噴孔結(jié)構(gòu)對(duì)雙旋流氣泡霧化噴嘴噴霧特性的影響

裴 娜 ，楊 華 ，劉聯(lián)勝 ，張海洋 ，王 越 ，解 珺 ，田 亮 ，段潤(rùn)澤

（1.河北工業(yè)大學(xué) 能源與環(huán)境學(xué)院，天津 300401；2.華北理工大學(xué) 輕工學(xué)院，河北唐山 063000；3.河北省熱科學(xué)與能源清潔利用技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300401；4.中國(guó)人民解放軍63837部隊(duì)，四川綿陽(yáng) 621000）

0 引言

氣泡霧化噴嘴是一種氣液在內(nèi)部混合的兩相流噴嘴［1］，通過(guò)噴嘴內(nèi)外壓差使氣泡在流出噴孔前后經(jīng)歷變形、膨脹、破碎等過(guò)程，進(jìn)而加速液體射流的破碎，從而使霧化顆粒平均直徑大幅減?。?］。氣液比、氣相壓力和液相壓力等工作參數(shù)對(duì)內(nèi)混式氣泡霧化噴嘴霧化特性有很大的影響［3-9］，隨著氣壓、氣液比的增加，噴嘴的霧化粒徑減小，且氣壓為主要影響因素；隨著液相壓力的增大，霧化粒徑增大；液體黏度和表面張力對(duì)粒徑影響也很大。

氣泡霧化噴嘴是一種典型的內(nèi)混式噴嘴，氣液兩相流體在噴嘴混合室內(nèi)形成氣液兩相流，如何強(qiáng)化氣、液兩相流體之間的動(dòng)量能量交換，是噴嘴結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。文獻(xiàn)［10-12］重點(diǎn)研究了噴嘴混合室結(jié)構(gòu)特征對(duì)噴嘴霧化特性的影響研究表明，混合室的結(jié)構(gòu)、氣孔的數(shù)量與孔徑、水孔的孔徑、出霧口形式等均對(duì)兩相流噴嘴的霧化性能有很大的影響，文獻(xiàn)中采用的噴嘴從兩側(cè)注水和注氣，氣液兩相流體之間是環(huán)狀射流。若垂直注氣則為交叉射流，氣液兩相以交叉射流方式完成混合后，兩相之間仍存在交叉的滑移速度；為了實(shí)現(xiàn)氣液兩相形成均相流動(dòng)，文獻(xiàn)［13-14］通過(guò)組織噴嘴內(nèi)部氣相旋流流動(dòng)來(lái)強(qiáng)化兩相混合，使噴霧顆粒平均直徑降低至30 μm以下。

噴孔結(jié)構(gòu)也是影響噴嘴霧化質(zhì)量的主要參數(shù)之一，文獻(xiàn)［15］以壓力霧化噴嘴為研究對(duì)象對(duì)比研究了圓形孔口、錐形孔口、異形孔口和雙異形孔口對(duì)噴嘴噴霧特性的影響，發(fā)現(xiàn)錐形孔和異形孔的霧化顆粒平均直徑更小。文獻(xiàn)［16］則分析了不同噴孔結(jié)構(gòu)對(duì)氣泡霧化噴嘴壓降和流量系數(shù)的影響，研究結(jié)果表明異形孔的流量系數(shù)最高，圓柱孔的流量系數(shù)最小。但是該文未討論噴孔形狀對(duì)氣泡霧化噴嘴霧化特性的影響。

本文以一種氣液兩相交叉射流與旋流相耦合、具有兩級(jí)混合室結(jié)構(gòu)的氣泡霧化噴嘴為研究對(duì)象，對(duì)其噴霧特性開展研究工作，重點(diǎn)探討異形噴孔（包括方形、橢圓形）對(duì)噴霧質(zhì)量的影響規(guī)律。

1 試驗(yàn)系統(tǒng)

1.1 試驗(yàn)系統(tǒng)

