Y型噴嘴穿透特性的實(shí)驗(yàn)和模型研究

池保華，洪 流，楊國華，仲偉聰

（西安航天動(dòng)力研究所，陜西西安710100）

0 引言

Y型噴嘴是一種多單元內(nèi)混式氣動(dòng)噴嘴，具有出力大、氣耗低、調(diào)節(jié)比寬等優(yōu)點(diǎn)，在大型實(shí)驗(yàn)臺(tái)架和工業(yè)燃燒設(shè)備上都有廣泛的應(yīng)用。氣動(dòng)噴嘴在保證霧化細(xì)度的前提下，具有足夠的穿透深度，能夠保證氣液的充分混合，提高霧化摻混效率。對(duì)于火箭發(fā)動(dòng)機(jī)和航空發(fā)動(dòng)機(jī)來說，能夠保證推進(jìn)劑的良好霧化和快速蒸發(fā)，從而提高推進(jìn)劑的化學(xué)反應(yīng)速度，提高發(fā)動(dòng)機(jī)的工作性能。目前，國內(nèi)外學(xué)者在這方面也開展了很多的研究。M.Y.Leong研究了射流在橫向氣流下的穿透深度，得到了環(huán)境壓力和復(fù)合動(dòng)量對(duì)穿透深度影響的經(jīng)驗(yàn)公式；Steven J.Beresh研究了超聲速射流在亞音速橫向氣流中的穿透特性，分析了射流速度對(duì)穿透距離和霧場(chǎng)粒徑的影響；劉靜研究了湍流度和附面層厚度對(duì)超聲速射流液霧穿透深度的影響。本文在Y型噴嘴的理論設(shè)計(jì)基礎(chǔ)上，通過調(diào)整噴口形狀和尺寸，得到了霧化好、高穿透距離的一種新型Y型噴嘴，定義了新型的無量綱復(fù)合動(dòng)量，并提出了這類噴嘴設(shè)計(jì)的相關(guān)經(jīng)驗(yàn)公式。

1 噴嘴設(shè)計(jì)

1.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

圖1為所設(shè)計(jì)噴嘴的結(jié)構(gòu)示意圖，水和壓縮空氣分別從液體通道和氣體通道進(jìn)入。液體通道位于噴嘴的中心位置，4個(gè)氣體通道呈中心對(duì)稱分布，液體通道和氣體通道呈45°夾角。水和壓縮空氣相撞后，進(jìn)入混合室相互沖擊混合，并發(fā)生強(qiáng)烈的動(dòng)量交換和能量交換，最后經(jīng)過噴口噴出，完成霧化。借鑒Y型噴嘴設(shè)計(jì)的經(jīng)驗(yàn)公式，該噴嘴的設(shè)計(jì)液流量為216 kg/h；噴嘴的流量系數(shù)μ取0.9；β推薦值為0.98。

圖1 噴嘴結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Structure of spray atomizer

1.2 氣液比設(shè)計(jì)

射流的穿透距離不僅受到霧場(chǎng)液滴粒徑和速度的限制，也受到垂直高度的限制，本實(shí)驗(yàn)中以0.5 m的垂直高度為基準(zhǔn)計(jì)算霧場(chǎng)的穿透距離。參考M.Y.Leong上、下邊緣經(jīng)驗(yàn)公式

式中：X為穿透距離；D為噴口當(dāng)量直徑；Z為垂直高度；q為無量綱復(fù)合動(dòng)量。以X=3.0 m為例進(jìn)行反算，得到氣液比α為3.2%（上邊緣）和86.6%（下邊緣）?？梢?，要達(dá)到高的穿透距離，要么氣液比較低，要么氣液比很高。一方面，由于經(jīng)驗(yàn)公式中沒有考慮氣動(dòng)阻力影響，當(dāng)氣液比很高時(shí)，噴霧場(chǎng)SMD很小，氣動(dòng)阻力相應(yīng)很大，此時(shí)計(jì)算得到的穿透深度誤差很大；另一方面，氣液比大于10%時(shí)，霧化粒徑將趨于穩(wěn)定，過高的氣液比對(duì)霧化效果沒有明顯的提高。對(duì)于所設(shè)計(jì)的Y型噴嘴，選擇較低的氣液比，取值范圍為2%～4%。

2 噴霧實(shí)驗(yàn)

2.1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

霧化實(shí)驗(yàn)臺(tái)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖2所示。主要由空氣儲(chǔ)箱、水儲(chǔ)箱、截止閥、電磁閥、流量計(jì)、孔板、壓力傳感器和管道附件等組成。實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中以水為工作介質(zhì)，以空氣為霧化介質(zhì)。水流量用流量計(jì)控制，空氣流量較小，用超音速孔板控制。實(shí)驗(yàn)前，對(duì)超音速孔板進(jìn)行標(biāo)定，流量特性為Q=0.5(p+0.1)，誤差在5%以內(nèi)。

