液體射流內(nèi)部氣泡對黏性流體氣流式霧化的影響

吳兆偉， 趙 輝， 吳欣潔， 劉海峰， 周 騖， 蔡小舒

（1. 華東理工大學(xué)潔凈煤技術(shù)研究所，上海煤氣化工程技術(shù)研究中心，上海 200237；2. 上海理工大學(xué)能源與動力工程學(xué)院，上海 200093）

液體霧化廣泛應(yīng)用于能源、化工、航空航天以及交通運輸?shù)阮I(lǐng)域[1-4]。氣流式霧化通過氣液之間的相互作用，將高速氣體的能量傳遞給低速液體從而實現(xiàn)液體射流的破裂和霧化。隨著科技和社會的發(fā)展，節(jié)能減排已經(jīng)成為社會共識，同軸雙通道霧化噴嘴由于其結(jié)構(gòu)簡單，在較低的射流壓力下能實現(xiàn)較好的霧化和氣液混合效果，并能減小副產(chǎn)物的生成和污染物的排放，因而一直受到工業(yè)界和科學(xué)界的青睞[3,5]。

流體氣流式霧化的過程和機理比較復(fù)雜，很多因素如噴嘴結(jié)構(gòu)[6]、氣液性質(zhì)[7-8]、氣液質(zhì)量流量比[9]、氣液速度[10]等都會對霧化的最終結(jié)果產(chǎn)生影響。在眾多氣流式霧化應(yīng)用場景中，液體黏度的影響不可忽略。Chen 等[11]利用響應(yīng)面方法研究了氣液射流壓力和液體黏度對霧化液滴直徑的影響，發(fā)現(xiàn)黏度的影響僅次于液體射流壓力。Shen 等[12]通過線性穩(wěn)定性分析了氣流式霧化過程，發(fā)現(xiàn)液體黏度對霧化存在雙重影響。Aliseda 等[13]在Joseph 等[14]的通用色散關(guān)系式的基礎(chǔ)上，將Varga 等[15]的瑞利-泰勒模型拓展到黏性和非牛頓流體，得到了霧化液滴直徑、韋伯?dāng)?shù) (We) 以及昂色格數(shù) (Oh) 之間的關(guān)系。

霧化效果會顯著影響后續(xù)化學(xué)反應(yīng)或者燃燒的進行，因此對氣流式霧化效果進行表征非常重要。常見的霧化表征參數(shù)很多，有射流斷裂長度[16]、霧化角[3]、液滴直徑[17]等。其中，液滴索特爾平均直徑（D32）經(jīng)常被用來描述霧化液滴的大小。D32的減小能夠提高比表面積，從而加快反應(yīng)或燃燒的進行。文獻[18] 通過調(diào)整氣體通道和液體通道的相對位置，發(fā)明了一種新的霧化方式-分散流霧化。與傳統(tǒng)的氣流式霧化相比，分散流霧化能產(chǎn)生更小的霧化液滴[19]。自1988 年氣泡霧化概念被提出以來[20]，由于氣泡霧化能顯著提高霧化效果，因而一直是霧化研究的熱點[21]。Kourmatzis 等[22]發(fā)現(xiàn)將氣泡霧化與氣流式霧化相結(jié)合，在氣液相對速度較小時可以削弱霧化波動性并提高霧化的彌散特性。Wu 等[23]發(fā)現(xiàn)向水射流中注入氣泡后，氣液混合物在環(huán)隙氣流作用下產(chǎn)生的霧化液滴其直徑隨注入氣體量的增多呈現(xiàn)先減小后增大的趨勢。

雖然向液體射流中注入氣體能夠提高氣流式霧化的效果，但針對含氣泡黏性流體的氣流式霧化尚缺少系統(tǒng)性的研究。本文在前人工作的基礎(chǔ)上，考察了液體射流內(nèi)部氣泡對黏性流體氣流式霧化效果的影響，旨在為含氣泡流體氣流式霧化的工業(yè)應(yīng)用提供參考。

