結(jié)冰風(fēng)洞環(huán)境對噴嘴霧化特性的影響初步研究

符 澄, 彭 強, 張海洋, 王 超, 吳盛豪

(中國空氣動力研究與發(fā)展中心 設(shè)備設(shè)計及測試技術(shù)研究所, 四川 綿陽 621000)

結(jié)冰風(fēng)洞環(huán)境對噴嘴霧化特性的影響初步研究

符 澄*, 彭 強, 張海洋, 王 超, 吳盛豪

(中國空氣動力研究與發(fā)展中心 設(shè)備設(shè)計及測試技術(shù)研究所, 四川 綿陽 621000)

噴霧系統(tǒng)是結(jié)冰風(fēng)洞中進行云霧參數(shù)模擬的核心設(shè)備，其霧化噴嘴的性能直接影響結(jié)冰風(fēng)洞試驗段平均水滴直徑(MVD) 、液態(tài)水含量以及云霧均勻性等關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)。結(jié)冰風(fēng)洞運行過程中的壓力、溫度、風(fēng)速以及霧化水滴的溫度、初始粒徑等均會對進入試驗段的云霧參數(shù)的最終狀態(tài)產(chǎn)生影響。在0.3m×0.2m結(jié)冰風(fēng)洞和噴嘴低壓試驗臺上，針對不同風(fēng)洞運行環(huán)境對噴嘴霧化性能的影響進行研究，測量了風(fēng)洞運行的壓力、氣流速度、霧化水滴的溫度、初始粒徑等對粒子蒸發(fā)速率及噴嘴性能包線的影響。研究結(jié)果表明：風(fēng)洞的氣流環(huán)境對云霧粒子的MVD值影響較大；風(fēng)洞的氣流速度及粒子的初始溫度越高，云霧粒子的雷諾數(shù)越大，其蒸發(fā)速率越大；環(huán)境壓力對噴嘴的粒徑和包絡(luò)線影響較大，隨著環(huán)境壓力的降低，噴嘴的流量-粒徑包絡(luò)線整體收窄，但對噴嘴的流量影響不大。

結(jié)冰風(fēng)洞；噴嘴；霧化特性；MVD；試驗

0 引 言

結(jié)冰風(fēng)洞是研究飛機結(jié)冰及防、除冰的重要地面模擬設(shè)備，其結(jié)冰云霧參數(shù)的模擬能力需要滿足FAR第25部附錄C29對溫度-粒徑-液態(tài)水含量的要求[1-3]。位于試驗段上游的噴霧系統(tǒng)是結(jié)冰風(fēng)洞的核心配套設(shè)備，可用來獲得飛行器穿越含有過冷水滴云層飛行時的模擬云霧環(huán)境。

結(jié)冰風(fēng)洞模擬云霧環(huán)境包括在不同溫度、不同壓力和不同風(fēng)速條件下，試驗段的平均水滴直徑(MVD) 、液態(tài)水含量(LWC)、云霧粒子均勻性和水滴溫度的熱穩(wěn)定性等。

在噴霧系統(tǒng)中，噴嘴的霧化特性決定了噴嘴出口處云霧粒子的粒徑及水流量。風(fēng)洞試驗段氣流的溫度、濕度和速度是影響云霧參數(shù)的外部因素。其中，溫度、濕度和速度影響了云霧粒子在由穩(wěn)定段向試驗段運動過程中的蒸發(fā)速度，同時，氣流的速度還會導(dǎo)致到達試驗段的云霧粒子的覆蓋面積發(fā)生變化，而風(fēng)洞內(nèi)的低壓力環(huán)境則會造成噴嘴的霧化性能(MVD，流量，霧化錐角等)相對常壓校準(zhǔn)時發(fā)生改變。云霧粒子的初始粒徑、液滴溫度等會影響粒子的蒸發(fā)率、沉降速率等，是影響云霧參數(shù)最終狀態(tài)的內(nèi)部因素[4-11]。