圖1示出氣泡霧化的試驗(yàn)系統(tǒng)，試驗(yàn)系統(tǒng)分為供氣系統(tǒng)和供水系統(tǒng)。供氣系統(tǒng)由空氣壓縮機(jī)產(chǎn)生的壓縮空氣進(jìn)入儲(chǔ)氣罐，通過(guò)氣體調(diào)節(jié)閥控制氣壓和進(jìn)氣量；供水系統(tǒng)是壓縮空氣將儲(chǔ)液罐內(nèi)的水壓縮到管道中，通過(guò)液體調(diào)節(jié)閥調(diào)節(jié)水的流量。氣體和水進(jìn)入氣泡霧化噴嘴后，在混合室內(nèi)形成氣液兩相流，然后經(jīng)噴口噴出。采用馬爾文激光粒度分析儀對(duì)氣泡霧化噴嘴的顆粒直徑進(jìn)行了診斷分析。測(cè)量過(guò)程中，噴嘴保持垂直向下噴射。試驗(yàn)中液相工質(zhì)為去離子水；測(cè)量位置設(shè)置在距噴嘴出口150 mm的噴霧主流中心線處。噴嘴流量特性的調(diào)節(jié)方法為控制氣體壓力保持一定，通過(guò)調(diào)節(jié)液體流量來(lái)獲得不同氣液比下的液體質(zhì)量流量值，得到流量特性曲線。研究中利用馬爾文激光粒度分析儀和激光顆粒動(dòng)態(tài)分析儀（PDI）對(duì)氣泡霧化噴嘴的噴霧特性進(jìn)行了診斷分析。

圖1 試驗(yàn)系統(tǒng)Fig.1 The experimental system

1.2 噴嘴結(jié)構(gòu)

本文采用的雙旋流氣泡霧化噴嘴由內(nèi)部構(gòu)件和外部構(gòu)件組成，內(nèi)部構(gòu)件為內(nèi)芯，外部構(gòu)件為外殼和噴頭，內(nèi)外構(gòu)件采用螺紋連接，內(nèi)、外構(gòu)件所形成的封閉空間構(gòu)成噴嘴的混合室，不同噴頭的封閉端中心位置開有不同形狀的噴孔。進(jìn)氣孔位于噴嘴頂部，進(jìn)液孔位于噴嘴側(cè)部，氣液兩相流體在一級(jí)混合室完成混合后，經(jīng)旋流槽進(jìn)入二級(jí)混合室內(nèi)，最后從噴頭噴口射出。噴嘴的材料為黃銅，其耐腐防銹性能好。該噴嘴在保留氣液兩相旋流混合的基礎(chǔ)上，采用了兩級(jí)混合室結(jié)構(gòu)。這樣可進(jìn)一步強(qiáng)化氣液兩相之間的動(dòng)量交換，有助于形成均勻穩(wěn)定的泡狀流型。

為了獲得良好的霧化效果，對(duì)噴嘴出口孔型進(jìn)行了改進(jìn)，在圓形孔的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了橢圓形孔噴嘴和正方形孔噴嘴，其中圓形孔噴嘴的直徑分別為1.0 mm，正方形孔邊長(zhǎng)為1.0 mm，橢圓形孔長(zhǎng)軸為1.2 mm、短軸為1.0 mm。噴孔形狀如圖2所示，試驗(yàn)所用噴嘴參數(shù)見表1。噴嘴結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖2 噴孔形狀Fig.2 Atomizer orifice shape

圖3 噴嘴結(jié)構(gòu)和出口示意Fig.3 Schematic diagram of atomizer structure and outlet

表1 試驗(yàn)所用噴嘴參數(shù)Tab.1 Parameter of the atomizers

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 噴孔結(jié)構(gòu)對(duì)流量特性的影響

