基于剪切效應(yīng)的氣動霧化噴嘴試驗(yàn)研究

康燦，高可可，張永超

(江蘇大學(xué)能源與動力工程學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn)江 212013)

霧化技術(shù)被廣泛應(yīng)用于燃油噴霧、農(nóng)業(yè)病蟲害防治、除塵等流程[1-3].傳統(tǒng)的單相和兩相噴嘴通常都伴隨著高壓和高能耗.若在低壓條件下實(shí)現(xiàn)較小的霧化微粒直徑，改進(jìn)噴嘴結(jié)構(gòu)是一個重要的途徑[4].氣動霧化噴嘴借助氣體的能量將連續(xù)的液體打碎，通過高速氣流沖擊、氣流剪切低速流動液體而實(shí)現(xiàn)霧滴破碎[5].該類噴嘴結(jié)構(gòu)簡單且具有良好的霧化特性.

霧化質(zhì)量由霧化微粒直徑、尺寸分布、霧化角、霧化微粒速度等特征參數(shù)來表征；激光粒度分析儀及激光多普測速儀(LDV)的應(yīng)用促進(jìn)了對霧化微粒直徑、速度和分布規(guī)律的認(rèn)識.李淑江等[6]通過試驗(yàn)研究了兩相噴嘴噴霧特性隨液體壓力、氣體壓力、氣液比、氣相通道斜度等參數(shù)的變化規(guī)律，發(fā)現(xiàn)氣液比相比于其他霧化參數(shù)對霧化微粒直徑的影響更為明顯.GONG等[7]探討了不同工況條件下的霧滴破碎機(jī)理.林鴻亮等[8]和黃垂浪等[9]通過試驗(yàn)和數(shù)值模擬研究了噴嘴的結(jié)構(gòu)參數(shù)對霧化微粒速度的影響.霧化效果受到氣相壓力、液相壓力、噴嘴內(nèi)部結(jié)構(gòu)、進(jìn)氣孔徑、進(jìn)水孔徑等參數(shù)的影響.SANGHOON等[10]通過試驗(yàn)研究了多孔噴嘴的噴霧特性，并與單孔噴嘴的噴霧特性進(jìn)行了對比，發(fā)現(xiàn)多孔噴嘴的霧化微粒平均直徑比單孔噴嘴的小，且多孔噴嘴能夠加速噴霧過程.MLKVIK等[11]利用激光多普勒測速儀研究了噴嘴結(jié)構(gòu)對霧化微粒速度的影響.

以往對于霧化噴嘴的研究主要集中于氣液比、氣液壓力等運(yùn)行參數(shù)對霧化特性的影響，并且在霧化過程中需要2個動力源分別驅(qū)動氣體與液體，能耗較高.文中提出一種基于剪切效應(yīng)的氣動霧化噴嘴，采用風(fēng)機(jī)將氣體增壓后通過多個氣流孔噴入混合腔流動，通過試驗(yàn)探究氣流孔徑和氣體流量對噴嘴的霧化微粒直徑和速度的影響，分析噴嘴的霧化機(jī)理，為該類噴嘴結(jié)構(gòu)的進(jìn)一步優(yōu)化提供參考.

1 噴嘴結(jié)構(gòu)及霧化過程機(jī)理

1.1 噴嘴結(jié)構(gòu)

為研究氣流孔徑d及氣體流量qa對霧化微粒直徑及速度特性的影響，設(shè)計(jì)如圖1所示的噴嘴結(jié)構(gòu).該噴嘴主要由內(nèi)徑44.0 mm的圓柱套筒和外徑30.0 mm的內(nèi)套組成，套筒與內(nèi)套之間通過螺栓連接并做密封處理，噴嘴內(nèi)套如圖2所示.套筒中部開有小孔用于通過液體管(內(nèi)徑3.0 mm)連通至內(nèi)套中心孔；內(nèi)套開設(shè)4個氣流孔，氣流孔的軸線處于同一平面，形成向心結(jié)構(gòu)，可形成旋轉(zhuǎn)氣流.液體管內(nèi)徑D與內(nèi)套橫截面內(nèi)徑之比在0.1～0.4，如此則可以形成較大尺寸的氣流束，且降低液流與壁面的碰撞概率，達(dá)到更佳的霧化效果.根據(jù)前期試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)氣流孔徑過小所產(chǎn)生的負(fù)壓無法自動將液體吸入負(fù)壓腔，且通過外接動力將液體壓入負(fù)壓腔后霧化發(fā)散嚴(yán)重，故文中將氣流孔徑分別設(shè)定為8.0，9.0和10.0 mm.