美國NASA格林中心的IRT結(jié)冰風(fēng)洞針對霧化噴嘴的性能做了大量的研究工作，通過優(yōu)化噴嘴的設(shè)計，使得粒徑范圍和試驗段云霧均勻性得到了改善。在意大利CIRA的IWT結(jié)冰風(fēng)洞中，研究人員通過一系列試驗，得出了實驗室環(huán)境和風(fēng)洞吹風(fēng)環(huán)境下噴嘴蒸發(fā)、沉降特性、噴嘴布置方式和氣流速度對云霧粒子覆蓋區(qū)域的對比結(jié)果；通過數(shù)值仿真，模擬了噴嘴噴出的云霧粒子到達試驗段后的覆蓋面積、液態(tài)水含量分布等特性，有效地指導(dǎo)了噴霧系統(tǒng)及云霧參數(shù)的調(diào)試、優(yōu)化工作。

本文通過實驗手段，在小型結(jié)冰風(fēng)洞及低壓測試平臺中，測量氣流速度、壓力以及粒子初始粒徑、初始溫度的變化對小粒徑噴嘴(10～55μm) 霧化性能(粒徑、水流量) 產(chǎn)生的影響，推導(dǎo)不同環(huán)境因素對噴嘴霧化效果的影響規(guī)律，尋找風(fēng)洞實際運行條件下噴嘴霧化性能與常規(guī)噴嘴測試平臺測試結(jié)果之間的差異。

1 實驗裝置及測試方法

1.1 實驗裝置介紹

在0.3m×0.2m結(jié)冰風(fēng)洞中進行不同氣流溫度、速度、壓力以及不同的粒子初始粒徑、初始溫度對霧化性能的影響實驗研究。 0.3m×0.2m結(jié)冰風(fēng)洞是一座閉口回流式亞聲速風(fēng)洞，如圖1所示。該風(fēng)洞采用一臺軸流風(fēng)扇驅(qū)動，試驗段截面尺寸為0.3m(寬) ×0.2m(高)，試驗段氣流速度模擬范圍為21～210m/s，氣流溫度模擬范圍15～-40℃，壓力模擬范圍5～101kPa(0～20000m高度) 。

圖1 0.3m×0.2m結(jié)冰風(fēng)洞

測試用的噴嘴安裝在穩(wěn)定段內(nèi)的噴霧架上，噴嘴位于穩(wěn)定段截面中心。噴嘴出口距試驗段中心截面約2m。

在噴嘴低壓測試平臺上進行不同環(huán)境壓力對霧化性能影響的實驗研究。噴嘴低壓試驗臺由試驗臺本體、真空抽氣系統(tǒng)及控制系統(tǒng)組成。其主要性能如下：試驗臺容積2m3，由水環(huán)真空泵配合1個補氣閥門精確控制真空度，真空泵抽速40L/s，壓力調(diào)節(jié)范圍30～101kPa，壓力控制精度0.5kPa。

使用1臺離心泵為噴嘴供應(yīng)去離子水，使用氮氣瓶組為噴嘴供氣，水壓和氣壓均可自動調(diào)節(jié)，水壓及氣壓調(diào)節(jié)范圍為0.03～1.2MPa，壓力調(diào)節(jié)精度0.005MPa。使用電加熱器為去離子水加熱，水溫調(diào)節(jié)范圍15～95℃，溫度調(diào)節(jié)精度±2℃。供水、供氣系統(tǒng)可分別向結(jié)冰風(fēng)洞和低壓試驗臺內(nèi)的噴嘴供應(yīng)一定壓力的去離子水和氮氣，其流程如圖2所示。

圖2 供水、供氣系統(tǒng)流程

使用PDI(相位多普勒干涉儀) 對云霧粒子的粒徑、速度及分布進行測量。PDI是PDPA基礎(chǔ)上的新一代相位多普勒顆粒分析系統(tǒng)，可在不同的應(yīng)用環(huán)境中實現(xiàn)對單個顆粒粒徑大小以及三維速度的實時無接觸測量。PDI在0.3m×0.2m結(jié)冰風(fēng)洞駐室及試驗段內(nèi)的安裝如圖3所示。

