離心式壓力霧化噴嘴水力特性試驗(yàn)

劉喜元，王　丹，劉銀水，陳　玲，王良武

(1.中國(guó)艦船研究設(shè)計(jì)中心，武漢 430064； 2.華中科技大學(xué) 機(jī)械科學(xué)與工程學(xué)院，武漢 430074)

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離心式壓力霧化噴嘴水力特性試驗(yàn)

劉喜元1，王丹2，劉銀水2，陳玲1，王良武1

(1.中國(guó)艦船研究設(shè)計(jì)中心，武漢 430064； 2.華中科技大學(xué) 機(jī)械科學(xué)與工程學(xué)院，武漢 430074)

摘要：基于離心式壓力霧化原理設(shè)計(jì)4種霧化噴嘴，通過試驗(yàn)對(duì)比分析不同幾何參數(shù)噴嘴在低壓條件下的流量、霧滴尺寸及其分布、出口速度和射程，獲得霧滴尺寸、霧滴出口速度和射程隨壓力、流量及噴霧角的變化規(guī)律。結(jié)果表明，離心式壓力霧化噴嘴在低壓條件下霧化性能良好、霧滴出口速度大、射程遠(yuǎn)，可廣泛用于船舶滅火、隱身和降溫等領(lǐng)域。

關(guān)鍵詞：離心式壓力霧化噴嘴；幾何參數(shù)；水力特性；細(xì)水霧

通過噴嘴噴灑出水柱或水霧進(jìn)行降溫、滅火、沖洗等在各行各業(yè)得到了廣泛的應(yīng)用，特別是細(xì)水霧以其無環(huán)境污染、滅火迅速、耗水量低、對(duì)防護(hù)對(duì)象破壞性小等特點(diǎn)，在船舶消防領(lǐng)域展示出了廣闊的應(yīng)用前景，已大量用于船舶機(jī)器處所和其他特定艙室的滅火，并且應(yīng)用范圍在不斷擴(kuò)大。根據(jù)供水壓力的大小將細(xì)水霧分為低壓、中壓和高壓細(xì)水霧3種，不同壓力下水霧的粒徑和水霧的覆蓋范圍有較大的區(qū)別。從本質(zhì)上說，霧化是能量對(duì)液體作用的結(jié)果，但霧化過程中只有極少量的能量用于液體產(chǎn)生新的表面。對(duì)常用的壓力式霧化噴嘴而言，絕大部分壓力用于克服噴嘴內(nèi)的摩擦阻力和轉(zhuǎn)化為霧滴的動(dòng)能，用于克服液體表面張力而形成新表面的耗能不到15%[1]。對(duì)于不同的霧化機(jī)理，促使液體破碎分散的能量形式不同。根據(jù)霧化形式可分為離心力霧化、壓力霧化、氣流霧化、撞擊霧化、超聲波或靜電霧化等幾種，不同的霧化形式對(duì)噴嘴的結(jié)構(gòu)有不同的要求。其中針對(duì)細(xì)水霧技術(shù)在船舶上的應(yīng)用，一般采用離心力霧化、壓力式或氣流式霧化。離心力霧化也稱為圓盤霧化。當(dāng)液體被送到高速旋轉(zhuǎn)的圓盤中心區(qū)時(shí)，在離心力作用下，液體伸展變?yōu)楸∧?，并以不斷增長(zhǎng)的速度向圓盤邊緣運(yùn)動(dòng)。液膜離開圓盤時(shí)與空氣摩擦，撕裂成霧滴。在圓盤霧化過程中，液膜是沿水平方向離開圓盤的，所得霧場(chǎng)形狀為空心的拋物面。

基于壓力式和離心式雙重霧化原理，設(shè)計(jì)系列離心式壓力霧化噴嘴。目前，對(duì)離心式壓力霧化噴嘴的研究大多針對(duì)高壓條件(通常為10 MPa)，而船舶液壓系統(tǒng)普遍在低壓條件(≤1.0 MPa)下工作，為了解離心式壓力霧化噴嘴在低壓條件下的水力特性，采用試驗(yàn)的方法探討不同的幾何參數(shù)對(duì)噴嘴水力特性的影響，為離心式壓力霧化噴嘴的設(shè)計(jì)和應(yīng)用提供試驗(yàn)依據(jù)。

