某空氣霧化旋流噴嘴在受限空間內(nèi)霧化特性的實(shí)驗(yàn)研究

劉焜，余永剛，趙娜

(1.南京理工大學(xué) 能源與動力工程學(xué)院，江蘇 南京210094;2.西北機(jī)電工程研究所，陜西 咸陽712099)

0 引言

空氣霧化旋流噴嘴是目前應(yīng)用較廣的一種組合式噴嘴，它一般是由旋流噴嘴和空氣霧化噴嘴組合而成［1-3］?？諝忪F化旋流噴嘴具有多種結(jié)構(gòu)形式，其中，在傳統(tǒng)空氣霧化噴嘴的基礎(chǔ)上，添加空氣軸向旋流器的設(shè)計(jì)最為常見，其優(yōu)點(diǎn)在于利用旋流空氣對燃料進(jìn)行二次霧化，提升霧化效果。Mao 等［4］運(yùn)用弗勞恩霍夫衍射粒徑儀測量了此類噴嘴的液滴索特平均直徑(SMD)，指出了索特平均直徑和空燃比的線性關(guān)系。Levy 等［5-6］研究了旋流空氣的壓力變化對于噴嘴霧化的影響，發(fā)現(xiàn)空氣噴射壓力升高到一定值之前，液滴直徑隨其增大而明顯變小，此外還對比了空氣軸向旋流和徑向旋流作用下噴嘴的霧化性能差異。周兵等［7］采用相位多普勒粒子分析儀(PDA)對帶空氣旋流器的雙油路離心噴嘴的霧化特性進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，得到了索特平均直徑與噴霧錐角隨供油壓力與風(fēng)速的變化規(guī)律。

美國通用電器公司研發(fā)的雙旋流空氣霧化噴嘴是空氣霧化旋流噴嘴另一種結(jié)構(gòu)形式的典型代表。它是在直射或離心噴嘴外部，加裝旋流杯結(jié)構(gòu)而成，工作時(shí)利用旋流杯中兩個(gè)空氣旋流器形成的同向或反向的兩股氣流對油膜產(chǎn)生剪切破碎，以達(dá)到霧化的效果。Wang 等［8-9］和林宇震等［10-11］針對此類噴嘴進(jìn)行了深入的研究，通過改變噴嘴尺寸、套筒結(jié)構(gòu)和旋流方向等條件，研究了噴嘴的噴霧和燃燒性能以及流場結(jié)構(gòu)。羅國良等［12］對平滑和擴(kuò)張?zhí)淄渤隹谛螤畹男鞅諝忪F化噴嘴燃燒室點(diǎn)火性能進(jìn)行了研究。龔景松等［13-14］將外混旋流的工作方式改變?yōu)閮?nèi)混旋流，提出一種新型空氣霧化旋流噴嘴并實(shí)驗(yàn)測量了其霧化性能。

本文在此基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了一種空氣霧化旋流噴嘴，即在Levy 等［5-6］研究的帶有軸向旋流器的空氣霧化噴嘴基礎(chǔ)上，引入龔景松等［13-14］提出的內(nèi)混旋流理念設(shè)計(jì)而成，既具備了噴嘴內(nèi)部空氣與燃料的摻混與旋流方式，又保留了外部旋流空氣對于液滴的二次霧化作用。

1 實(shí)驗(yàn)裝置與測量方法

噴霧實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)如圖1所示。PDA 測試系統(tǒng)的粒徑測量范圍為0.5 ～200 μm，測量精度小于1%;速度測量范圍為- 300 ～1 000 m/s，測量精度在0.1%以內(nèi)。圖2所示為噴霧實(shí)驗(yàn)用的受限空間。受限空間的設(shè)計(jì)參考燃燒室的幾何形狀，由有機(jī)玻璃加工制成，總高度為130 mm，主體呈圓柱形，內(nèi)徑70 mm，出口段為一收斂噴管，出口內(nèi)徑35 mm. 在壁面上開有周向180°的透光槽用于采集數(shù)據(jù)，槽道寬度5 mm.

