閥芯結(jié)構(gòu)對(duì)雙流體噴霧粒子特性的影響

楊 超 陳 波 姜萬(wàn)錄 高殿榮

1.燕山大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，秦皇島，0660042.秦皇島首創(chuàng)思泰意達(dá)環(huán)?？萍加邢薰?，秦皇島，066004

閥芯結(jié)構(gòu)對(duì)雙流體噴霧粒子特性的影響

楊 超1,2陳 波1姜萬(wàn)錄1高殿榮1

1.燕山大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，秦皇島，0660042.秦皇島首創(chuàng)思泰意達(dá)環(huán)?？萍加邢薰?，秦皇島，066004

為了研究閥芯結(jié)構(gòu)對(duì)雙流體噴霧粒子特性的影響，提升噴霧效果，運(yùn)用相位多普勒粒子分析儀(PDPA)對(duì)不同閥芯結(jié)構(gòu)的雙流體噴霧霧滴粒徑、軸向速度以及霧滴數(shù)目進(jìn)行了測(cè)試，并對(duì)測(cè)量結(jié)果進(jìn)行了分析和討論。結(jié)果表明：隨著軸向距離的增大，霧滴索特平均直徑(SMD)、算術(shù)平均直徑(AMD)呈先增大后趨于平緩的趨勢(shì)，軸向速度以及湍流脈動(dòng)速度均呈減小趨勢(shì)，霧滴數(shù)目呈先增大后減小的趨勢(shì)；隨著氣液壓力比的增大，SMD呈先增大后減小的趨勢(shì)，而AMD、軸向速度以及霧滴數(shù)目均呈減小趨勢(shì)；閥芯的喉口直徑、出口直徑的減小均有利于噴霧效果的提升，但同時(shí)導(dǎo)致速度穩(wěn)定性變差；當(dāng)喉口直徑為1.5mm、出口直徑為2.5mm時(shí)，與原始閥芯結(jié)構(gòu)相比，霧滴數(shù)目和霧滴軸向速度分別增大了82.43%和22.31%，SMD和AMD分別減小了52.18%和21.47%，綜合噴霧效果得到了大幅提升。

雙流體噴霧；相位多普勒粒子分析儀；閥芯結(jié)構(gòu)；霧滴粒徑；湍流脈動(dòng)速度

0 引言

雙流體噴霧技術(shù)是通過(guò)氣體與液體在噴嘴內(nèi)部或外部混合，利用高速氣流的動(dòng)能、剪切力作用將大液滴破碎成微細(xì)的霧滴群[1]。雙流體噴嘴作為雙流體噴霧技術(shù)的載體，因具有霧滴粒徑細(xì)小、快速混合破碎、噴霧能耗較低等優(yōu)點(diǎn)，在農(nóng)業(yè)噴霧、抑塵降塵、水霧滅火、燃油霧化、煙氣凈化等領(lǐng)域得到了廣泛的關(guān)注，表現(xiàn)出廣闊的應(yīng)用前景[2-6]。雙流體噴嘴的噴霧是一個(gè)多相、動(dòng)態(tài)的復(fù)雜過(guò)程，噴霧粒子特性隨時(shí)間、空間的變化而發(fā)生改變，這些原因?qū)е缕湓趯?shí)際應(yīng)用中面臨著諸多難題，如霧滴尺寸分布不均勻、噴霧波動(dòng)大、噴霧效果難以控制等。如何定量分析噴霧粒子的空間特性是解決上述問(wèn)題的關(guān)鍵[7-8]，而先進(jìn)的電子和光學(xué)測(cè)試儀器的迅速發(fā)展促進(jìn)了人們對(duì)上述問(wèn)題的深入研究，其中，相位多普勒粒子分析儀(phase Doppler particle analyzer, PDPA)已成為噴霧粒徑、速度等特性測(cè)量的標(biāo)準(zhǔn)工具[9-10]。