圖4示出氣相和液相壓力為0.5 MPa時(shí)噴孔結(jié)構(gòu)對(duì)流量特性的影響。為了使測(cè)試噴嘴的噴孔長(zhǎng)度均為2 mm，圓形孔的出口截面積與橢圓形孔和正方形孔的出口截面積相差較大，因此本文引入噴嘴出口單位面積下的質(zhì)量流量進(jìn)行分析。從圖中可以看出，不同噴孔結(jié)構(gòu)的噴嘴的流量特性曲線具有相同的趨勢(shì)，相同壓力下，隨著氣液質(zhì)量流量比（ALR）的增大，噴嘴出口單位面積下噴霧流量呈現(xiàn)逐漸減小的趨勢(shì)。原因在于，隨著ALR增大，出口截面的含氣率越來(lái)越大、液體流通截面積越來(lái)越小，流量系數(shù)逐漸減小，最終導(dǎo)致噴霧流量降低。相同ALR時(shí)，異形孔噴嘴的流量增大，噴嘴S的流量最大。當(dāng)ALR較小時(shí)，異形孔的流量明顯大于圓形孔噴嘴，隨著ALR的增加，流量的增加幅度變小，噴嘴E的流量趨近于噴嘴C，但是單位面積下噴嘴S的流量仍明顯高于噴嘴C和噴嘴E。

圖4 噴孔結(jié)構(gòu)對(duì)流量特性的影響Fig.4 Effect of orifice structure on flow characteristics

2.2 噴孔結(jié)構(gòu)對(duì)索特爾平均直徑的影響

圖5示出不同壓力下，噴孔結(jié)構(gòu)對(duì)索特爾平均直徑（SMD）的影響。

圖5 噴孔結(jié)構(gòu)對(duì)索特爾平均直徑的影響Fig.5 Effect of orifice structure on Salter mean diameter

氣相和液相壓力分別為0.4，0.5和0.6 MPa，氣液質(zhì)量流量比分別為0.13，0.16和0.19。從圖中可以看出，3種不同形狀噴孔的噴嘴均可取得良好的霧化效果，但是異形噴孔的粒徑更小。相對(duì)與典型的圓形孔結(jié)構(gòu)而言，橢圓形孔和正方形孔結(jié)構(gòu)具有更加優(yōu)良的霧化質(zhì)量，當(dāng)P=0.5 MPa，ALR=0.16時(shí)，其D32降幅分別為28.2%，35.8%。在相同壓力下，正方形孔的噴嘴的粒徑最小。說(shuō)明異形噴孔的擾動(dòng)強(qiáng)，在噴嘴出口下游，微小氣泡急速膨脹和破碎所導(dǎo)致的二次霧化現(xiàn)象使得噴嘴的粒徑更小。而影響氣泡破碎的主要因素包括氣泡內(nèi)外壓差、氣泡尺度、表面張力系數(shù)、運(yùn)動(dòng)速度和外部擾動(dòng)等等，在相同噴嘴內(nèi)部結(jié)構(gòu)和工作條件下，3種噴孔形狀所產(chǎn)生的氣泡，其內(nèi)外壓差、尺度和運(yùn)動(dòng)速度相差不大，但是，相對(duì)于圓形孔和橢圓形孔，正方形孔可以產(chǎn)生更加劇烈的局部擾動(dòng)，這將有助于促進(jìn)微小尺度氣泡的破碎，從而使霧化顆粒平均直徑大幅減小。