圖1 剪切效應(yīng)驅(qū)動的氣動霧化噴嘴結(jié)構(gòu)

圖2 剪切效應(yīng)驅(qū)動的氣動霧化噴嘴內(nèi)套

1.2 霧化過程機(jī)理

噴嘴工作時，由風(fēng)機(jī)驅(qū)動氣體從氣流孔進(jìn)入噴嘴，通過4個氣流孔形成旋轉(zhuǎn)氣流，在4股氣流交匯處形成一個負(fù)壓腔.當(dāng)氣液兩相流體從負(fù)壓腔口噴出時，由于氣體速度很高，而液體的流速不高，因此兩相流間的相對速度較高，摩擦力大，氣流對液體產(chǎn)生強(qiáng)烈的剪切與撕裂作用，液體進(jìn)一步霧化，且由于螺旋作用，液體被霧化的同時向四周擴(kuò)散，增大霧化微粒覆蓋面積.試驗(yàn)過程中通過注水保持容器內(nèi)的液面高度不變.

2 霧化微粒直徑試驗(yàn)

2.1 試驗(yàn)裝置

設(shè)計(jì)如圖3所示的試驗(yàn)裝置，研究不同氣流孔徑噴嘴的霧化特性.該裝置主要由噴嘴霧化裝置(見圖4)、三坐標(biāo)移動裝置和激光粒度分析儀組成.其中噴嘴霧化裝置主要由風(fēng)機(jī)、氣體流量調(diào)節(jié)閥、風(fēng)速儀(用于氣體流量間接測量)、壓力表、霧化噴嘴及其支架組成.

圖3 微粒直徑測量試驗(yàn)臺

圖4 霧化裝置

所用裝置主要技術(shù)參數(shù)如下：

1) 激光粒度分析儀.型號Winner 318B；測量粒徑范圍為4.6～711.0 μm；誤差<±3%；測量區(qū)長度為1～10 m.

2) 風(fēng)機(jī).電壓為24 V；最大轉(zhuǎn)速為22 000 r/min；最大風(fēng)量為151.6 m3/h；最大風(fēng)壓為27.05 kPa；風(fēng)量與風(fēng)壓的關(guān)系為y≈-1.3x+55.

3) 風(fēng)速儀.型號DO9847；傳感器探頭型號AP471S1；測量范圍為0.1～40.0 m/s；精度為±0.02 m/s；使用溫度為-25.0～80 ℃.

2.2 試驗(yàn)方案

使用激光粒度分析儀測試3種不同氣流孔徑的噴嘴對應(yīng)的霧化微粒直徑，并沿噴嘴軸向位置分析霧化微粒直徑的分布.根據(jù)傳統(tǒng)噴嘴的粒徑測試結(jié)果[12]，分別選取距離噴嘴50.0,100.0,200.0,300.0,400.0和500.0 mm的6個位置測量霧化微粒直徑，試驗(yàn)工況如表1所示.

表1 霧化試驗(yàn)工況

在測量過程中：① 將噴嘴霧化裝置固定于試驗(yàn)臺上并校準(zhǔn)三坐標(biāo)原點(diǎn)(x軸垂直于噴嘴軸線方向豎直向上；z軸為噴嘴軸線方向)；② 打開激光粒度分析儀，校準(zhǔn)激光焦點(diǎn)，運(yùn)行數(shù)據(jù)處理軟件；③ 啟動噴霧裝置至其運(yùn)行穩(wěn)定；④ 通過三坐標(biāo)裝置記錄不同位置的噴嘴直徑；⑤ 調(diào)節(jié)氣體流量、更換噴嘴進(jìn)行不同工況試驗(yàn).為獲得更精確的數(shù)據(jù)結(jié)果，對每個工況進(jìn)行3次測量，取其平均值.