目前，國(guó)外利用PDPA研究雙流體噴霧特性取得了較多的成果。KANG等[11]通過(guò)PDPA測(cè)試研究了自脈動(dòng)對(duì)噴霧方式、主破碎、噴霧角、直徑等的影響；KOURMATZIS等[12]利用PDPA技術(shù)對(duì)比分析了空氣輔助霧化下不同工質(zhì)的動(dòng)量衰減和霧滴尺寸特性，指出了霧滴破碎以及二次霧化的發(fā)生區(qū)域。國(guó)內(nèi)利用PDPA研究雙流體噴霧特性起步較晚，伊吉明等[13]利用高速攝像和PDPA技術(shù)，開(kāi)展了不同工況下的對(duì)撞式射流破碎模式及破碎速度場(chǎng)、粒度場(chǎng)分布規(guī)律的聯(lián)合測(cè)量；賈衛(wèi)東等[14-15]運(yùn)用PDPA測(cè)試系統(tǒng)對(duì)風(fēng)幕式噴桿噴霧氣液兩相流場(chǎng)以及靜電作用下霧滴的沉積性能進(jìn)行了試驗(yàn)；王銳等[16]利用PDPA開(kāi)展了不同壓力下的雙流體噴嘴噴霧試驗(yàn)，對(duì)兩相噴霧動(dòng)力學(xué)進(jìn)行了系統(tǒng)的研究。

從目前的文獻(xiàn)資料分析，國(guó)內(nèi)外對(duì)雙流體噴霧特性的研究主要集中在噴霧介質(zhì)、噴霧參數(shù)以及荷電噴霧等方面，關(guān)于雙流體噴嘴關(guān)鍵結(jié)構(gòu)對(duì)噴霧粒子特性影響的研究較少。而閥芯結(jié)構(gòu)是雙流體噴嘴的核心部件之一，了解其對(duì)噴霧粒子特性的影響，對(duì)提升噴霧效果具有重要意義。因此，筆者借助先進(jìn)的PDPA測(cè)試系統(tǒng)，開(kāi)展了不同閥芯結(jié)構(gòu)下雙流體噴霧霧滴粒徑、軸向速度以及數(shù)目的試驗(yàn)研究，為雙流體噴嘴的理論研究和實(shí)際應(yīng)用提供指導(dǎo)。

1 試驗(yàn)裝置及方法

1.1 試驗(yàn)裝置

本文通過(guò)自主搭建的一套基于PDPA的開(kāi)放式噴霧試驗(yàn)裝置，對(duì)雙流體噴霧流場(chǎng)進(jìn)行測(cè)量，試驗(yàn)裝置主要由PDPA測(cè)量系統(tǒng)和雙流體噴霧系統(tǒng)組成，所采用的PDPA測(cè)量系統(tǒng)為丹麥Dantec公司生產(chǎn)。圖1為開(kāi)放式噴霧試驗(yàn)裝置原理圖。

圖1 噴霧試驗(yàn)裝置原理圖Fig.1 Principle diagram of spray experimental bench

PDPA測(cè)量系統(tǒng)由氬離子激光器、分光器、發(fā)射探頭、接收探頭、光電轉(zhuǎn)換器、處理器、計(jì)算機(jī)和三維位移系統(tǒng)等組成。其中，激光器為6 W的水冷氬離子激光器，激光器發(fā)出的激光經(jīng)過(guò)分光器后分成三種不同波長(zhǎng)(綠光514.5 nm、藍(lán)光488.0 nm、紫光476.5 nm)的6束激光從發(fā)射探頭(直徑112 mm、焦距310 mm)射出；接收探頭采用直徑112 mm、焦距500 mm的HiDense探頭，發(fā)射探頭與接收探頭軸線間的夾角設(shè)定為73°，處理器的型號(hào)為BSA P80，其他技術(shù)參數(shù)如表1所示。

表1 噴霧試驗(yàn)裝置的主要技術(shù)參數(shù)

雙流體噴霧系統(tǒng)由水泵、空氣壓縮機(jī)、儲(chǔ)水箱、減壓閥、蓄能器、流量計(jì)、壓力表、雙流體霧化噴嘴等組成。利用空氣壓縮機(jī)和水泵向系統(tǒng)提供動(dòng)力，通過(guò)減壓閥控制管路中的壓力，由流量計(jì)、壓力表對(duì)管路中的工況參數(shù)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，雙流體霧化噴嘴與水氣分配固定座連接，氣體管路和水管路分別連接水氣分配固定座的兩側(cè)，使壓縮空氣和水進(jìn)入噴嘴。噴霧試驗(yàn)裝置如圖2所示。