1 實驗部分

實驗裝置如圖1 所示，來自儲罐的液體在加壓罐中被加壓，通過液體流量計(精度±1.5%) 進入噴嘴，并與來自氣體注射泵(精度±0.35%)的空氣在噴嘴中心通道混合形成氣液混合物。氣液混合物在環(huán)隙高速氣流的作用下發(fā)生霧化，形成大量小液滴。實驗使用馬爾文激光粒度儀測量霧化液滴直徑從而評判霧化的效果。馬爾文激光粒度儀的激光直徑設(shè)置為10 mm，激光波長為632.8 nm，鏡頭焦距300 mm，采樣周期1 s，液滴直徑測量范圍為0.10～900 μm。使用氣體玻璃轉(zhuǎn)子流量計(精度±1.5%)來測量環(huán)隙氣流的流量。

圖1 實驗裝置示意圖Fig. 1 Schematic of the experimental setup

實驗使用的霧化噴嘴如圖2 所示。圖2 中充氣通道的直徑d0=0.50 mm，來自注射泵的氣體通過此通道進入液體中心通道(d1=2.96 mm)；d2和d3分別是噴嘴外側(cè)環(huán)隙通道的內(nèi)徑和外徑，其中d2=5.10 mm、d3=13.2 mm；d4是環(huán)隙氣流入口內(nèi)徑(d4=25.00 mm)，環(huán)隙氣流由此進入噴嘴。通過配制不同濃度的甘油溶液得到不同黏度的霧化液體，實驗中采用的甘油溶液的物性參數(shù)見表1。Oh數(shù)用來表示液體黏度對表面張力的比值，表達式如式（1）所示。

表1 不同質(zhì)量分數(shù)的甘油溶液的物性參數(shù)Table 1 Physical parameters of glycerol solution with different mass fractions

圖2 充氣霧化噴嘴的幾何形狀Fig. 2 Geometry of aerated air-blast atomizer

其中： μl、 ρl和 σ 分別表示液體黏度、密度和表面張力。

2 結(jié)果與討論

2.1 黏性流體的霧化液滴直徑

首先研究了不同黏度的甘油溶液的氣流式霧化過程。甘油溶液通過噴嘴后，在環(huán)隙氣流的作用下霧化，形成大量小液滴。實驗中，通過保持加壓罐中的壓力不變獲得穩(wěn)定的液體流量Ql。當(dāng)液體射流內(nèi)部不存在氣泡時，用液體射流平均出口速度表示液體射流速度（ul,0），定義為：

通過調(diào)節(jié)鼓風(fēng)機閥門獲得穩(wěn)定的環(huán)隙氣體流量（Qcg）。因此，環(huán)隙氣流的速度（ug）可以表示為：

液體氣流式霧化的效果不僅受液體黏度的影響，而且受氣液射流速度的影響。研究了不同黏度的流體在不同環(huán)隙氣流速度和液體射流速度下的D32的變化情況，結(jié)果分別如圖3 與表2 所示。

圖3 甘油溶液的霧化液滴直徑隨環(huán)隙氣流速度的變化(ul,0=0.29 m/s)Fig. 3 Dependence of the atomization droplet diameter of glycerol solution on the coaxial gas velocity (ul,0=0.29 m/s)

從圖3 可以看出，當(dāng)液體射流速度保持不變時，提高環(huán)隙氣流速度會產(chǎn)生更細小的液滴。這是因為環(huán)隙氣流速度的提高使得氣液之間的相對速度變大，氣液間剪切作用變強。由表2 可知，當(dāng)環(huán)隙氣流速度保持不變而提高液體黏度（即增加Oh）時，液體黏度對表面不穩(wěn)定波的抑制作用逐漸增強，D32逐漸變大。但這種增大的趨勢隨著環(huán)隙氣流速度的提高而逐漸變得不明顯（圖3）。這是由于液體黏度會抑制射流表面的不穩(wěn)定性，從而更難產(chǎn)生細小的液滴。但隨著環(huán)隙氣流速度的提高，氣液間相互作用逐漸增強，黏度對射流不穩(wěn)定波的抑制作用相對來說逐漸變得不顯著，因而不同黏性的流體之間的霧化效果區(qū)別不明顯。從表2 中還可以看出，隨著液體射流速度的增大，D32逐漸增大。這是由于液體射流速度的提高減小了氣液間的速度差，降低了氣液間的剪切作用（即Oh增大）。