1噴嘴結(jié)構(gòu)原理

離心式壓力霧化噴嘴霧化性能良好、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，被大量應(yīng)用于高壓細(xì)水霧滅火系統(tǒng)、艦船紅外隱身系統(tǒng)及船舶降溫系統(tǒng)，其結(jié)構(gòu)見圖1。

圖1　離心式壓力霧化噴嘴結(jié)構(gòu)示意

離心式壓力霧化噴嘴主要由切向入口、流體旋轉(zhuǎn)室、軸向出口等組成，其基本特征在于噴嘴內(nèi)有一個(gè)倒置的錐形旋轉(zhuǎn)室，切向入口、軸向入口分別位于錐形旋轉(zhuǎn)室大端和小端。

當(dāng)流體以一定的初始速度沿切向進(jìn)入錐形旋轉(zhuǎn)室后，根據(jù)旋轉(zhuǎn)流體運(yùn)動(dòng)動(dòng)量矩守恒定律，旋轉(zhuǎn)速度與漩渦半徑成反比，因此，越靠近軸心，旋轉(zhuǎn)速度越大，靜壓力越小，結(jié)果在噴嘴中央形成一股壓力等于大氣壓的錐形氣芯，流體則變成繞氣芯旋轉(zhuǎn)的環(huán)形薄膜。在離心力作用下，噴嘴出口孔徑以內(nèi)的流體靜壓能轉(zhuǎn)變?yōu)橥苿?dòng)液膜向前運(yùn)動(dòng)的動(dòng)能，從噴嘴高速噴出，液膜伸長(zhǎng)變薄，最后分裂成小霧滴[2-3]。本文所討論的離心式壓力霧化噴嘴的噴霧效果見圖2。

圖2　離心式壓力霧化噴嘴噴霧效果

2噴嘴水力參數(shù)性能試驗(yàn)

噴嘴水力特性分析，主要是分析噴嘴的壓力、流量、霧滴粒徑以及霧滴出口速度等參數(shù)之間的關(guān)系。

根據(jù)細(xì)水霧技術(shù)在船舶上的實(shí)際應(yīng)用工況，對(duì)流量不同而噴霧角相同和流量相同而噴霧角不同的8 L/min-30°、8 L/min-50°、12 L/min-50°及16 L/min-50°噴嘴(見圖3)的水力參數(shù)進(jìn)行測(cè)試。以8 L/min-30°噴嘴為例，8 L/min為噴嘴每分鐘的額定流量，30°為噴嘴的額定噴霧角。

圖3　離心式壓力霧化噴嘴

2.1試驗(yàn)系統(tǒng)

為了驗(yàn)證噴嘴的水力特性，搭建了小型試驗(yàn)系統(tǒng)，用淡水(自來水)進(jìn)行試驗(yàn)，試驗(yàn)系統(tǒng)組成見圖4。

1-蓄水池；2-手動(dòng)調(diào)節(jié)閥；3-過濾器；4-高壓水泵；5-溢流閥；6-手動(dòng)控制閥；7-壓力表；8-電子流量計(jì)；9-電磁閥；10-激光發(fā)射器；11-噴頭；12-高速攝像機(jī)；13-激光探測(cè)器圖4　噴嘴試驗(yàn)系統(tǒng)

試驗(yàn)用水取自蓄水池，由于水池是開敞式結(jié)構(gòu)，通過過濾器濾除水中的的雜質(zhì)，高壓泵的性能參數(shù)(流量≥5 m3/h，揚(yáng)程≥120 m)滿足單個(gè)噴嘴的供水需求，通過手動(dòng)調(diào)節(jié)可以調(diào)節(jié)進(jìn)入噴頭的水流量，流量和壓力通過管路系統(tǒng)中的電子流量計(jì)和壓力表進(jìn)行測(cè)量，噴頭供水的開啟和停止由電磁閥或手動(dòng)控制閥控制。噴頭出水后，由激光發(fā)射器和激光探測(cè)器來測(cè)量噴水在不同流量、壓力下的霧滴尺寸及其分布。試驗(yàn)系統(tǒng)還設(shè)有數(shù)據(jù)采集、分析設(shè)備，用以適時(shí)記錄出水流量、壓力、霧粒直徑、霧粒分布狀態(tài)。通過連接高速攝像機(jī)，測(cè)出噴嘴霧滴出口速度。