圖2 噴霧試驗(yàn)裝置Fig.2 Experimental equipment of spray

1.2 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)時(shí)首先調(diào)節(jié)好所需工況參數(shù)，然后開(kāi)啟水泵和空氣壓縮機(jī)，雙流體噴嘴開(kāi)始噴霧，同時(shí)開(kāi)始計(jì)時(shí)，待5 s后噴霧流場(chǎng)穩(wěn)定，開(kāi)啟數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，系統(tǒng)自動(dòng)記錄采集數(shù)據(jù)并進(jìn)行處理。為確保測(cè)量數(shù)據(jù)的精度，每一個(gè)測(cè)點(diǎn)均連續(xù)采集三次并取平均值。試驗(yàn)設(shè)定采集有效時(shí)間為30 s，試驗(yàn)中的環(huán)境溫度為常溫，相對(duì)濕度范圍為60%～65%。

試驗(yàn)主要以雙流體噴嘴內(nèi)的閥芯結(jié)構(gòu)為對(duì)象，研究不同閥芯結(jié)構(gòu)對(duì)雙流體噴霧粒子特性(霧滴粒徑、霧滴軸向速度以及霧滴數(shù)目等)的影響，閥芯結(jié)構(gòu)如圖3所示。其中，喉口直徑d1和出口直徑d2是閥芯結(jié)構(gòu)的重要參數(shù)，對(duì)閥芯內(nèi)部流場(chǎng)具有重大影響[17-19]，本文在原始閥芯結(jié)構(gòu)(d1=1.5 mm，d2=3.5 mm)的基礎(chǔ)上，采用了5種不同結(jié)構(gòu)參數(shù)的閥芯進(jìn)行對(duì)比研究，具體結(jié)構(gòu)參數(shù)如表2所示。

(a)幾何結(jié)構(gòu)示意圖 (b) 實(shí)物圖圖3 閥芯結(jié)構(gòu)Fig.3 Structure of spool

表2 閥芯結(jié)構(gòu)幾何參數(shù)

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 閥芯結(jié)構(gòu)對(duì)雙流體噴霧粒徑的影響

2.1.1 霧滴粒徑軸向分布特性

軸向分布特性能反映霧滴在前進(jìn)過(guò)程中的變化情況，對(duì)研究霧滴空間動(dòng)態(tài)變化具有重要意義，不同閥芯結(jié)構(gòu)對(duì)霧滴粒徑軸向分布的影響如圖4所示。其中，軸向距離s表示沿噴嘴中心軸線方向上的測(cè)點(diǎn)距離噴嘴出口的長(zhǎng)度，軸向距離范圍為50～500 mm，每個(gè)測(cè)點(diǎn)的間隔為50 mm。霧滴粒徑主要包括霧滴的索特平均直徑(Sauter mean diameter，SMD)dSMD和算術(shù)平均直徑(arithmetic mean diameter，AMD)dAMD，對(duì)應(yīng)的噴霧氣壓為0.5 MPa、水壓為0.15 MPa。

由圖4可知，隨著軸向距離的增大，SMD、AMD均表現(xiàn)出逐漸變大后趨于平緩的趨勢(shì)，出現(xiàn)這一現(xiàn)象的主要原因是，隨著噴霧距離的增大，霧滴在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中同時(shí)發(fā)生著傳熱、傳質(zhì)現(xiàn)象，霧滴之間的碰撞合并、凝聚導(dǎo)致了SMD、AMD的增大，表現(xiàn)出粒徑增大的現(xiàn)象。軸向距離在0～150 mm范圍內(nèi)時(shí)，SMD、AMD變化規(guī)律與此軸向距離范圍外的變化規(guī)律不統(tǒng)一，其原因主要是，在靠近噴嘴附近，兩相流場(chǎng)湍流極其劇烈，此軸向距離內(nèi)霧滴的霧化現(xiàn)象占主導(dǎo)地位，霧滴主要以破碎、分裂為主，而與此同時(shí)發(fā)生的傳熱、傳質(zhì)現(xiàn)象的影響較弱。而軸向距離在300 mm之后，霧滴之間的傳熱、傳質(zhì)現(xiàn)象達(dá)到了一個(gè)相對(duì)穩(wěn)定的狀態(tài)，此時(shí)SMD、AMD變化緩慢，故表現(xiàn)出趨于平緩的趨勢(shì)。

(a)索特平均直徑分布特性

(b)算術(shù)平均直徑分布特性圖4 不同閥芯結(jié)構(gòu)下霧滴粒徑軸向分布特性Fig.4 Axial distribution of droplet diameter at different spool structure

