内径压力旋流喷嘴的射流振荡频率趋于一致。

喷嘴结构参数对射流稳定性的影响同样会反映在射流破碎长度和射流锥角上。图 19和图 20分别给出的是不同射流流量时两个不同出口内径压力旋流喷嘴射流破碎长度和射流锥角的比较。

从图 19中可以看到，对于两个出口内径不同的压力旋流喷嘴来说，随射流流量增加，射流破碎长度皆呈先增大后减小的变化规律。射流流量较小时，出口内径较小喷嘴的射流破碎长度大于出口内径较大喷嘴的射流破碎长度；而射流流量较大时，则正好相反，即出口内径较小喷嘴的射流破碎长度小于出口内径较大喷嘴的射流破碎长度。说明射流流量较小时，出口内径较大的压力旋流喷嘴射流更容易分裂破碎；而射流流量较大时，出口内径较小的压力旋流喷嘴射流更容易分裂破碎。

从图 20(a)中可以看到，在不同射流流量下，出口内径较小的喷嘴射流液膜锥角皆大于出口内径较大的喷嘴；随射流流量增加，出口内径不同喷嘴射流液膜锥角的差别会逐渐减小。从液膜锥角来看，在相同射流流量下，出口内径较小的喷嘴射流稳定性较出口内径较大的喷嘴差；但随射流流量增加，两个出口内径不同的喷嘴射流稳定性会逐渐接近。

从图 20(b)中可以看到，在不同射流流量下，出口内径较小喷嘴射流雾化锥角皆明显大于出口内径较大喷嘴射流雾化锥角；随射流流量增加，出口内径不同喷嘴射流雾化锥角的差别变化不大。

图 20给出的出口内径不同喷嘴射流液膜锥角和雾化锥角的关系表明，在图中给出的射流流量下，出口内径较小喷嘴的射流形态皆为空心锥形，而出口内径较大喷嘴的射流形态则为空心橄榄形。

5 结论

(1) 流量较小时压力旋流喷嘴射流呈空心橄榄形，流量较大时呈空心锥形；射流流量一定时，随射流液体黏度增大，射流形态从较大锥角空心锥形变成较小锥角空心锥形，并最终变成空心橄榄形；射流流量较小时，出口内径较小喷嘴射流即有可能形成空心锥形，而只有在较大射流流量下，出口内径较大喷嘴射流才有可能形成空心锥形。

(2) 射流振荡频率随射流流量增加呈近似线性增大趋势；射流破碎长度随射流流量增加呈先增大后减小规律；射流雾化锥角和液膜锥角皆随射流流量增加而增大，液膜锥角与雾化锥角差值随射流流量增加而减小。

(3) 随着射流液体黏度增加，射流振荡频率减小，射流破碎长度增大；射流液体黏度较小时，对液膜锥角影响不大，射流液体黏度超过一定值后，液膜锥角开始显著减小；液膜锥角与雾化锥角差值随射流液体黏度增加而增大。

(4) 在相同射流流量下，出口内径较小喷嘴射流振荡频率大于出口内径较大喷嘴，射流流量超过一定值后，不同出口内径喷嘴射流振荡频率趋于一致；射流流量较小时，出口内径较小喷嘴射流破碎长度大于出口内径较大喷嘴，射流流量较大时则正好相反；不同射流流量时，出口内径较小喷嘴液膜锥角皆大于出口内径较大喷嘴，但差别会随射流流量增加而减小；不同射流流量时，出口内径较小喷嘴射流雾化锥角皆大于出口内径较大喷嘴，且不同喷嘴雾化锥角差别随射流流量增加变化不大。