基于以上試驗(yàn)系統(tǒng)研究噴嘴的流量-壓力特性曲線，通過對(duì)比試驗(yàn)數(shù)據(jù)，得出不同幾何參數(shù)噴嘴的水力特性的變化規(guī)律。

2.2流量-壓力特性

噴嘴流量是噴嘴最為關(guān)鍵的參數(shù)之一，噴嘴流量-壓力特性是指通過噴嘴流量與工作壓力之間的關(guān)系，然而噴嘴結(jié)構(gòu)尺寸對(duì)噴嘴流量-壓力特性有決定性的影響。諸多學(xué)者對(duì)離心式壓力霧化噴嘴進(jìn)行了大量的理論分析和實(shí)驗(yàn)研究[3-4]，總結(jié)如下。

將噴嘴口作為一個(gè)節(jié)流口，其流量與工作壓力之間的關(guān)系可表示為

(1)

式中：Cq——流量系數(shù)；

A0——噴嘴出水孔截面積；

Δp——進(jìn)出口壓差；

ρ——液體密度。

其中，流量系數(shù)Cq是一個(gè)與結(jié)構(gòu)尺寸有關(guān)的量綱一的量。

由式(1)可見，噴嘴出水孔的面積和噴嘴進(jìn)出口壓差直接決定了噴嘴的流量，在噴嘴結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)完成后，噴嘴的流量?jī)H受噴嘴進(jìn)出口的影響。利用搭建的試驗(yàn)系統(tǒng)，通過手動(dòng)調(diào)節(jié)閥調(diào)節(jié)管路系統(tǒng)的供水壓力(0.3，0.5，0.8，1.0 MPa)，再測(cè)量不同壓力下的流量，從而得出各噴嘴的流量-壓力特性曲線，見圖5。

圖5　流量-壓力特性

由圖5可見，不同流量、不同噴霧角的噴嘴，隨著壓力升高，通過噴嘴的流量均增加，且噴嘴流量隨壓力緩慢增加，但不同流量、不同噴霧角的噴嘴的流量隨壓力變化的趨勢(shì)基本相同。在相同壓力下，額定流量相同而噴霧角不同的噴嘴的流量變化不明顯。

2.3霧化質(zhì)量分析

細(xì)水霧由于顆粒非常小、比表面積大，同水流相比更容易汽化，發(fā)生相變，從而吸收大量的熱量，降低物體表面的溫度[5]，其對(duì)船舶滅火、隱身和降溫都有著至關(guān)重要的影響。細(xì)水霧主要是通過噴嘴霧化水而產(chǎn)生的，噴嘴霧化是噴嘴的主要特性之一，因此，提高噴嘴霧化性能、實(shí)現(xiàn)均勻細(xì)小的霧滴粒徑是噴嘴研究的主要方向之一。

對(duì)離心式壓力霧化噴嘴，霧滴粒徑與噴嘴結(jié)構(gòu)尺寸、工作參數(shù)均有直接關(guān)系，并且是個(gè)復(fù)雜的函數(shù)關(guān)系，許多學(xué)者也都建立了相應(yīng)的經(jīng)驗(yàn)公式。其中有學(xué)者在綜合考慮液滴的粘度、密度、表面張力、結(jié)構(gòu)尺寸、工作參數(shù)等情況下提出了霧滴平均粒徑SMD的關(guān)系式[6]，見式(2)，并與實(shí)際情況較為吻合。

(2)

式中：σ——液體表面張力系數(shù)，dyn/cm；

P——壓力，MPa；

μ——液體粘度系數(shù)，cP；

ρ——液體密度，g/cm3；

vd——流量，L/min；

KN——傅維標(biāo)，無量綱(一般KN<1)；

d0——出口孔直徑，mm。

SMD隨壓力變化情況見圖6。

圖6　SMD隨壓力的變化情況

由圖6a)可見，霧滴粒徑隨噴嘴壓力增加而減小，隨噴嘴流量增加而增大。圖6a)中噴嘴平均粒徑SMD隨壓力增加而減小，這是由于壓力的增加，噴嘴出口速度增大，氣流對(duì)液滴的擾動(dòng)增強(qiáng)，因此在較高的氣液速度下，霧滴粒徑更??；并且在壓力較低時(shí)，霧滴粒徑有較為明顯的區(qū)別。流量越小，霧滴粒徑越小，這是由于同樣的能量將更少的水霧化成霧滴，霧滴粒徑有所減小。