分別對(duì)出口直徑為3.5mm，喉口直徑為1.2mm、1.5mm、1.8mm的1、2、3號(hào)閥芯結(jié)構(gòu)以及喉口直徑為1.5mm，出口直徑為2.5mm、3.5mm、4.5mm的4、2、5號(hào)閥芯結(jié)構(gòu)進(jìn)行對(duì)比分析。由圖4中的1、2、3號(hào)閥芯結(jié)構(gòu)可知，出口直徑一定(d2=3.5 mm)時(shí)，隨著喉口直徑的增大(d1為1.2mm、1.5mm、1.8 mm)，SMD、AMD均呈增大趨勢(shì)；同時(shí)分析5、2、4號(hào)閥芯結(jié)構(gòu)可知，喉口直徑一定(d1=1.5 mm)時(shí)，隨著出口直徑的減小(d2為4.5mm、3.5mm、2.5 mm)，SMD、AMD均呈減小趨勢(shì)。另外，在圖4a中，2、5號(hào)閥芯結(jié)構(gòu)的SMD在軸向距離150～300 mm處出現(xiàn)了交叉，其原因是此區(qū)域霧化較劇烈，容易引起測(cè)量數(shù)據(jù)波動(dòng)，但整體趨勢(shì)并未受到影響。d1或d2的減小均引起SMD、AMD的減小，表明在此范圍內(nèi)，喉口直徑或出口直徑的減小，均有利于噴霧效果的提升。這是因?yàn)楹砜谥睆胶统隹谥睆脚c氣流通道直接相關(guān)，當(dāng)噴霧的氣體流量一定時(shí)，直徑的減小引起了閥芯結(jié)構(gòu)內(nèi)部氣流速度的增大，雙流體的動(dòng)能得到了提高，有利于霧滴的破碎以及噴霧效果的提升。圖4中還出現(xiàn)了相同閥芯結(jié)構(gòu)(1、2、3、4號(hào)閥芯)的SMD和AMD之間差距較大的現(xiàn)象，此現(xiàn)象主要是由于霧滴的粒徑分布范圍較廣，AMD隨著大粒徑霧滴的增多變化不大，但SMD會(huì)隨著大粒徑霧滴的增多而明顯增大[20]，軸向距離在0～150 mm時(shí)，AMD呈較大幅度的減小，表明此時(shí)的霧化作用劇烈，大霧滴大量地破碎、分裂成小霧滴，進(jìn)一步說(shuō)明此區(qū)域?yàn)殪F化作用的核心發(fā)生區(qū)。4號(hào)閥芯結(jié)構(gòu)的SMD與AMD之間的差距最小，由此可知此閥芯結(jié)構(gòu)較其他閥芯結(jié)構(gòu)所產(chǎn)生的霧滴粒徑分布更均勻，噴霧效果更好。

2.1.2 霧滴粒徑隨氣液壓力比變化規(guī)律

不同閥芯結(jié)構(gòu)下氣液壓力比n對(duì)霧滴粒徑的影響如圖5所示，其中氣液壓力比指氣壓與水壓的比值，氣壓變化范圍為0.2～0.6 MPa，水壓變化范圍為0～0.3 MPa，取軸向距離400 mm為測(cè)試截面。

(a)索特平均直徑變化規(guī)律

(b)算術(shù)平均直徑變化規(guī)律圖5 不同閥芯結(jié)構(gòu)下氣液壓力比對(duì)霧滴粒徑的影響Fig.5 Effect of air-water pressure ratio on droplet diameter at different spool structure

由圖5可知，隨著氣液壓力比n的增大，SMD總體上呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì)，且當(dāng)n為5～7時(shí)，SMD的下降幅度增大，n為7～8時(shí)，SMD下降幅度減緩，SMD值趨于穩(wěn)定。AMD隨著氣液壓力比的增大總體呈現(xiàn)減小趨勢(shì)，當(dāng)n為0～1時(shí)，AMD下降幅度較大，這與SMD的變化規(guī)律相反，由前面分析可知，AMD對(duì)大粒徑霧滴的變化并不敏感，而SMD能較好地反映大粒徑霧滴的變化情況，此現(xiàn)象表明當(dāng)氣液壓力比較小時(shí)，其值的增大對(duì)小霧滴的破碎具有積極作用，而對(duì)大霧滴的破碎影響較小。隨著氣液壓力比的進(jìn)一步增大，SMD開(kāi)始顯著減小，尤其是當(dāng)n≥5后，SMD和AMD的減小幅度均變大，此現(xiàn)象表明較大的氣液壓力比對(duì)大霧滴和小霧滴的破碎均具有積極作用，尤其是對(duì)大霧滴的破碎效果更加明顯。當(dāng)n達(dá)到7以上時(shí)，SMD和AMD變化緩慢，表明此條件下，氣液壓力比的增大對(duì)破碎的影響較弱，對(duì)噴霧效果的提升不明顯。

