旋流式氣泡霧化噴嘴噴霧特性實驗研究

趙芳，徐兵兵，符澄，王越，張海洋, *

1.中國空氣動力研究與發(fā)展中心 空氣動力學(xué)國家重點實驗室，綿陽 621000 2.中國空氣動力研究與發(fā)展中心 設(shè)備設(shè)計與測試技術(shù)研究所，綿陽 621000 3.河北工業(yè)大學(xué) 能源與環(huán)境工程學(xué)院，天津 300401

0 引 言

與常規(guī)噴嘴相比，氣泡霧化噴嘴具有獨特優(yōu)勢，如在低壓條件下可以實現(xiàn)很好的噴霧性能，受黏性影響小以及耗氣量較小等[1-2]。憑借這些優(yōu)勢，氣泡霧化噴嘴被嘗試應(yīng)用于燃氣輪機[3-6]、內(nèi)燃機[7-10]、鍋爐[11-14]及工業(yè)過程等[15-18]。

氣泡霧化噴嘴的機理是將氣相以適當(dāng)方式注入液相，使兩者在噴嘴的混合腔中形成穩(wěn)定的氣泡兩相流；氣泡在兩相流流動過程中加速、變形、膨脹，在噴嘴出口將液體擠壓成絲狀，并在離開噴口的極短距離內(nèi)，在增大的內(nèi)外壓差下膨脹、破裂，使液絲進一步破碎，形成更細小的微粒群[2,15]。

數(shù)值仿真研究方面，孫春華等[20]建立了噴嘴內(nèi)及噴霧場的氣液兩相流流動仿真模型，分析了噴嘴內(nèi)部為攪拌流和泡狀流時，氣液兩相流流經(jīng)噴孔時的氣液形態(tài)、噴孔出口截面流動參數(shù)的脈動以及噴霧場中液滴粒徑分布。趙志洪等[28]基于VOF模型分析了進氣口數(shù)量、噴嘴內(nèi)部結(jié)構(gòu)參數(shù)和氣液比對氣液兩相流流型的影響。Alizadeh Kaklar[29]通過氣泡霧化噴嘴二維數(shù)值仿真獲得了混合室長度和氣液比對噴嘴出口液膜厚度的影響規(guī)律。Ochowiak[30-31]研究認(rèn)為，噴孔形狀對噴霧性能的影響較為明顯，采用圓形噴孔、提高混合室與噴孔直徑之比有助于提高噴霧性能[27]。

與傳統(tǒng)壓力式噴嘴相比，氣泡霧化噴嘴噴霧特性（噴霧形態(tài)、液滴粒徑、液滴速度分布等）的影響因素眾多，研究所得的影響規(guī)律并不一致，部分研究結(jié)論甚至相悖，相關(guān)研究還有待進一步完善與深入[32]。另外，當(dāng)前氣泡霧化噴嘴研究主要為基礎(chǔ)研究，成熟的應(yīng)用產(chǎn)品數(shù)量較少，且主要集中于燃燒領(lǐng)域。為進一步拓展氣泡霧化噴嘴的工程應(yīng)用，亟需開展相關(guān)研究，對氣液比進行優(yōu)化，獲得更低耗氣量的氣泡霧化噴嘴，降低工程應(yīng)用成本。

本文通過實驗對一種旋流式氣泡霧化噴嘴的噴霧特性開展研究，揭示噴嘴孔型、切割絲網(wǎng)目數(shù)（孔徑）等對噴嘴流量特性、噴霧性能的影響規(guī)律，為開發(fā)低氣液比、小粒徑的節(jié)能高效氣泡霧化噴嘴提供基礎(chǔ)實驗數(shù)據(jù)。

1 實驗系統(tǒng)

實驗系統(tǒng)如圖1所示，包括實驗對象（噴嘴）、噴霧實驗臺、供氣供液系統(tǒng)、測控系統(tǒng)及測試設(shè)備等。

圖1 實驗系統(tǒng)簡圖Fig.1 Schematic diagram of spray test system

實驗對象為一種可變噴頭旋流式氣泡霧化噴嘴，主體由內(nèi)芯、外殼、噴頭等組成。如圖2所示，噴嘴進氣口位于頂部，進液口位于左側(cè)，內(nèi)芯下部有4個對稱的進氣孔和4條旋流槽?？諝鈴倪M氣口進入內(nèi)芯與液體混合，經(jīng)旋流槽注入下混合腔，最后從噴頭噴出。噴頭可更換，與外殼通過螺紋連接。出于研究需要，可在下混合腔與噴頭之間安裝切割絲網(wǎng)（如圖3所示），網(wǎng)孔大小以絲網(wǎng)目數(shù)表征，目數(shù)通常定義為1 inch（約25.4 mm）長度上的網(wǎng)孔數(shù)。

圖2 噴嘴結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Structure diagram of effervescent atomizer

圖3 絲網(wǎng)結(jié)構(gòu)Fig.3 Structure diagram of wire mesh

噴霧實驗臺由噴嘴支撐臺架、集液器等組成，用于支撐固定噴嘴、收集噴霧。

供氣供液系統(tǒng)由空氣壓縮機、儲氣罐、儲液罐、管路及閥門等組成，提供噴霧所需的水、氣，具備相應(yīng)調(diào)節(jié)功能。

測控系統(tǒng)由計算機、壓力傳感器和流量計等組成，用于測量和記錄實驗過程中各測點壓力。壓力傳感器為麥克傳感器公司的壓阻式壓力變送器，最大響應(yīng)頻率30 kHz，測量精度0.5% FS（Full Scale）。以量程為 160 mL/min（精度 8 mL/min）、1600 L/h（精度80 L/h）的玻璃浮子流量計分別測量液體工質(zhì)和氣體工質(zhì)的流量。