不同噴霧角的噴嘴平均粒徑SMD隨壓力的變化見圖6b)。在低壓時(shí)，霧滴粒徑有明顯的區(qū)別，噴霧角越大，霧滴粒徑越小，這是由于增大噴霧角，噴嘴出口直徑增大，霧滴軸向速度減小、徑向速度增大，氣液相對(duì)速度增大，霧滴粒徑減小，這與文獻(xiàn)[7-8]等的研究結(jié)論一致。

由圖6可見，霧滴粒徑隨壓力的增大而減小，并且霧滴粒徑在壓力較低時(shí)減少的速率比較快，在壓力大于0.5 MPa后減少的速率比較緩慢。

以美國(guó)國(guó)家消防委員會(huì)標(biāo)準(zhǔn)NFPA 750對(duì)細(xì)水霧的定義和分級(jí)[9]，本文討論的離心式壓力霧化噴嘴的霧滴尺寸在額定壓力下均處于細(xì)水霧范疇，且均為第二級(jí)細(xì)水霧，在壓力為1.0 MPa時(shí)，均能達(dá)到一級(jí)細(xì)水霧標(biāo)準(zhǔn)。

2.4霧滴出口速度分析

在船舶滅火、隱身和降溫過程中，霧滴速度是影響滅火、隱身和降溫效果的直接因素，速度越大，單位時(shí)間內(nèi)通過的霧滴數(shù)量越多，在滅火時(shí)可供汽化的液滴越多，在冷卻時(shí)液體的表面積越大，所以其滅火、隱身和降溫的能力越好。

通過高速攝像機(jī)攝像并計(jì)算得出噴嘴霧滴出口速度，霧滴出口速度隨壓力的變化情況見圖7。

圖7　霧滴速度

噴嘴霧化是能量對(duì)液體作用的結(jié)果，壓力能通過克服摩擦阻力、液體表面張力、粘性力后轉(zhuǎn)換成液滴動(dòng)能。在壓力較低時(shí)，霧滴出口速度小，這是由于低壓時(shí)表面張力克服了慣性力，液膜收縮成液泡，但在空氣動(dòng)力作用下破碎成大液滴。因此，低壓狀態(tài)液滴出口速度??；隨著壓力的增加，慣性力增大，液膜在慣性力的作用下逐漸失穩(wěn)，破裂成絲狀或帶狀，并與空氣相對(duì)運(yùn)動(dòng)劇烈，表面張力及粘性力的作用減弱，液膜長(zhǎng)度縮短并扭曲，在氣動(dòng)力作用下破碎成小霧滴，見圖8。因此，高壓時(shí)霧滴出口速度大。

圖8　離心式壓力霧化噴嘴霧化過程(壓力逐漸增加)

由圖8可見，霧滴速度隨噴霧角減小而增大，這是由于噴嘴出口主要起節(jié)流作用，噴霧角越小，噴嘴出口越小，流體徑向速度減小，軸向速度增加。

2.5射程分析

霧滴經(jīng)噴嘴霧化生成后，在大氣中運(yùn)動(dòng)，其射程決定了噴嘴在船舶不同應(yīng)用場(chǎng)合的配置、安裝位置以及實(shí)施效果。噴嘴射程隨壓力的變化情況見圖9。

圖9　射程變化

在霧滴運(yùn)動(dòng)中，霧滴受空氣阻力影響，速度會(huì)減小，其受力方程為：

(3)

式中：Cd為阻力系數(shù)；ρa(bǔ)為空氣密度；Aw為霧滴的截面面積；vd為霧滴速度。

阻力系數(shù)Cd是一個(gè)與雷諾數(shù)Re密切相關(guān)的系數(shù)，二者關(guān)系[10]見圖10。

圖10　液滴阻力系數(shù)與雷諾數(shù)的關(guān)系

分析可知，壓力增大，霧滴粒徑減小，霧滴速度增大，因此霧滴射程增大。從圖9a)可以看出，霧滴射程隨噴嘴的流量變化不明顯，這是因?yàn)閴毫ο嗤那闆r下，噴嘴流量增加，霧滴粒徑增大，霧滴速度減小，霧滴所受阻力有所減小，因此霧滴射程隨流量變化不大。另外，從圖9b)得出，噴霧角越小，射程越大。由上述分析可以看出，噴霧角越小，霧滴軸向速度越大，霧滴粒徑也有所增大，因此霧滴射程也有所增大。