表2 甘油溶液的霧化液滴直徑隨液體射流速度的變化(ug=142 m/s)Table 2 Dependence of the atomization droplet diameter of glycerol solution on liquid jet velocity (ug=142 m/s)

Aliseda 等[13]假設(shè)黏度對D32的影響具有加法性質(zhì)，通過理論推導(dǎo)得到了和實驗結(jié)果吻合較好的D32計算模型。Lefebvre[24]、Rizk 等[25]、Jasuja 等[26-27]通過實驗結(jié)果擬合得到的D32關(guān)系式也呈現(xiàn)相似的形式。作者在之前的研究中已經(jīng)得到了相似工況下水的氣流式霧化液滴的D32的計算模型[23]，因此黏性流體霧化液滴的D32擬合關(guān)系式可以表示為：

其中：A、B、C是和實驗條件相關(guān)的擬合系數(shù)；mg和ml分別為氣體和液體質(zhì)量；ρg為氣體密度。通過擬合可以得到A=0.039 7、B=0.383、C=0.591，擬合結(jié)果如圖3（實線為擬合曲線）及表2 所示。圖4 所示是甘油溶液霧化液滴的D32的模型計算值與實驗測量值的比較。從表2、圖3 和圖4 可以看出，計算值與實驗值之間的誤差在±5%以內(nèi)，擬合結(jié)果與實驗結(jié)果吻合較好。

2.2 含氣泡黏性流體的霧化液滴直徑

通過注射泵進入噴嘴的氣體在表面張力的作用下形成氣泡，并與液體混合形成氣液混合物，該混合物隨后在環(huán)隙氣流的作用下發(fā)生霧化。為了定量描述液體射流內(nèi)部氣泡對氣流式霧化效果的影響，定義了氣液體積流量比(RQ)：

其中：Qag是注入噴嘴的氣體體積流量。

實驗測得了不同液體射流速度下氣泡直徑(db)隨氣液體積流量比的變化，如圖5 所示。氣泡直徑的測量是在沒有環(huán)隙氣流存在下進行的，每個工況至少進行了7 次測量并取其平均值作為氣泡平均直徑。從圖5 可以看出，在液體射流速度保持不變時，隨著氣液體積流量比的增大，氣泡直徑增大并逐漸接近噴嘴中心通道的直徑。因此，氣泡直徑可以表示為氣液體積流量比的函數(shù)。

圖5 氣泡直徑隨RQ 的變化Fig. 5 Bubble diameter varying with RQ

實驗使用馬爾文激光粒度儀測量了不同工況下的霧化液滴直徑。圖6 是ug=118 m/s、ul,0=0.29 m/s、Oh分別為0.115 和0.407 時黏性流體含氣泡霧化液滴的D32隨氣液體積流量比的變化趨勢圖。圖中的豎實線對應(yīng)的是停止通氣的時刻，即t=30 s。從圖6中可以看出，停止通氣前后霧化液滴的D32存在明顯的不同。當(dāng)Oh=0.115 時，如圖6(a)所示，內(nèi)部氣體的加入減小了霧化液滴的D32。隨著氣液體積流量比的提高，D32逐漸減小。當(dāng)Oh=0.407 時，D32的變化趨勢與Oh=0.115 時并不相同（圖6(b)），D32隨氣液體積流量比的增大逐漸增大。在實驗過程中，計算了停止通氣前30 s 霧化液滴的D32的平均值作為對應(yīng)氣液體積流量比下含氣泡黏性流體霧化液滴的平均直徑。

圖6 含氣泡黏性流體霧化液滴直徑隨時間的變化圖(圖中豎實線對應(yīng)停止通氣的時刻，ug=118 m/s，ul,0=0.29 m/s)Fig. 6 Atomization droplet diameter of viscous liquid containning bubbles at different time(Vertical solid line is corresponding to the time of stopping aerating the gas, ug=118 m/s, ul,0=0.29 m/s)

