高背壓下平口噴嘴射流錐角影響因素分析

蘇本展 楊 鶴 彭志福 盧成健（華中科技大學(xué)，湖北 武漢 430074）

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高背壓下平口噴嘴射流錐角影響因素分析

蘇本展 楊 鶴 彭志福 盧成健
（華中科技大學(xué)，湖北 武漢 430074）

摘 要：高背壓下條件下的射流在火電的減溫水噴射、燃?xì)廨啓C(jī)、加壓煤氣化、潛艇等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用。由于高背壓射流參數(shù)計(jì)算方法缺失，本文利用搭建的高背壓實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，選取8種不同結(jié)構(gòu)參數(shù)的噴嘴進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，研究背壓、噴射壓差、噴嘴長(zhǎng)徑比等參數(shù)對(duì)射流錐角的影響。分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果，發(fā)現(xiàn)背壓對(duì)射流錐角影響較大，在高背壓時(shí)，背壓越高，射流錐角越大；在低背壓時(shí)，射流錐角受噴嘴內(nèi)部流動(dòng)狀態(tài)影響較大，低背壓時(shí)，噴嘴內(nèi)部易產(chǎn)生空穴流動(dòng)，空穴的產(chǎn)生促進(jìn)射流錐角的增大，其影響不可忽略。

關(guān)鍵詞：射流錐角；背壓；壓差；長(zhǎng)徑比

1 引言

平口噴嘴在各種射流裝置中得到廣泛運(yùn)用，其射流錐角反映了噴嘴噴射的輪廓和覆蓋面，是決定其性能好壞的重要參數(shù)。Lefebvre總結(jié)了一些學(xué)者的研究工作，認(rèn)為平口噴嘴的射流錐角受到噴嘴幾何結(jié)構(gòu)、噴嘴長(zhǎng)徑比以及噴射進(jìn)入環(huán)境介質(zhì)的密度影響。Kerst等比較常壓和高壓射流的破碎情況，發(fā)現(xiàn)背壓升高后，在很小的噴射速度下，射流就會(huì)從滴落狀態(tài)過渡到霧化狀態(tài)，即背壓升高有利于霧化的發(fā)生。Varde研究液態(tài)燃油噴入氣體環(huán)境中，結(jié)果表明射流錐角依賴于噴嘴形狀和噴嘴運(yùn)行條件。王德忠等利用高速相機(jī)研究柴油機(jī)噴霧，結(jié)果表明與常壓情況相比，高背壓增強(qiáng)霧化，霧化錐角增加，貫穿度降低。

2 實(shí)驗(yàn)

2.1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

為了分析射流錐角，設(shè)計(jì)了如下的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，該系統(tǒng)可進(jìn)行常壓和加壓下的實(shí)驗(yàn)，如圖1所示。

圖1 射流霧化實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

表1 噴嘴編號(hào)及尺寸

2.2 實(shí)驗(yàn)方法

噴射介質(zhì)為水，溫度為5℃左右，水流量范圍為40kg/h～300kg/h，使用高壓計(jì)量泵實(shí)現(xiàn)對(duì)水的精確控制。環(huán)境氣體為空氣，實(shí)驗(yàn)背壓為4MPa、3MPa、2MPa、1MPa、0.1MPa（圖例直接用數(shù)字代替，略去MPa）、通過高壓氣體壓氣機(jī)對(duì)壓力罐充氣達(dá)到所需實(shí)驗(yàn)壓力。射流錐角通過數(shù)碼相機(jī)拍照，拍照位置為噴嘴出口200mm處，曝光時(shí)間為1/30s，然后導(dǎo)入CAD中進(jìn)行處理，獲得錐角，由于在同一工況下，射流錐角基本不變，因此可以認(rèn)為所得圖像為實(shí)際射流錐角。由于測(cè)量的原因造成的誤差為±1°，見表1。