圖1 噴霧實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)框圖Fig.1 Block diagram of spray system

圖2 受限空間Fig.2 Confined space

圖3為實(shí)驗(yàn)用空氣霧化旋流噴嘴，該噴嘴采用內(nèi)混與外混兩種空氣輔助霧化方式，具有相連接的氣體通道和液體通道。模擬液體工質(zhì)進(jìn)入噴嘴內(nèi)部后經(jīng)過液體旋流裝置和內(nèi)部反向旋流空氣混合，再經(jīng)液體旋流通道旋流后，由中心噴嘴噴出，形成初步霧化的液滴群。隨后，在噴嘴外部，初步霧化的液滴群與經(jīng)空氣環(huán)形噴嘴噴出的同向旋流空氣發(fā)生二次作用，形成最終的霧化液滴群。中心噴嘴直徑2 mm，外混空氣環(huán)形噴嘴寬度3 mm，液體和空氣旋流通道均與中心軸成60°夾角，噴嘴加工誤差率小于0.1%.

實(shí)驗(yàn)采用三維PDA 測試系統(tǒng)，PDA 光束交點(diǎn)即為數(shù)據(jù)測量點(diǎn)。測量點(diǎn)坐標(biāo)軸確定方法如圖4所示。噴嘴出口方向?yàn)閦 軸，噴嘴中心為坐標(biāo)系原點(diǎn)O. 垂直于z 軸的截面視為Oxy 平面。x、y、z 軸三者方向符合右手螺旋關(guān)系。為了便于說明霧化場參數(shù)的分布特性，采用柱坐標(biāo)形式定義測量點(diǎn)位置。z 軸為柱坐標(biāo)系中心軸，z 軸正方向?yàn)檩S向方向，垂直于z 軸方向?yàn)閺较蚍较?，?為周向角，取x 軸正向?yàn)?°，沿順時(shí)針方向?yàn)檎较蛉〗?。r 為原點(diǎn)O 到測量點(diǎn)在平面Oxy 上的投影點(diǎn)間的距離。z 為測量點(diǎn)到Oxy 平面的距離。實(shí)驗(yàn)中選取了z 分別為35 mm、60 mm、90 mm、110 mm 4 個(gè)測量截面，單個(gè)截面上的測量點(diǎn)布置如圖5所示，在截面上以每間隔30°按測量點(diǎn)與原點(diǎn)O 在截面上的投影點(diǎn)間的距離r 分別為0、5 mm、10 mm、15 mm、20 mm、25 mm 取6 個(gè)實(shí)驗(yàn)點(diǎn)，共計(jì)36 個(gè)測量點(diǎn)。數(shù)據(jù)處理時(shí)，對截面上的36 個(gè)測量點(diǎn)數(shù)據(jù)取加權(quán)平均得到截面平均值。

圖3 空氣霧化旋流噴嘴結(jié)構(gòu)圖Fig.3 Structure of air-assist nozzle

圖4 坐標(biāo)系示意圖Fig.4 Coordinate system

圖5 截面上測量點(diǎn)布置圖Fig.5 Distribution of measuring points on a section

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

為了解該空氣霧化旋流噴嘴的霧化性能，本文研究了噴嘴在受限空間內(nèi)和大氣環(huán)境中的霧化特性以及改變液體和氣體噴射壓力對于其在受限空間內(nèi)霧化性能的影響，分別測量了霧化場中液滴索特平均直徑D32和液滴軸向速度v. 實(shí)驗(yàn)采用的霧化介質(zhì)氣體為空氣、液體為模擬液體燃料，粘度為1 ×10-3Pa·s.

2.1 受限空間內(nèi)與大氣環(huán)境中噴霧特性的比較

圖6 pg =0.2 MPa 和pl =0.1 MPa 工況下受限空間內(nèi)和大氣環(huán)境中霧化場參數(shù)的對比Fig.6 Comparison of spray characters in chamber and atmosphere for pg =0.2 MPa and pl =0.1 MPa

為了研究受限空間對于空氣霧化旋流噴嘴噴霧特性的影響，將氣體噴射壓力pg=0.2 MPa，液體噴射壓力pl=0.1 MPa 工況下的噴嘴在受限空間內(nèi)和大氣環(huán)境中的霧化場參數(shù)進(jìn)行比較。圖6(a)為受限空間內(nèi)和大氣環(huán)境中液滴平均直徑D32軸向分布特性的對比。由圖6(a)可見，大氣環(huán)境中液滴平均直徑的軸向分布呈現(xiàn)一定波動，這是由于空氣霧化旋流噴嘴的工作方式是依靠氣-液之間的擾動作用，噴霧場的流動較為復(fù)雜，因此液滴平均直徑分布存在一定的波動變化。受限空間對于氣體流動的限制作用則減小了直徑分布的波動。根據(jù)軸向位置關(guān)系將噴霧場測量區(qū)域分為3 部分，即:［25 mm，55 mm］、［55 mm，65 mm］、［65 mm，110 mm］. 當(dāng)z∈［25 mm，55 mm］時(shí)，受限空間內(nèi)液滴平均直徑小于大氣環(huán)境中液滴平均直徑;當(dāng)z∈［55 mm，65 mm］時(shí)，二者較為接近;而在z∈［65 mm，110 mm］內(nèi)，受限空間內(nèi)液滴平均直徑大于大氣環(huán)境。圖6(b)為受限空間內(nèi)和大氣環(huán)境中液滴軸向速度沿軸向分布的比較。圖6(b)中，兩條曲線均呈現(xiàn)沿軸向減小的趨勢，受限空間內(nèi)液滴軸向速度小于大氣環(huán)境中的液滴軸向速度。