實(shí)驗(yàn)開始時(shí)，分別通入壓縮空氣和水，調(diào)節(jié)兩路控制閥使噴嘴達(dá)到預(yù)定工況，記錄噴嘴工況參數(shù)，測(cè)量噴霧場(chǎng)在0.5 m垂直距離上的穿透深度。反復(fù)開關(guān)電磁閥，多次測(cè)量穿透深度后取平均值。調(diào)節(jié)空氣路控制閥，改變氣液比后重復(fù)上述實(shí)驗(yàn)。

圖2 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)示意圖Fig.2 Schematic diagram of experimental system

2.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

2.2.1 穿透特性

噴嘴不同工況下的穿透深度見表1?？梢钥闯?，在液流量不變的情況下，噴嘴的穿透深度并不是隨著氣液比單調(diào)增大或者減小，而是存在一個(gè)極大值。分析認(rèn)為，噴嘴所形成的扇形噴霧場(chǎng)，中間粒徑粗，四周粒徑細(xì)，決定穿透深度的主要是霧場(chǎng)中間粒徑的速度和大小。隨著氣液比增加，一方面混合室壓力增大，霧場(chǎng)液滴的速度越來越大，穿透距離增大；另一方面，混合室內(nèi)液體和氣體的相互作用越強(qiáng)，湍流波動(dòng)破碎和氣動(dòng)破碎作用越強(qiáng)，霧場(chǎng)SMD減小，液滴受到的氣動(dòng)阻力越來越大，穿透距離減小。穿透深度隨氣液比的變化趨勢(shì)是氣動(dòng)阻力和液滴速度相互作用的結(jié)果。

表1 不同工況下的穿透深度Tab.1 Penetration depth under different working conditions

由于M.Y.Leong關(guān)于穿透深度的計(jì)算公式?jīng)]有考慮氣液比的影響，在估算穿透深度過程中存在較大誤差。因此，對(duì)其進(jìn)行改進(jìn)時(shí)，添加氣液比的影響，構(gòu)造穿透深度的經(jīng)驗(yàn)公式形式為

式中：X為穿透距離；α為氣液比；D為噴口當(dāng)量直徑；Z為垂直高度；q為新型無量綱復(fù)合動(dòng)量。根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，擬合得到經(jīng)驗(yàn)公式參數(shù)如下：a=-3.983，b=9.382，c=-20.137。該經(jīng)驗(yàn)公式僅適用于氣液比在2%～4%的工況條件。

PCCPL、SP采用無溶性特加強(qiáng)級(jí)環(huán)氧煤瀝青噴涂，干膜厚度600 μm；DIP管外噴涂金屬鋅 （含鋅量不小于99.99%），重量不少于 130 g/m2，再涂敷瀝青漆或環(huán)氧樹脂漆，涂層干饃平均厚度≥70μm，局部最小厚度不小于50μm，最大干膜厚度<250 μm。

2.2.2 數(shù)學(xué)模型

通過分析液滴的運(yùn)動(dòng)來研究噴嘴的穿透特性。作出如下假設(shè)：1）液滴始終保持球形；2）液滴互不碰撞；3）僅考慮重力和阻力影響，忽略液滴所受其它力作用；4）環(huán)境中大氣保持靜止。建立水平方向上液滴動(dòng)量方程

式中：t為時(shí)間；u為液滴速度；m為單液滴質(zhì)量；fD為液滴所受阻力，計(jì)算方法如下

式中：ρl和ρc分別為液滴和大氣密度；d為液滴直徑；Cd為阻力系數(shù)，按照如下公式計(jì)算

利用上述公式對(duì)液滴運(yùn)動(dòng)方程進(jìn)行推導(dǎo)，可得

表2 最大液滴的穿透深度Tab.2 Penetration depth of maximal droplets

由表2中結(jié)果可以看出，最大液滴的穿透深度隨氣液比的變化趨勢(shì)和試驗(yàn)結(jié)果保持一致。隨著氣液比增大，計(jì)算結(jié)果誤差在1.3%～13.7%范圍內(nèi)變化。決定噴嘴穿透距離的關(guān)鍵因素是液滴的最大粒徑與速度，與噴霧場(chǎng)平均粒徑和均勻度無關(guān)。

3 結(jié)論

設(shè)計(jì)并加工了一種新型的扇形霧化噴嘴，搭建了實(shí)驗(yàn)臺(tái)架系統(tǒng)，并對(duì)其進(jìn)行了穿透特性研究。通過實(shí)驗(yàn)測(cè)量和擬合，分析了氣液比對(duì)穿透深度的影響規(guī)律；在提出了一種新型無量綱復(fù)合動(dòng)量的基礎(chǔ)上，改進(jìn)了M.Y.Leong穿透深度經(jīng)驗(yàn)公式,擬合了實(shí)驗(yàn)條件下的經(jīng)驗(yàn)參數(shù)。進(jìn)一步地，以液滴運(yùn)動(dòng)的數(shù)學(xué)模型為基礎(chǔ)，對(duì)噴霧場(chǎng)的穿透距離進(jìn)行了計(jì)算和分析。

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