采用激光粒度分析儀可以得出霧化微粒平均直徑的概率密度函數(shù)和概率密度分布函數(shù).其工作原理是由激光發(fā)射器發(fā)射激光穿過霧化區(qū)域，激光接收器接收并折射到分析光譜上，再利用激光粒度分析儀得到描述微粒平均直徑的常用參數(shù)索太爾平均直徑D32，其為霧化微粒流場內(nèi)全部微粒的體積和總表面積的比值,計(jì)算公式為

(1)

式中：D為霧化微粒的直徑；N為霧化微粒數(shù).

由式(1)可以看出，D32越小，相同體積的微粒具有的表面積越大，即霧化質(zhì)量越高.

2.3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

通過試驗(yàn)得到的霧化微粒直徑在15.0～70.0 μm，試驗(yàn)過程中通過霧化形成的液滴迅速彌散，未出現(xiàn)大尺寸液滴.霧化微粒直徑及所占百分比P如圖5所示.

通過數(shù)據(jù)分析，發(fā)現(xiàn)噴嘴的氣流孔徑與氣體流量均對霧化微粒直徑有顯著影響.霧化微粒直徑隨距噴嘴軸向距離s的變化如圖6所示.

首先對3種不同氣流孔徑的噴嘴進(jìn)行對比試驗(yàn)，保證試驗(yàn)條件一致、氣體流量調(diào)節(jié)閥開度一致.圖6a為霧化微粒直徑隨氣流孔徑的變化.從圖中可以看出，氣流孔徑為10.0 mm的噴嘴獲得的霧化微粒直徑最小，而氣流孔徑為8.0 mm的噴嘴，其對應(yīng)的霧化微粒直徑最大.文中對3種氣流孔徑的噴嘴進(jìn)行微粒直徑試驗(yàn)，且氣流孔的軸線與內(nèi)套橫截面平行，該類噴嘴性能與氣流孔數(shù)、氣流孔的軸線與內(nèi)套橫截面之間夾角相關(guān).

選取氣流孔徑為10.0 mm的噴嘴開展進(jìn)一步試驗(yàn)，結(jié)果如圖6b所示.從圖中可以看出，霧化微粒直徑隨氣體流量的增大而減小，由于氣體流量增大，液滴具有較大的動量，有利于撞擊破碎，故霧化微粒直徑減小.

隨著距噴嘴的軸向距離逐漸增大，霧化微粒的直徑呈現(xiàn)先減小、后增大、再減小的整體變化趨勢，D32最小可達(dá)到17.0 μm.由于靠近噴嘴附近為負(fù)壓區(qū)，液體被吸入負(fù)壓區(qū)還未充分霧化，霧化微粒直徑較大，隨著距噴嘴的軸向距離增大，霧化微粒得以充分破碎，霧化微粒直徑減小，而后，霧化微粒出現(xiàn)部分積聚現(xiàn)象，微粒直徑逐步增大，達(dá)到一定軸向距離后，氣體射流開始發(fā)散，再一次撞擊微粒，使霧化微粒直徑減小，但由于此時霧化能量不足，霧化微粒直徑減小不明顯.

為保證試驗(yàn)結(jié)果的可靠性，分別對氣流孔徑為9.0 mm和8.0 mm的噴嘴進(jìn)行重復(fù)性試驗(yàn)，得到與孔徑10.0 mm噴嘴一致的變化規(guī)律，圖6c為孔徑8.0 mm噴嘴對應(yīng)的霧化微粒直徑變化規(guī)律.

圖5 微粒直徑分布

圖6 霧化微粒直徑的變化

3 霧化微粒速度試驗(yàn)

3.1 試驗(yàn)裝置

采用如圖7所示的試驗(yàn)裝置來研究不同氣流孔徑噴嘴獲得的霧化微粒速度.

圖7 微粒速度測量試驗(yàn)臺

該裝置主要由噴嘴霧化裝置、激光多普勒測速儀和三坐標(biāo)移動裝置組成.激光多普勒測速儀由激光器、光學(xué)系統(tǒng)、信號處理系統(tǒng)等部分組成，具有線性特性與非接觸測量的優(yōu)點(diǎn)，并且精度高、動態(tài)響應(yīng)快，可實(shí)現(xiàn)三維流動的精準(zhǔn)測量，并可以獲得復(fù)雜流動結(jié)構(gòu)的定量信息.