受限空間內(nèi)和大氣環(huán)境中霧化場參數(shù)的差異主要來自壁面的影響。第一，壁面限制了外部環(huán)境中空氣對于噴嘴的影響，強(qiáng)化了噴射出的氣-液兩相間的相互作用，使液滴更容易發(fā)生二次碎裂，減小了液滴平均直徑，這點(diǎn)在噴嘴近場表現(xiàn)的較為明顯。第二，隨著噴霧沿軸向與徑向的擴(kuò)展，在噴嘴遠(yuǎn)場，液滴較容易與壁面發(fā)生碰撞。壁面對于霧化液滴的反彈作用提高了液滴相互碰撞聚合的概率，增大了液滴速度損失。第三，在噴霧場中部，在壁面和氣-液作用的共同影響下，受限空間內(nèi)的液滴直徑與在大氣環(huán)境下的液滴直徑較為接近。

2.2 受限空間內(nèi)液體和氣體噴射壓力變化對于噴嘴霧化性能的影響

圖7為不同的液體和氣體噴射壓力下受限空間內(nèi)噴嘴霧化場中液滴平均直徑D32的數(shù)目分布圖。圖7(a)中大部分液滴分布在120 ～195 μm 區(qū)域內(nèi)，占總液滴數(shù)的88.75%. 其中，在150 ～165 μm 區(qū)間內(nèi)液滴數(shù)最多，占總液滴數(shù)的30.52%. 圖7(b)中90.11%液滴分布在105 ～165 μm 區(qū)域內(nèi)。峰值出現(xiàn)在120 ～135 μm 區(qū)間，31.67%的液滴集中在該區(qū)間內(nèi)。圖7(c)中94.09% 的液滴集中在90 ～150 μm 區(qū)域內(nèi)，其中120 ～135 μm 區(qū)間內(nèi)的液滴數(shù)最多，達(dá)到了45.32%. 可以發(fā)現(xiàn)，隨著pg/pl的值增大，液滴直徑分布的區(qū)間由寬變窄，峰值區(qū)間內(nèi)的液滴數(shù)隨之增加，說明液滴直徑分布的均勻性逐漸變好。

圖7 液滴平均直徑D32的數(shù)目分布Fig.7 Number distribution of mean diameter D32 of droplets

圖8顯示了液滴平均直徑D32沿軸向的變化趨勢。由圖8可以看出，液滴直徑沿軸向的變化規(guī)律基本一致，呈現(xiàn)先減小后增大的軸向變化趨勢，與龔景松等［13-14］的研究結(jié)果相一致。以pg=0.35 MPa、pl=0.15 MPa 工況為例，z=35 mm，D32=121.03 μm;z=60 mm，D32=120.28 μm;z=90 mm，D32=119.67 μm;z=110 mm，D32=139.9 μm. 原因是在靠近噴嘴附近區(qū)域，氣-液間的相互作用較強(qiáng)，液滴容易發(fā)生二次破碎，因此液滴直徑不斷減小。隨著噴霧發(fā)展，在氣動力作用下液滴速度逐漸下降，液滴群密度增加，此時(shí)液滴碰撞聚合效果趨于明顯，從而增大了整個(gè)軸截面上的液滴平均直徑。

圖8 液滴平均直徑D32沿軸向的變化Fig.8 Mean diameters D32 of droplets along axial direction

當(dāng)液體噴射壓力pl=0.2 MPa，氣體噴射壓力pg由0.35 MPa 提升至0.4 MPa 時(shí)，由圖7(a)、圖7(b)可見，液滴直徑分布向減小的方向偏移。說明隨著氣體噴射壓力增大，霧化效果變好。這是由于提高氣體噴射壓力后，噴嘴內(nèi)外部氣-液相之間的擾動作用增強(qiáng)，使大粒徑的液滴更容易發(fā)生二次破碎，形成直徑較小的液滴。而圖8中，在靠近噴嘴的z =35 mm截面上，這兩種工況下的液滴平均直徑差值ΔD32=26.2 μm，而在較遠(yuǎn)的z =110 mm 截面上，ΔD32=35.84 μm. 可見氣體噴射壓力變化對于液滴直徑的影響在噴嘴遠(yuǎn)端表現(xiàn)得更為明顯。