3結(jié)論

1)離心式壓力霧化噴嘴在低壓條件下霧化效果良好；霧滴粒徑隨壓力的增大而減小，并且霧滴粒徑壓力較低下降比較快，壓力大于0.5 MPa后變化較為緩和；當(dāng)噴霧角相同時(shí)，流量越小，霧滴粒徑越小，且在低壓時(shí)區(qū)別較為明顯；當(dāng)噴嘴流量相同時(shí)，低壓狀態(tài)中噴霧角越大，霧滴粒徑越小，高壓狀態(tài)霧滴粒徑隨噴霧角的變化不大。

2)離心式壓力霧化噴嘴霧滴速度大，并且壓力越大，霧滴速度越大；當(dāng)噴霧角相同時(shí)，霧滴出口速度隨噴嘴流量增加而減??；當(dāng)噴嘴流量相同時(shí)，噴霧角越小，霧滴速度越大。

3)壓力越大，霧滴射程越大，射程隨噴嘴流量變化不明顯。在噴嘴流量相同的情況下，噴霧角越小，射程越大。

試驗(yàn)結(jié)果表明，在低壓條件下，離心式壓力霧化噴嘴水力特性優(yōu)良，可廣泛用于船舶滅火、隱身和降溫等領(lǐng)域。

參考文獻(xiàn)

[1] 謝安桓.閉式高壓細(xì)水霧噴頭的研究[D].杭州：浙江大學(xué),2011.

[2] 甘曉華.航空燃?xì)廨啓C(jī)燃油噴嘴技術(shù)[M].北京：國(guó)防工業(yè)出版社,2006.

[3] 郭宜祜，王喜忠.噴霧干燥[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社,1983.

[4] 廖義德.高壓細(xì)水霧滅火系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)及其滅火性能研究[D].武漢：華中科技大學(xué)，2008.

[5] 劉喜元,謝承利,王丹,等.細(xì)水霧在紅外隱身技術(shù)中的應(yīng)用研究[J].中國(guó)艦船研究，2014，9(6)：73-79.

[6] TANASAWA Y, TOYODA S. On the atomization of a liquid jet issuing from a cylindrical nozzle. Report of Tohoku University, Japan, No.19-2,1955:135.

[7] WANG X F, LEFEBVRE A H. Atomization performance of pressure-swirl nozzles[C]∥AIAA/ASME/SAE/ASEE 22nd Joint Propulsion Conference, Huntsville, Alabama,1986.

[8] WANG X F, LEFEBVRE A H. Mean drop sizes from pressure-swirl nozzles[J]. Journal of Propulsion and Power,1986,3(1):11-18.

[9] The Technical Committee on Water Mist Fire Suppression Systems. NFPA 750 Standard on Water Mist Fire Protection Systems[S]. 2000 Edition. New Orleans: Standards Council, USA,2000.

[10] 章梓雄,董曾南.粘性流體力學(xué)[M].北京：清華大學(xué)出版社,1998.

Experimental Study on the Hydraulic Properties of Centrifugal Pressure Spray Nozzle

LIU Xi-yuan1, WANG Dan2, LIU Yin-shui2, CHEN Ling1, WANG Liang-wu1

(1 China Ship Development and Design Center, Wuhan 430064, China;2 School of Mechanical Science and Engineering, Huazhong University of Science and Technology, Wuhan 430074, China)

Abstract:Based on the principle of centrifugal pressure atomization, four kinds of spraying nozzle are designed. Through the tests the flow of nozzles with different geometric parameters, the size of mist drop and its distribution, the exit speed and the range are comparatively analyzed, so as to obtain the size and exit speed of mist drop, varied regulation of the range with pressure, flow and spray angle. The results showed that the centrifugal pressure spraying nozzle has the better atomization performance, the faster exit speed and the longer range of mist drop, it could be widely used in the fire fighting, stealth and cooling of the ship.

Key words:centrifugal pressure spraying nozzle; geometric parameter; hydraulic property; water mist

中圖分類號(hào)：U664.5

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1671-7953(2016)02-0100-05

第一作者簡(jiǎn)介：劉喜元(1965-)，男，學(xué)士，研究員E-mail:364574447@qq.com

收稿日期：2016-01-06

DOI:10.3963/j.issn.1671-7953.2016.02.026

修回日期：2016-01-21

研究方向:船舶輔助系統(tǒng)總體技術(shù)