在不同氣液壓力比下，分別對(duì)1、2、3號(hào)閥芯結(jié)構(gòu)以及4、2、5號(hào)閥芯結(jié)構(gòu)進(jìn)行對(duì)比分析。當(dāng)出口直徑一定時(shí)，隨著喉口直徑的增大，SMD、AMD均呈增大趨勢(shì)；當(dāng)喉口直徑一定時(shí)，隨著出口直徑的減小，SMD、AMD均呈減小的趨勢(shì)，此規(guī)律與2.1.1節(jié)所述的規(guī)律類似，表明在此氣液壓力比的范圍內(nèi)，喉口直徑或出口直徑的減小，均有利于噴霧效果的提升。同時(shí)圖5也體現(xiàn)出了相同閥芯結(jié)構(gòu)(1～5號(hào)閥芯)的SMD和AMD之間差距較大；而當(dāng)n>7時(shí)，4號(hào)閥芯結(jié)構(gòu)的SMD與AMD之間的差距最小，表明此閥芯結(jié)構(gòu)在n>7時(shí)具有良好的霧化性能，所產(chǎn)生的霧滴粒徑分布更均勻，噴霧效果更好。

2.2 閥芯結(jié)構(gòu)對(duì)雙流體噴霧軸向速度的影響

2.2.1 霧滴速度軸向分布特性

不同閥芯結(jié)構(gòu)對(duì)霧滴軸向速度分布的影響如圖6所示，對(duì)應(yīng)的噴霧氣壓為0.5 MPa、水壓為0.15 MPa。其中，定義霧滴軸向的平均平方脈動(dòng)速度為霧滴的軸向湍流脈動(dòng)速度，其表達(dá)式為[21]

(1)

(a)軸向速度

(b)湍流脈動(dòng)速度圖6 不同閥芯結(jié)構(gòu)下霧滴速度軸向分布特性Fig.6 Axial distribution of droplet velocity at different spool structure

由圖6可知，隨著軸向距離的增大，霧滴的軸向速度以及湍流脈動(dòng)速度均表現(xiàn)出了明顯減小的趨勢(shì)。由圖6a可知，自噴嘴出口到軸向距離350mm的范圍內(nèi)，霧滴的軸向速度迅速衰減，其中1號(hào)閥芯結(jié)構(gòu)衰減最快，5號(hào)閥芯結(jié)構(gòu)衰減最慢，軸向速度分別衰減56.4%、32.1%，而當(dāng)軸向距離大于350mm時(shí)，霧滴的速度趨于穩(wěn)定。霧滴運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，其能量的損耗由多方面造成，包括與空氣的摩擦、霧滴的碰撞、破碎、黏滯以及湍流的擾動(dòng)等，這些因素均對(duì)霧滴的速度有較大影響，當(dāng)其達(dá)到一個(gè)相對(duì)穩(wěn)定的動(dòng)態(tài)平衡時(shí)，霧滴的速度便趨于穩(wěn)定。結(jié)合上節(jié)分析可知，在軸向距離350mm后，SMD、AMD也趨于穩(wěn)定，因此可以認(rèn)為霧化階段主要發(fā)生在軸向距離350mm之前，在此距離時(shí)，霧滴已基本完成了破碎過(guò)程。分析圖6b可知，距離噴嘴越近，其湍流脈動(dòng)速度越大，也即噴霧波動(dòng)越大，隨著軸向距離的增大，湍流脈動(dòng)速度逐漸減小。結(jié)合軸向速度分析可知，霧滴速度越大，其湍流脈動(dòng)速度也越大，兩者變化趨勢(shì)較一致，當(dāng)軸向速度逐漸減小至基本不變時(shí)，湍流脈動(dòng)速度的變化也趨于穩(wěn)定，此現(xiàn)象也再一次驗(yàn)證了霧滴已完成了破碎過(guò)程。