圖7 是ug=118 m/s、ul,0=0.29 m/s 時，不同Oh下含氣泡黏性流體霧化液滴的D32隨氣液體積流量比的變化趨勢圖。從圖中可以看出，當(dāng)Oh數(shù)較小時，隨著氣液體積流量比的逐漸提高，D32逐漸減小。隨著Oh數(shù)的增加，D32減小的趨勢逐漸減弱。當(dāng)Oh=0.212 時，這種減小的趨勢幾乎變得不可見。進一步提高Oh數(shù)至0.407，氣液體積流量比的增加反而會使得D32逐漸增加。

圖7 D32 隨RQ 的變化 (ug=118 m/s，ul,0=0.29 m/s)Fig. 7 D32 varying with RQ (ug=118 m/s, ul,0=0.29 m/s)

為了表征液體射流內(nèi)部氣泡對氣流式霧化的影響，定義量綱為一霧化液滴直徑(D)，如式（8）所示。

其中：(D32)0是內(nèi)部不存在氣泡時黏性流體的霧化液滴直徑；(D32)b是對應(yīng)工況下液體射流內(nèi)部存在氣泡時的霧化液滴直徑。

圖8 是ug=118 m/s、ul,0=0.29 m/s 時，內(nèi)部存在氣泡的黏性流體的D隨氣液體積流量比的變化趨勢圖。如圖8 所示，當(dāng)液體射流內(nèi)部存在氣體時，D的變化趨勢和液體的Oh有關(guān)。當(dāng)Oh較小時，提高氣液體積流量比會導(dǎo)致較小的D。但Oh較大時，提高氣液體積流量比會增大D。

圖8 量綱為一液滴直徑隨RQ 的變化 (ug=118 m/s，ul,0=0.29 m/s)Fig. 8 Dimensionless droplet diameter varying with RQ (ug=118 m/s, ul,0=0.29 m/s)

為了探究環(huán)隙氣流速度對含氣泡黏性流體霧化效果的影響，研究了ug分別為94.8、118、142 m/s，ul,0為0.29 m/s 時含氣泡黏性流體的霧化過程。圖9 是不同Oh數(shù)下，D隨氣液體積流量比的變化趨勢圖。從圖中可以看出，當(dāng)氣液體積流量比保持不變時，提高環(huán)隙氣流速度會導(dǎo)致D減小。當(dāng)Oh=0.034 6 時，D隨著氣液體積流量比的增加而逐漸減小。當(dāng)Oh=0.115 時，D隨著氣液體積流量比增加而逐漸減小，但減小的趨勢隨著氣液體積流量比的增加和環(huán)隙氣流速度的減小而逐漸減小。當(dāng)Oh=0.212 時，隨著氣液體積流量比的增加，D呈現(xiàn)先減小而后增加的趨勢。環(huán)隙氣流速度越大，這種增加的趨勢就愈加不明顯。當(dāng)Oh=0.407 時，提高氣液體積流量比會導(dǎo)致D的逐漸增大。

圖9 量綱為一液滴直徑隨RQ 的變化 (ul,0=0.29 m/s)Fig. 9 Dependence of dimensionless droplet diameter varying with RQ (ul,0=0.29 m/s)

為了探究不同液體射流速度下液體射流內(nèi)部氣泡對黏性流體氣流式霧化效果的影響，研究了ug=142 m/s 時，不同液體射流速度和不同Oh數(shù)流體的霧化過程。不同液體射流速度下D隨著氣液體積流量比的變化如圖10 所示。從圖中可以看出，當(dāng)氣液體積流量比保持不變時，隨著液體射流速度的增大，D逐漸增大。當(dāng)Oh=0.034 6 時，低液體射流速度下D隨著氣液體積流量比的增大而逐漸減?。桓咭后w射流速度（1.21 m/s）下D隨著氣液體積流量比的增大而逐漸增大，D的變化趨勢不同可能是流體物性不同導(dǎo)致的。當(dāng)Oh=0.407 時，隨著氣液體積流量比的增大，D逐漸增大。

圖10 量綱為一液滴直徑隨RQ 的變化 (ug=142 m/s)Fig. 10 Dimensionless droplet diameter varying with RQ (ug=142 m/s)