結(jié)合圖7(a)、圖7(c)和圖8可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)氣體噴射壓力pg=0.35 MPa，液體噴射壓力pl由0.15 MPa提升至0.2 MPa 時(shí)，液滴的直徑分布整體增大，這與Kuferrath 等［15］的研究結(jié)果相吻合。造成這種現(xiàn)象的原因在于，對于壓力噴嘴，增大液體噴射壓力的同時(shí)，液體噴射速度也隨之變大，而氣體壓力不變，導(dǎo)致氣-液相間的相對速度變小，氣動力作用減弱。與此同時(shí)，液體流量增大，使霧化難度增加。這兩方面因素致使液滴直徑呈現(xiàn)隨液體噴射壓力增大而變大的趨勢。圖8中z=35 mm 截面上，兩種工況下液滴平均直徑差值ΔD32=31.52 μm，在z =110 mm截面上，ΔD32=51.9 μm. 說明液體噴射壓力變化對噴嘴遠(yuǎn)端的霧化液滴影響較大。

圖9為不同工況下液滴軸向速度v 沿軸向的變化圖。由圖9可以發(fā)現(xiàn)，圖9中各曲線變化趨勢大致相同，即液滴軸向速度沿軸向逐漸減小。以pg=0.35 MPa、pl=0.15 MPa 工況為例，z =35 mm，v =6.05 m/s;z =60 mm，v =4.39 m/s;z =80 mm，v =2.96 m/s;z=110 mm，v=2.79 m/s.

圖9 液滴軸向速度v 沿軸向的變化Fig.9 Axial velocities v of droplets along axial direction

將pg= 0.35 MPa、pl= 0.2 MPa 工 況 和pg=0.4 MPa、pl=0.2 MPa 工況進(jìn)行對比發(fā)現(xiàn)，當(dāng)液體噴射壓力一定時(shí)，氣體噴射壓力增加，液滴軸向速度變大。在距噴嘴較近的z=35 mm 截面上，兩種工況下的液滴軸向速度差值Δv 為1.01 m/s. 隨著噴霧向下游發(fā)展，在遠(yuǎn)端的z=110 mm 截面上，液滴軸向速度差值Δv 增大到1.17 m/s. 另外，將pg=0.35 MPa、pl=0.15 MPa 工況和pg=0.35 MPa、pl=0.2 MPa 工況進(jìn)行對比可見，圖9中的兩條曲線比較接近，兩種工況下液滴軸向速度差值Δv 最大為0.48 m/s，最小為0.07 m/s. 由此可見，氣體噴射壓力比液體噴射壓力對液滴軸向速度影響更大。

3 結(jié)論

根據(jù)本文的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，可得出如下初步結(jié)論:

1)當(dāng)液體噴射壓力為0.1 MPa、氣體噴射壓力為0.2 MPa 時(shí)，受限空間內(nèi)液滴軸向速度小于大氣環(huán)境中的液滴軸向速度。當(dāng)z∈［25 mm，55 mm］時(shí)，受限空間內(nèi)液滴索特平均直徑小于大氣環(huán)境中液滴索特平均直徑;當(dāng)z∈［55 mm，65 mm］時(shí)，二者較為接近;而在z∈［65 mm，110 mm］內(nèi)，受限空間內(nèi)液滴索特平均直徑大于大氣環(huán)境。

2)通過比較不同的液體和氣體噴射壓力下受限空間內(nèi)噴嘴霧化場參數(shù)可以發(fā)現(xiàn)，霧化液滴的平均直徑由氣體和液體噴射壓力共同決定。隨著距噴嘴軸向距離的增大，液滴平均直徑呈現(xiàn)先減小后增大的變化趨勢，液滴軸向速度逐漸減小。

3)當(dāng)液體噴射壓力保持0.2 MPa，氣體噴射壓力由0.35 MPa 提升至0.4 MPa，液滴平均直徑變小，液滴軸向速度變大;當(dāng)氣體噴射壓力保持0.35 MPa，液體噴射壓力由0.15 MPa 提升至0.2 MPa，液滴平均直徑增大，但液滴軸向速度變化較小。隨著氣液壓力比值的增大，液滴直徑分布的均勻性變好。

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