由圖6還可以看出，單一變量時(shí)，隨著出口直徑、喉口直徑的增大，霧滴的軸向速度和湍流脈動(dòng)速度均呈減小趨勢(shì)，其中，在靠近噴嘴附近(軸向距離小于150mm)，軸向速度和湍流脈動(dòng)速度最大的是1號(hào)閥芯結(jié)構(gòu)，最小的是5號(hào)閥芯結(jié)構(gòu)；而在遠(yuǎn)離噴嘴區(qū)域(軸向距離大于350mm)，軸向速度和湍流脈動(dòng)速度最大的是4號(hào)閥芯結(jié)構(gòu)，最小的是3號(hào)閥芯結(jié)構(gòu)，在1～5號(hào)閥芯結(jié)構(gòu)中，5號(hào)的湍流脈動(dòng)速度最低，表明其噴霧的速度穩(wěn)定性較其他結(jié)構(gòu)好。

2.2.2 霧滴速度隨氣液壓力比變化規(guī)律

不同閥芯結(jié)構(gòu)下氣液壓力比n對(duì)霧滴速度的影響如圖7所示，其中氣壓變化范圍為0.2～0.6 MPa、水壓變化范圍為0～0.3 MPa，取軸向距離400 mm為測(cè)試截面。

(a)軸向速度

(b)湍流脈動(dòng)速度圖7 不同閥芯結(jié)構(gòu)下氣液壓力比對(duì)霧滴速度的影響Fig.7 Effect of air-water pressure ratio on droplet velocity at different spool structure

由圖7a可知，霧滴的軸向速度隨著氣液壓力比的增大而減小，當(dāng)n小于1.5時(shí)，下降幅度較慢；當(dāng)n處在1.5～6范圍內(nèi)時(shí)，下降幅度變快；而當(dāng)n大于6時(shí)，霧滴的軸向速度變化緩慢而趨于穩(wěn)定。由圖7b可看出，氣液壓力比對(duì)霧滴湍流脈動(dòng)速度的影響并不大，隨著氣液壓力比的增大，湍流脈動(dòng)速度呈現(xiàn)出了較小的波動(dòng)，總體變化較小，此現(xiàn)象表明霧滴湍流脈動(dòng)速度受氣液壓力比的影響并不大，但軸向速度卻受到顯著影響。

出口直徑與喉口直徑對(duì)霧滴軸向速度的影響與前述類似，同樣表現(xiàn)出了隨著出口直徑、喉口直徑的增大，霧滴軸向速度減小的現(xiàn)象。其中軸向速度下降幅度最大和最小的分別為5號(hào)結(jié)構(gòu)和4號(hào)結(jié)構(gòu)，其降幅分別為47.0%和27.9%；湍流脈動(dòng)速度最大和最小的分別為1號(hào)結(jié)構(gòu)和5號(hào)結(jié)構(gòu)，5號(hào)結(jié)構(gòu)的湍流脈動(dòng)速度平均值較1號(hào)結(jié)構(gòu)小51.9%。在1～5號(hào)閥芯結(jié)構(gòu)中，5號(hào)結(jié)構(gòu)的速度穩(wěn)定性最好，1號(hào)結(jié)構(gòu)的速度穩(wěn)定性最差。

2.3 閥芯結(jié)構(gòu)對(duì)雙流體噴霧霧滴數(shù)目的影響

2.3.1 霧滴數(shù)目軸向分布特性

不同閥芯結(jié)構(gòu)對(duì)霧滴數(shù)目軸向分布的影響如圖8所示，試驗(yàn)中所采用的噴霧氣壓和水壓分別為0.5 MPa、0.15 MPa，霧滴數(shù)目為采樣時(shí)間內(nèi)通過(guò)采樣點(diǎn)的霧滴顆粒個(gè)數(shù)。

圖8 不同閥芯結(jié)構(gòu)下霧滴數(shù)目軸向分布特性Fig.8 Axial distribution of droplet numbers at different spool structure