3.2 試驗(yàn)方案

分別選取距噴嘴軸向距離為50.0，80.0，100.0，120.0，200.0，300.0，400.0，500.0和600.0 mm的9個位置進(jìn)行霧化微粒速度測量.由于霧化微粒直徑試驗(yàn)中，在距噴嘴軸向距離100.0 mm處的霧化微粒直徑最小，故增加距噴嘴軸向距離80.0 mm及120.0 mm處的速度測量.

借助激光多普勒測速儀得到霧化微粒徑向和軸向的速度.由于離心作用，霧化微粒從噴嘴出口噴出呈螺旋狀，徑向速度的規(guī)律性較差，故本試驗(yàn)針對軸向速度分量w進(jìn)行研究.

3.3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

通過試驗(yàn)得到霧化微粒速度為0～16.0 m/s.根據(jù)霧化微粒直徑的分布趨勢，首先在同一氣體流量條件下對3種不同噴嘴進(jìn)行霧化微粒速度測量，結(jié)果如圖8a所示.氣流孔徑為10.0 mm的噴嘴所產(chǎn)生的霧化微粒的速度最高，而氣流孔徑為8.0 mm的噴嘴對應(yīng)的霧化微粒速度最低.

選擇孔徑10.0 mm的噴嘴進(jìn)行進(jìn)一步試驗(yàn)，結(jié)果如圖8b所示.從圖中可以看出，霧化微粒速度隨距噴嘴軸向距離的增大先升高后降低.由于霧化微粒剛從噴嘴噴出時未脫離負(fù)壓區(qū)，速度較低，通過負(fù)壓區(qū)后速度達(dá)到最高，而后隨軸向距離變大速度降低.對比氣體流量變化對微粒速度的影響發(fā)現(xiàn)，當(dāng)氣體流量大時，霧化微粒速度高.在距噴嘴軸向距離500.0 mm處，微粒速度仍能達(dá)到10 m/s，而超過500.0 mm后，LDV系統(tǒng)的采樣信號很弱，信號有效性差，說明霧滴擴(kuò)散嚴(yán)重.

圖8c為氣流孔徑為10.0 mm的噴嘴在距噴嘴軸向距離50.0 mm處對應(yīng)的霧化微粒沿徑向r的徑向速度分量u的分布.由于測量存在偏差，試驗(yàn)結(jié)果準(zhǔn)確性受到一定影響，但從圖中霧化微粒速度的整體變化可以看出，在距噴嘴軸向距離50.0 mm處，由于霧化微粒剛從噴嘴出口噴出，形成的螺旋狀噴霧未及時匯集，所以微粒速度呈現(xiàn)中間速度較低、沿徑向±50.0 mm處增至最高、而后沿徑向降低的趨勢.

圖8d為氣流孔徑為10.0 mm的噴嘴在距噴嘴軸向距離200.0 mm處的霧化微粒沿徑向r的徑向速度分量u的變化規(guī)律.速度在中部位置最高，從中心至四周先下降而后小幅度升高再下降.這是由于通過風(fēng)機(jī)產(chǎn)生的螺旋狀噴霧在距離噴嘴軸向距離200.0 mm處已經(jīng)向噴嘴的中心線聚攏.

圖8 霧化微粒速度的變化

4 結(jié) 論

1) 噴嘴的氣流孔徑影響霧化質(zhì)量.在所研究的3種氣流孔徑的噴嘴中，氣流孔徑為10.0 mm的噴嘴的霧化微粒速度最高，直徑最小.

2) 對于單個噴嘴，在同一氣體流量條件下，隨著距噴嘴軸向距離增大，霧化微粒直徑先減小、后增大、再減小；霧化微粒速度先升高后下降，且霧化微粒速度最高處的霧化微粒直徑最??；在氣體流量較大工況下，霧化微粒速度較高，同時微粒直徑較小.

3) 在距離噴嘴軸向距離為50.0 mm和200.0 mm處，霧化微粒速度沿徑向的分布特征不同.在50.0 mm處，靠近噴嘴中心線的速度較低，而后沿徑向先增加后下降；在200.0 mm處，霧化微粒速度在靠近噴嘴中心線處出現(xiàn)最大值，而后沿徑向下降.