圖3 PDI在結(jié)冰風(fēng)洞中的安裝

光學(xué)發(fā)射探頭和接收探頭前部都安裝有透鏡。在本項試驗中，由于測試粒徑較小，選擇使用較短的透鏡焦距。發(fā)射鏡頭和接收鏡頭的焦距分別為350和400mm。

對鋼筋混凝土橋梁在正常使用極限狀態(tài)短期荷載作用下的變形進行檢算。該橋?qū)嵭陌辶涸谄嚭奢d作用下跨中最大撓度計算結(jié)果見表4。

水流量測量采用Burkert-8471型微流量計，流量范圍1.5～100L/h，量程內(nèi)讀數(shù)精度0.5%。

1.2 測試方法

在風(fēng)洞壓力為101kPa的條件下，測量0.3m×0.2m結(jié)冰風(fēng)洞試驗段中心處的MVD值，并與靜態(tài)校準(zhǔn)(101kPa，15℃，無風(fēng)速) 環(huán)境下的測量結(jié)果做比較。風(fēng)洞及噴嘴初始參數(shù)設(shè)置如下：

(1) 氣流速度：40m/s，60m/s；

(2) 氣流溫度：-15℃；

(3) 噴嘴入口水溫：48℃，68℃；

(4) 噴嘴初始MVD：16.8μm(氣壓0.3MPa，水壓0.35MPa)，20.6μm(氣壓0.25MPa，水壓0.4MPa)。 在101kPa及低壓(39和54kPa) 的條件下，在真空試驗臺上測量距噴嘴出口200mm軸線上的MVD值，并同時測量水流量，比較不同環(huán)境壓力下噴嘴的霧化性能及MVD -流量包線范圍?？刂茪鈮悍秶?.05 ～1.0MPa，水壓范圍0.05～1.2MPa。

2 實驗結(jié)果及分析

2.1 噴嘴的靜態(tài)性能測試

在15℃、101kPa、無風(fēng)速的狀態(tài)下測量2個供水、供氣壓力狀態(tài)(氣壓0.3MPa、水壓0.35MPa以及氣壓0.25MPa、水壓0.4MPa) 下噴嘴軸線上的MVD，并將測試結(jié)果作為基準(zhǔn)值。在這2種狀態(tài)下，測得的MVD值分別為16.8和20.6μm，如圖4所示。滴譜分布圖顯示，這2種狀態(tài)下，其粒徑-體積分?jǐn)?shù)分布均呈現(xiàn)較好的正態(tài)分布。

圖4 噴嘴靜態(tài)測試結(jié)果

2.2 氣流環(huán)境對MVD的影響

在結(jié)冰風(fēng)洞試驗段測量單個噴嘴噴出的云霧粒子在不同氣流環(huán)境的條件下，從穩(wěn)定段進入試驗段后的MVD變化規(guī)律，由于飛行距離短，粒子直徑小，且不存在多個噴嘴的相互干擾，因此，在對其變化規(guī)律進行分析時，可不考慮粒子的沉降和碰撞因素，只需考慮粒子的蒸發(fā)速率。

云霧粒子的蒸發(fā)率λ可以表示為：

其中：

式中:kg為氣體導(dǎo)熱系數(shù)，cg為氣體比熱，ρl為液體密度，Red為雷諾數(shù)，Prg為氣體的Prandtl數(shù)，T為溫度,hf,g為對流傳熱系數(shù)。 從式中可以看出，影響云霧粒子蒸發(fā)率的主要因素有：基于粒子初始直徑和速度的雷諾數(shù)Red以及氣流和粒子之間的溫度差Tg-Tl，由于粒子初始溫度難以測量，因此取噴嘴入口水溫做為粒子初始溫度。