由圖8可知，霧滴數(shù)目隨著軸向距離的增大，表現(xiàn)出先增大后減小最后趨于穩(wěn)定的變化規(guī)律，當(dāng)軸向距離在0～150 mm范圍內(nèi)時(shí)，霧滴數(shù)目大幅增加，表明此范圍為霧化的重要發(fā)生區(qū)，霧滴不斷地破碎、分裂成更小的霧滴導(dǎo)致霧滴數(shù)目增大，此現(xiàn)象與上文分析霧滴軸向分布特性所得出的結(jié)論相吻合。當(dāng)軸向距離在150～350 mm范圍內(nèi)時(shí)，霧滴數(shù)目出現(xiàn)了大幅的減少，而上文分析霧滴粒徑軸向分布特性時(shí)，在此軸向距離范圍內(nèi)，SMD、AMD隨著軸向距離的增大而增大。其原因是霧滴在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中同時(shí)發(fā)生著傳熱、傳質(zhì)現(xiàn)象，霧滴之間的碰撞合并、凝聚導(dǎo)致了SMD、AMD的增大，也正是由于此原因?qū)е铝遂F滴數(shù)目的大幅度減小，而在350 mm之后，霧滴之間的傳熱、傳質(zhì)現(xiàn)象達(dá)到了一個(gè)較穩(wěn)定的狀態(tài)，此時(shí)霧滴數(shù)目變化緩慢而趨于穩(wěn)定。圖8所反映出的現(xiàn)象與圖4反映出的現(xiàn)象相吻合，也驗(yàn)證了試驗(yàn)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性以及分析的合理性。

2.3.2 霧滴數(shù)目隨氣液壓力比變化規(guī)律

氣液壓力比n對(duì)霧滴數(shù)目的影響如圖9所示，其中氣壓變化范圍為0.2～0.6 MPa、水壓變化范圍為0～0.3 MPa，取軸向距離400 mm為測(cè)試截面。

圖9 不同閥芯結(jié)構(gòu)下氣液壓力比對(duì)霧滴數(shù)目的影響Fig.9 Effect of air-water pressure ratio on droplet numbers at different spool structure

由圖9可知，氣液壓力比對(duì)霧滴數(shù)目有顯著的影響，隨著氣液壓力比的增大，霧滴數(shù)目呈現(xiàn)出明顯減小的趨勢(shì)。當(dāng)n在1～6區(qū)間內(nèi)時(shí)，霧滴的數(shù)目出現(xiàn)了大幅度的下降，其中下降幅度最大的為4號(hào)閥芯結(jié)構(gòu)，降幅高達(dá)88.2%；而n在0～1以及6～8區(qū)間內(nèi)時(shí)，霧滴數(shù)目較穩(wěn)定。在所研究的整個(gè)氣液壓力比范圍內(nèi)，以3號(hào)閥芯結(jié)構(gòu)的霧滴數(shù)目最為穩(wěn)定，變化幅度最大為31.7%；而4號(hào)結(jié)構(gòu)的霧滴數(shù)目雖然在較小氣液壓力比下能達(dá)到8000個(gè)以上，但整個(gè)區(qū)間內(nèi)的變化幅度過(guò)大，表明氣液壓力比的變化對(duì)3號(hào)閥芯結(jié)構(gòu)的霧滴數(shù)目影響較小而對(duì)4號(hào)結(jié)構(gòu)的影響較大。雖然較高的氣液壓力比對(duì)減小霧滴粒徑具有積極作用，但同時(shí)也會(huì)導(dǎo)致霧滴數(shù)目減小，因此，在考慮噴霧效果的時(shí)候需要綜合兩者進(jìn)行分析以確定合適的氣液壓力比。

2.4 噴霧粒子特性綜合對(duì)比分析

通過(guò)上述分析可知，閥芯結(jié)構(gòu)的變化對(duì)雙流體噴霧粒子特性有重大影響，對(duì)比不同閥芯結(jié)構(gòu)噴霧的粒徑、軸向速度、霧滴數(shù)目發(fā)現(xiàn)，4號(hào)閥芯結(jié)構(gòu)的綜合粒子特性較好。由于氣液壓力比n大于7時(shí)，霧滴的粒徑、軸向速度、數(shù)目均處于穩(wěn)定狀態(tài)，故以n為7、軸向距離為400 mm的測(cè)試截面為例，對(duì)2號(hào)和4號(hào)閥芯結(jié)構(gòu)的噴霧粒子特性進(jìn)行綜合對(duì)比分析，結(jié)果如表3所示。