液體黏度會阻礙射流表面不穩(wěn)定波的發(fā)展，從而產(chǎn)生更大的液滴。因此在其他條件不變時，提高液體黏度（即Oh數(shù)增大）會產(chǎn)生更大的液滴。對于本文中特定的工況，液體的體積流量比保持不變，當(dāng)氣體被注入液體射流內(nèi)部時，液體表觀速度會隨著注入氣體量的增加而增加。當(dāng)環(huán)隙氣流速度保持不變時，液體射流內(nèi)部氣體的增加會導(dǎo)致環(huán)隙氣流和液體射流之間速度差的減小，從而削弱氣液間的剪切作用，形成更大的霧化液滴。降低環(huán)隙氣流速度或者提高液體射流速度都會減小環(huán)隙氣流和液體射流之間的速度差，從而產(chǎn)生更大的霧化液滴。前人研究發(fā)現(xiàn)，減小射流液體和環(huán)隙氣流之間的密度比會縮短液體射流表面瑞利-泰勒不穩(wěn)定波的波長，從而產(chǎn)生更小的霧化液滴直徑[1,15,28]。而氣體的注入會導(dǎo)致射流液體密度的減小，從而減小射流液體和環(huán)隙氣流之間的密度比，產(chǎn)生更小的液滴。含氣泡流體最終的霧化液滴直徑依賴于這兩種作用的相對大小。當(dāng)Oh較小時，氣液密度比的影響較為顯著，霧化液滴直徑隨著氣液體積流量比的增大而逐漸減小。當(dāng)Oh較大時，氣液相對速度的影響較顯著，提高氣液體積流量比會產(chǎn)生更大的液滴。

2.3 量綱為一霧化液滴直徑的定量分析

通過保持加壓罐中的壓力不變，獲得了穩(wěn)定的液體體積流量。被注射泵注入噴嘴的氣體會與液體射流混合形成氣液混合物。為了簡化分析，假設(shè)此時的氣液混合物是均勻的。因此，氣液混合物的速度可以表示為：

其中：k是考慮到實際氣液混合物對均勻氣液混合物的偏差而設(shè)置的修正系數(shù)，通過作者之前的研究，可以得到k=24.5[23]。此時韋伯?dāng)?shù)Weg，b可以表示為：

前人研究發(fā)現(xiàn)，溶體中的顆粒或者氣泡會影響溶液的黏度[29-32]。Llewellin 等[30]發(fā)現(xiàn)在液體中加入氣泡可能會減小溶液的黏度，也可能會提高液體的黏度，最終結(jié)果取決于量綱為一參數(shù)Ca和Cd，其數(shù)學(xué)表達式分別如式（12）和式（13）所示。

通過擬合實驗數(shù)據(jù)可以得到k1=1.42。擬合曲線見圖8～圖10 中的實線。實驗測量值與模型計算值之間的比較結(jié)果見圖11。從圖8～圖11 可以看出，擬合曲線和實驗值吻合較好，D模型計算值與實驗測量值之間的偏差在±5%以內(nèi)。

圖11 D 模型計算值與實驗測量值的對比Fig. 11 Comparison of experimental D with calculated D

3 結(jié) 論

(1) 液體射流內(nèi)部氣泡對黏性流體的氣流式霧化存在多方面的影響。首先，液體射流內(nèi)部氣泡的存在會提高液體射流的表觀速度，從而降低環(huán)隙氣流和液體射流之間的相對速度，因此有利于產(chǎn)生更大的霧化液滴；其次，液體射流內(nèi)部氣泡會降低液體密度，縮短射流表面的瑞利-泰勒不穩(wěn)定波，從而有利于產(chǎn)生更小的液滴。最后，氣泡的加入會提高氣液混合物的黏度，從而有利于產(chǎn)生更大的液滴。含氣泡黏性流體最終的霧化液滴直徑取決于這三者的競爭作用。

(2) 當(dāng)Oh較小時，在液體射流速度較小的情況下霧化液滴直徑隨氣液體積流量比的增大而減?。辉谝后w射流速度較大的情況下霧化液滴直徑隨氣液體積流量比的增大而增大。當(dāng)Oh較大時，霧化液滴直徑隨氣液體積流量比的增大而增大。

(3) 建立了一個理論模型用來描述黏性流體霧化液滴直徑隨氣液體積流量比的變化規(guī)律，結(jié)果表明霧化液滴直徑模型計算值與實驗測量值之間的偏差在±5%以內(nèi)。