圖5和6分別給出了靜態(tài)及不同來流速度、不同噴嘴入口水溫及2種初始粒徑條件下噴嘴軸線上MVD的比較。從圖中可以看出，靜態(tài)條件和不同來流環(huán)境條件下，噴嘴軸線上的MVD發(fā)生了較大變化：有來流時，云粒子在風(fēng)洞中飛行2m的距離后，MVD增大。之所以MVD值沒有因為蒸發(fā)而減小，是因為小粒徑的水滴在飛行過程中，其粒徑減小的變化率要高于大粒徑的水滴[11]，從而導(dǎo)致在其滴譜分布上，小粒徑水滴所占的體積分?jǐn)?shù)的變化率要高于大粒徑水滴，從而導(dǎo)致MVD值增加。

此外，氣流環(huán)境及噴嘴入口水溫對粒子最終MVD的影響也較為明顯：隨著氣流速度和水溫的增加，MVD均減小。這是因為速度增加導(dǎo)致粒子雷諾數(shù)增加進而造成蒸發(fā)速率增加，同時，由于粒子溫度增加，其在氣流中進行蒸發(fā)過程的距離更長。

圖5 D0=16.8μm時，風(fēng)洞環(huán)境對MVD的影響

圖6 D0=20.6μm時，風(fēng)洞環(huán)境對MVD的影響

初始粒徑為16.8μm時，氣流環(huán)境變化對MVD造成的影響最大約為9%，初始粒徑為20.6μm時，氣流環(huán)境變化對MVD造成的影響最大約為18%，可見，粒子雷諾數(shù)增加也會造成其蒸發(fā)速率的提高。

從前面的研究結(jié)果可以看出，云霧粒子在運動過程中其MVD的變化率大于結(jié)冰風(fēng)洞對MVD控制誤差不大于10%的要求，因此，在進行結(jié)冰試驗時，不能忽視粒子的蒸發(fā)特性對試驗段MVD的影響。

2.3 低壓環(huán)境對霧化特性的影響

由于噴嘴出口環(huán)境的影響，會導(dǎo)致在相同的供水、供氣壓力條件下，噴嘴的水、氣壓力與環(huán)境壓力的壓差發(fā)生變化，從而導(dǎo)致噴嘴的霧化特性發(fā)生改變。

對于空氣輔助霧化噴嘴來說，水、氣的壓力差決定了噴嘴的粒徑和流量特性，一般來說，供氣壓力越高，水、氣的壓差越大，霧化效果越好。

圖7分別給出了供氣壓力pair分別為0.1、0.4和0.8MPa，環(huán)境壓力分別為95、54和39kPa條件下，噴嘴的MVD與水壓pwater的關(guān)系曲線。從圖中可以看出，在低供氣壓力時，環(huán)境壓力帶來的噴嘴供氣壓差的改變對噴嘴的霧化性能影響較大，隨著環(huán)境壓力的升高，供氣壓差越小，MVD越大，這是因為對于空氣輔助霧化噴嘴來說，供氣壓力越低，其MVD隨水-氣壓差的改變所產(chǎn)生的變化范圍也越大，從而導(dǎo)致在低供氣壓力條件下，噴嘴MVD的變化對由于環(huán)境壓力變化所導(dǎo)致的水-氣壓差的改變更為敏感。相反，隨著供氣壓力的提高，環(huán)境壓力對噴嘴供氣壓差的影響越來越小，不同壓力環(huán)境下，MVD值的差異也逐漸減小，此時供水的壓差的改變對MVD的影響逐漸顯現(xiàn)出來，從而導(dǎo)致出現(xiàn)環(huán)境壓力越高、MVD越小的現(xiàn)象。

圖7 環(huán)境壓力對MVD的影響Fig.7 MVD result under different pressure conditions

不同的環(huán)境壓力對噴嘴的水流量影響很小，在風(fēng)洞LWC誤差的控制范圍內(nèi)，如圖8所示。

圖8 環(huán)境壓力對流量的影響

由于環(huán)境壓力對噴嘴MVD的影響如此明顯，因此，在不同的環(huán)境壓力條件下，噴嘴的包絡(luò)線將會出現(xiàn)很大的變化。如圖9所示，隨著環(huán)境壓力的降低，噴嘴的MVD-流量覆蓋范圍出現(xiàn)了整體偏移，且這種偏移對大粒徑范圍來說更為明顯。