表3 粒子特性綜合對(duì)比

由表3可知，與2號(hào)閥芯結(jié)構(gòu)相比，4號(hào)閥芯結(jié)構(gòu)噴霧的霧滴數(shù)目更多、霧滴速度更大，同時(shí)霧滴粒徑更小且更均勻。霧滴數(shù)目和霧滴軸向速度分別增加了82.43%和22.31%，SMD和AMD分別減小了52.18%和21.47%，粒子綜合特性得到了大幅提升。

3 結(jié)論

(1)隨著軸向距離的增大，SMD、AMD呈現(xiàn)先增大后趨于平緩的趨勢(shì)，霧滴的軸向速度以及湍流脈動(dòng)速度均呈減小趨勢(shì)，霧滴數(shù)目呈現(xiàn)先增大后減小最后趨于穩(wěn)定的趨勢(shì)。

(2)隨著氣液壓力比的增大，SMD呈先增大后減小的趨勢(shì)，AMD、軸向速度以及霧滴數(shù)目呈減小趨勢(shì)，而湍流脈動(dòng)速度所受影響較小。

(3)喉口直徑、出口直徑的減小有利于SMD、AMD的減小以及霧滴軸向速度的增大，噴霧效果得以提升，但同時(shí)導(dǎo)致了湍流脈動(dòng)速度增大，速度穩(wěn)定性變差。

(4)在所研究的閥芯結(jié)構(gòu)中，當(dāng)喉口直徑為1.5 mm、出口直徑為2.5 mm時(shí)，閥芯結(jié)構(gòu)綜合粒子特性最好，與原始閥芯結(jié)構(gòu)相比，霧滴數(shù)目和霧滴軸向速度分別增加了82.43%和22.31%，SMD和AMD分別減小了52.18%和21.47%，綜合噴霧效果得到了大幅提升。

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(編輯 蘇衛(wèi)國(guó))

Effects of Spool Structure on Droplet Characteristics of Two-fluid Spray

YANG Chao1,2CHEN Bo1JIANG Wanlu1GAO Dianrong1

1.College of Mechanical Engineering,Yanshan University,Qinhuangdao,Hebei,066004 2.Qinhuangdao Capital Starlight Environmental Technology Co.,Ltd.,Qinhuangdao,Hebei,066004

In order to study the effects of spool structure on droplet characteristics of two-fluid spray and improve the spray effects, the droplet diameters, droplet axial velocities and droplet numbers of two-fluid spray under different spool structures were measured with phase Doppler particle analyzer(PDPA). According to the test results, the droplet characteristics were analyzed and discussed systematically. The test results indicate that spool structures have a great influence on droplet characteristics. With the axial distance increase, the Sauter mean diameter(SMD) and the arithmetic mean diameter(AMD) of droplet increase first and then remain constant, the droplet axial velocity and turbulent fluctuation velocity decrease, the droplet numbers increase first and then decrease. With the air-water pressure ratio increase, SMD increases first and then decreases, but AMD, droplet axial velocity and droplet numbers decrease. Moreover, the decrease of throat diameter and outlet diameter of spool structure are benefit for improving the spray effectiveness, but it is disadvantage to the stability of speed. It has a good spray effectiveness when the throat diametera is as 1.5 mm and the spool outlet diameter is as 2.5 mm. Compared with the original spool structure， the droplet numbers and droplet axial velocity increase by 82.43% and 22.31%, the SMD and AMD decrease by 52.18% and 21.47% respectively, the comprehensive spray effectiveness has a great improvement.

two-fluid spray； phase Doppler particle analyzer； spool structure； droplet diameter； turbulent fluctuation velocity

2016-08-31

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51375421,51475405)；國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃資助項(xiàng)目(2016YFC0206000)；河北省研究生創(chuàng)新項(xiàng)目(2016SJBS008)

TH136；S491DOI：10.3969/j.issn.1004-132X.2017.06.005

楊 超，男，1980年生。燕山大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院博士研究生。主要研究方向?yàn)榱黧w傳動(dòng)與控制。陳 波，男，1990年生。燕山大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院博士研究生。E-mail:flygo230@163.com。姜萬(wàn)錄(通信作者)，男，1964年生。燕山大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院教授、博士研究生導(dǎo)師。E-mail: wljiang@ysu.edu.cn。高殿榮，男，1962年生。燕山大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院教授、博士研究生導(dǎo)師。