2.3 噴孔結(jié)構(gòu)對(duì)粒徑分布的影響

圖6示出了氣相和液相壓力為0.5 MPa，氣液質(zhì)量流量比為0.16時(shí)噴孔結(jié)構(gòu)對(duì)粒徑分布的影響。從圖中可以看出，噴嘴粒徑的微分分布呈現(xiàn)單峰形式，液滴粒徑數(shù)目分布呈現(xiàn)先增加后減少的趨勢(shì)。噴嘴C和噴嘴E的粒徑峰值均出現(xiàn)在30 μm左右，噴嘴S的粒徑峰值為20 μm左右。隨著截面面積的增加，噴嘴E和噴嘴S的曲線向左移動(dòng)，但是噴嘴S的曲線移動(dòng)較多。說(shuō)明增加噴嘴出口截面面積，液滴的霧化質(zhì)量得到改善，大顆粒液滴減少，小顆粒液滴所占比例增大。噴嘴E的霧滴體積的頻率峰值最小，粒徑分布范圍變寬，說(shuō)明霧滴粒徑更分散。累積分布顯示，隨著噴孔截面積的增加，曲線變陡，小顆粒液滴增多。上述數(shù)據(jù)同樣說(shuō)明，異形噴孔可以產(chǎn)生更加劇烈的局部擾動(dòng)，有助于促進(jìn)微小尺度氣泡的破碎，從而使霧化顆粒平均直徑大幅減小。

圖6 噴孔結(jié)構(gòu)對(duì)粒徑分布的影響Fig.6 Effect of orifice structure on particle size distribution

2.4 噴孔結(jié)構(gòu)對(duì)粒子速度的影響

圖7示出氣相和液相壓力為0.5 MPa，氣液質(zhì)量流量比為0.13～0.19時(shí)噴孔結(jié)構(gòu)對(duì)粒子速度的影響。從圖中可以看出，3種噴嘴在同一壓力不同氣液比下，粒子速度變化不明顯，說(shuō)明氣液比對(duì)粒子速度的影響較小。但是相同氣液比時(shí)，噴孔形狀影響了粒子速度的大小，異形噴嘴的速度大于圓形孔噴嘴的速度，正方形孔噴嘴的速度最大。相對(duì)于圓形孔噴嘴，噴嘴E的粒子速度平均增加了14.8%，噴嘴S的粒子速度平均增加了24.4%。說(shuō)明異形噴孔的強(qiáng)烈擾動(dòng)對(duì)氣相產(chǎn)生了一定的加速作用，增大了噴口位置氣液兩相的剪切作用，同時(shí)提高了局部擾動(dòng)，增大了粒徑的速度。異形噴孔速度的增加，氣體擾動(dòng)增強(qiáng)，下游的噴霧二次破碎作用也會(huì)更強(qiáng)，導(dǎo)致液滴更容易破碎，形成更小粒徑的噴霧。

圖7 噴孔結(jié)構(gòu)對(duì)粒子速度的影響Fig.7 Effect of orifice structure on particle velocity

3 結(jié)論

（1）不同噴孔形狀的噴嘴的流量特性曲線具有相同的趨勢(shì)。相同壓力下，隨著氣液質(zhì)量流量比的增大，噴嘴出口單位面積下的噴霧流量呈現(xiàn)逐漸減小的趨勢(shì)。相同氣液質(zhì)量流量比時(shí)，異形噴孔噴嘴的流量增大，正方形孔噴嘴的流量最大。

（2）3種不同形狀噴孔的噴嘴均可取得良好的霧化效果。相同工況條件下，橢圓形孔和正方形孔對(duì)比圓形孔的噴嘴具有更佳優(yōu)良的霧化效果，當(dāng)P=0.5 MPa，ALR=0.16時(shí)，其D32降幅分別為28.2%，35.8%。在相同壓力下，正方形孔的噴嘴的粒徑最小。

（3）當(dāng)噴孔形狀不同時(shí)，正方形孔噴嘴的微分分布曲線向左移動(dòng)，累積分布曲線變陡，大顆粒液滴減少，小顆粒液滴所占比例增大，液滴的霧化質(zhì)量得到改善。

（4）噴孔形狀是影響粒子速度的重要因素。異形噴嘴的速度大于圓形孔噴嘴的速度，橢圓形孔噴嘴和正方形孔噴嘴的粒子速度分別平均增加了14.8%和24.4%。異形噴孔速度增加，氣體擾動(dòng)增強(qiáng)，下游的噴霧二次破碎作用增強(qiáng)，導(dǎo)致液滴更容易破碎，形成更小粒徑的噴霧。