圖9 環(huán)境壓力對噴嘴包線的影響

3 結(jié) 論

在0.3m×0.2m結(jié)冰風(fēng)洞和低壓噴霧試驗臺上，對結(jié)冰風(fēng)洞氣流和壓力環(huán)境對內(nèi)混式空氣助霧化噴嘴的霧化性能的影響進行了測試，得到以下結(jié)論：

(1) 云霧粒子從穩(wěn)定段向試驗段飛行過程中，水滴的蒸發(fā)對云霧的MVD影響較大，達到10%以上；

(2) 風(fēng)洞的氣流速度及粒子的初始溫度越高，粒子的雷諾數(shù)越大，云霧粒子的蒸發(fā)速率越大；

(3) 環(huán)境壓力對噴嘴的粒徑和包絡(luò)線影響較大，隨著環(huán)境壓力的降低，噴嘴的流量-粒徑包絡(luò)線整體收窄，但對噴嘴的流量影響不大；

(4) 通過本項研究工作，對結(jié)冰風(fēng)洞環(huán)境對噴嘴霧化特性的影響有了一定的了解，以此為基礎(chǔ)，可以指導(dǎo)結(jié)冰風(fēng)洞云霧參數(shù)及其均勻性的調(diào)試工作。

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(編輯：楊 娟)

Preliminary research on spray nozzle atomization characteristics in icing wind tunnel environment

Fu Cheng*, Peng Qiang, Zhang Haiyang, Wang Chao, Wu Shenghao

(Facility Design and Instrumentation Institute, China Aerodynamics Research and Development Center, Mianyang Sichuan 621000, China)

The icing cloud inside the icing wind tunnel test section is generated by the Spray Bar System (SBS) which is located at the wind tunnel settling chamber. The icing conditions such as the icing cloud liquid water content (LWC) and water droplet size (MVD) are determined by the performance of the spray nozzle of performance on SBS. The enviromental parameters of the icing wind tunnel operation such as the pressure, temperature, wind speed and diameter of liquid droplet can change the final atomization characteristics in the test section. In the 0.3m×0.2m icing wind tunnel with low pressure spray nozzle testing platform, we used Phase Doppler Interferometer(PDI) to measure the droplet evaporation rate and spray nozzle performance envelope in different icing wind tunnel operation environments. The experimental results show that: the icing wind tunnel flow condition can change the MVD when the liquid droplets fly into the test section through the contraction section; when the wind speed, the temperature and Reynold number of liquid droplet increase, the evaporation rate of droplet will also increase; the ambient pressure has an indispensable influence on the MVD and spray nozzle performance envelope; as the ambient pressure reduces, the spray nozzle flow mass-MVD envelope is narrowed down, but the spray nozzle water flow mass is hardly influenced. These experimental results can be used in the icing wind tunnel for icing cloud simulation and uniformity debugging.

icing wind tunnel;spray nozzle;atomization characteristic;MVD;experiment

1672-9897(2015)03-0030-05

10.11729/syltlx20140064

2014-06-23;

2014-10-07

國家自然科學(xué)基金(11172314)

FuC,PengQ,ZhangHY,etal.Preliminaryresearchonspraynozzleatomizationcharacteristicsinicingwindtunnelenvironment.JournalofExperimentsinFluidMechanics, 2015, 29(3): 30-34. 符 澄, 彭 強, 張海洋, 等. 結(jié)冰風(fēng)洞環(huán)境對噴嘴霧化特性的影響初步研究. 實驗流體力學(xué), 2015, 29(3): 30-34.

V211.73

A

符澄(1982-)，男，江蘇如東人，工程師。研究方向：風(fēng)洞氣動設(shè)計。通信地址：四川綿陽中國空氣動力研究與發(fā)展中心(621000)。E-mail:fucheng111@sina.com

*通信作者 E-mail: fucheng111@sina.com