圖2 8號(hào)長(zhǎng)徑比為20時(shí)噴嘴射流錐角與Re數(shù)的關(guān)系

圖3 1號(hào)噴嘴射流錐角與Re數(shù)的關(guān)系

圖4 3號(hào)噴嘴射流錐角與Re數(shù)的關(guān)系

圖5 8號(hào)噴嘴噴射壓差和Re數(shù)的關(guān)系

圖6 1號(hào)噴嘴噴射壓差和Re數(shù)的關(guān)系

圖7 3號(hào)噴嘴噴射壓差和Re數(shù)的關(guān)系

3 結(jié)果和分析

3.1 射流錐角與Re數(shù)的關(guān)系

從圖2中可以看出，在較大長(zhǎng)徑比（20）下，射流錐角在不同背壓下均表現(xiàn)出類似的變化規(guī)律，即隨著Re的增加，射流錐角呈現(xiàn)相同規(guī)律的增大。在同一Re數(shù)下，總體來說，背壓越高，射流錐角越大，說明背壓也即環(huán)境氣體密度對(duì)射流錐角影響較大。但在較大背壓（3MPa、4MPa）的時(shí)候，射流錐角差別較小，明顯比2MPa大很多；在較小背壓時(shí)，出現(xiàn)射流錐角在大Re數(shù)時(shí)上升較快。為了弄清這是否是由實(shí)驗(yàn)誤差造成的，對(duì)1號(hào)和3號(hào)噴嘴進(jìn)行類似分析，如圖3和圖4所示：觀察發(fā)現(xiàn)，1號(hào)和3號(hào)噴嘴在低背壓時(shí)同樣出現(xiàn)和8號(hào)噴嘴類似的規(guī)律，如圖5所示。另外1號(hào)和3號(hào)噴嘴在較低背壓時(shí)射流錐角先緩慢增加后快速增加，這很可能是由噴嘴內(nèi)部流動(dòng)狀態(tài)改變引起的，因此，為了進(jìn)一步解釋這種現(xiàn)象，后面分析了射流錐角與噴射壓差的關(guān)系。

另外，發(fā)現(xiàn)盡管1號(hào)和3號(hào)噴嘴的射流錐角隨著Re數(shù)增加的趨勢(shì)沒有變，但是錐角增加的速度呈現(xiàn)顯著的不同，表現(xiàn)為8號(hào)噴嘴和1號(hào)噴嘴均呈現(xiàn)出相對(duì)較快的增加趨勢(shì)，并且會(huì)繼續(xù)增加，而3號(hào)噴嘴呈現(xiàn)出先快速增加后緩慢增加甚至有減小的趨勢(shì)。對(duì)比發(fā)現(xiàn)，3號(hào)噴嘴達(dá)到的最大射流錐角19°明顯大于1號(hào)和8號(hào)的14°，這可能是由于長(zhǎng)徑比的不同造成的，因此有必要研究長(zhǎng)徑比對(duì)射流錐角的影響。

3.2 噴射壓差與Re數(shù)的關(guān)系

如圖5、圖6和圖7所示，在相同Re數(shù)時(shí)，不同背壓下的噴射壓差差別不明顯。在低Re（20000）數(shù)時(shí)，噴射壓差基本相同；隨著Re數(shù)的增加，低背壓下的噴射壓差呈現(xiàn)出較快的增加，在高Re數(shù)時(shí)大于高背壓下的壓差。對(duì)比1號(hào)和3號(hào)噴嘴，發(fā)現(xiàn)這種現(xiàn)象更加明顯，在高背壓（2MPa、3MPa、4MPa）情況下，噴射壓差幾乎保持著相同。而在低背壓下出現(xiàn)顯著的不同，隨著Re數(shù)的增加，噴射壓差增加的速度越來越快，并且明顯高于高背壓下的噴射壓差，這與上述射流錐角的增加趨勢(shì)一致。為什么會(huì)出現(xiàn)這種現(xiàn)象，是因?yàn)樵谳^低背壓時(shí)，噴嘴內(nèi)部流動(dòng)狀態(tài)發(fā)生了變化，產(chǎn)生了空穴流動(dòng)，空穴的產(chǎn)生促進(jìn)了射流錐角的擴(kuò)張，因此，在較低背壓情況下，空穴流動(dòng)對(duì)射流錐角的影響較大。

結(jié)論

對(duì)于所有實(shí)驗(yàn)噴嘴，試驗(yàn)條件下射流錐角在2°～18°，隨雷諾數(shù)的增加而增加；在相同Re數(shù)下，背壓越高，射流錐角越大。

在高背壓（2MPa、3MPa、4MPa）條件下，噴射壓差幾乎保持著相同。而在低背壓下出現(xiàn)顯著的不同，隨著Re數(shù)的增加，噴射壓差增加的速度越來越快，并且明顯高于高背壓下的噴射壓差。這是由于噴嘴內(nèi)部流動(dòng)狀態(tài)發(fā)生了變化，產(chǎn)生了空穴流動(dòng)，空穴的產(chǎn)生促進(jìn)了射流錐角的擴(kuò)張，因此，在較低背壓情況下，空穴流動(dòng)對(duì)射流錐角的影響較大。

參考文獻(xiàn)

［1］ Lefebvre， A.H.， Atomization and sprays. 1989， New York: Taylor&Francis.

［2］ Kerst， A， B.Judat， and E.U.Schlünder，F(xiàn)low regimes of free jets and falling films at high ambient pressure. Chemical engineering science， 2000. 55（19）: p. 4189-4208.

［3］ K.S.Varde， Spray cone angle and its correlation in a highpressure fuel spray， Can. J. Chem. Eng. 63（1985）：183-187.

［4］王德忠，姜高植.應(yīng)用高速攝像技術(shù)研究柴油機(jī)的噴霧過程［J］.上海交通大學(xué)學(xué)報(bào)，2000，34（4）：453-457.

中圖分類號(hào)：TG137

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