通過一個學(xué)期的移動教學(xué)實踐，筆者通過后臺數(shù)據(jù)對比發(fā)現(xiàn)，A組學(xué)生同學(xué)之間以及與老師的互動率更高，學(xué)生的自學(xué)能力得到加強，課程的在線學(xué)習(xí)時長，考試成績明顯優(yōu)于B組學(xué)生。課程成績分析對比如表1所示。

測試設(shè)備包括單反相機和激光顆粒動態(tài)分析儀（PDI），在實驗過程中分別拍攝噴霧場及測量噴嘴液滴粒徑。單反相機為佳能EOS RP，拍攝位置距離噴霧實驗臺3 m，鏡頭中心軸線與噴霧主流中心線垂直，拍攝背景布置為深色；激光顆粒動態(tài)分析儀的測量位置設(shè)置于噴嘴出口下游約150 mm的噴霧主流中心線上。

實驗流程如下：氣體工質(zhì)經(jīng)壓縮機進入儲氣罐，以閥門控制壓力和進氣量，經(jīng)流量計等連通至噴嘴進氣口；液體工質(zhì)由壓縮空氣擠壓進入儲液罐，以閥門調(diào)節(jié)壓力和流量，經(jīng)流量計等連通至噴嘴進液口；氣體、液體工質(zhì)在噴嘴混合腔內(nèi)混合形成氣液兩相流，經(jīng)噴嘴霧化后噴入集液器。

2 實驗方法

實驗中，以壓縮空氣、水分別作為氣體、液體工質(zhì)，通過調(diào)節(jié)噴嘴工作壓力和氣液比、更換噴嘴噴頭及切割絲網(wǎng)等方法設(shè)定多種實驗工況。氣液比RAL的調(diào)節(jié)方法為：在相同工作壓力下，調(diào)節(jié)氣、液流量計，改變氣體、液體工質(zhì)進入噴嘴的質(zhì)量流量，從而實現(xiàn)氣液比調(diào)節(jié)。本文實驗參數(shù)如表1所示，表中的編號Case 1、Case 2和Case 3分別對應(yīng)圓孔噴嘴（噴孔直徑1 mm，截面積0.785 mm2）、方孔噴嘴（邊長1 mm，截面積1 mm2）和橢圓孔噴嘴（長短半軸分別為0.6和0.5 mm，截面積0.942 mm2）。氣體、液體工質(zhì)的工作壓力 pa=pl=p。

表1 實驗參數(shù)表Table 1 Experimental parameters

3 流量特性

3.1 噴嘴孔型對流量特性的影響

圖4～6為不同工作壓力下圓孔、方孔和橢圓孔噴嘴流量特性曲線，3條曲線趨勢基本一致：在相同工作壓力下，液體質(zhì)量流量隨氣液比增大而減小，且在小氣液比下，減小幅度較大，隨著氣液比增大，減小幅度變小。主要原因在于：噴嘴出口截面的含氣率隨RAL增大而增大，噴嘴內(nèi)部液體流通面積越來越小，流量系數(shù)逐漸減小，最終導(dǎo)致噴霧流量降低。

圖4 圓孔噴嘴的流量特性Fig.4 Flow characteristics of circular hole atomizer

圖5 方孔噴嘴的流量特性Fig.5 Flow characteristics of square hole atomizer

圖6 橢圓孔噴嘴的流量特性Fig.6 Flow characteristics of elliptical hole atomizer

圖7為相同工作壓力下（0.4 MPa）不同孔型噴嘴的流量系數(shù)Cd曲線。相同氣液比下，方孔噴嘴Cd最大，圓孔噴嘴次之，橢圓孔噴嘴最小，方孔噴嘴Cd比橢圓孔噴嘴大8.5%左右，這是由于不同孔型噴嘴的內(nèi)部流動對噴嘴出口截面含氣率的影響不同。

圖7 不同孔型噴嘴流量系數(shù)曲線對比Fig.7 Flow coefficient comparison of atomizer with different hole structures

3.2 切割絲網(wǎng)對流量特性的影響

以圓孔噴嘴為例，通過在下混合腔與噴頭之間安裝80目（孔徑0.18 mm）切割絲網(wǎng)開展實驗，分析切割絲網(wǎng)對噴嘴流量特性的影響。圖8為安裝絲網(wǎng)后不同工作壓力下的噴嘴流量特性曲線，可以看出，與未加切割絲網(wǎng)相比，噴嘴在不同工作壓力下的流量特性趨勢基本保持一致。

圖8 安裝80目切割絲網(wǎng)后圓孔噴嘴的流量特性Fig.8 Flow characteristics of atomizer with 80 mesh cutting screen

圖9為在相同工作壓力（p=0.4 MPa）下安裝不同目數(shù)切割絲網(wǎng)時的噴嘴流量特性曲線。可以發(fā)現(xiàn)：在相同氣液比和工作壓力下，安裝切割絲網(wǎng)后，噴嘴流量略有減小，減少幅度在3%～7%之間，且絲網(wǎng)孔徑越?。繑?shù)越大），噴霧流量減小的幅度越大。從本質(zhì)上說，切割絲網(wǎng)對噴嘴流量的影響基本可以歸結(jié)為絲網(wǎng)導(dǎo)致的壓損帶來的噴嘴流量變化。

圖9 不同目數(shù)切割絲網(wǎng)對圓孔噴嘴流量特性的影響Fig.9 Flow characteristics comparison of atomizer with different hole structure cutting screen meshes

4 噴霧特性

評價噴嘴噴霧特性的主要指標(biāo)包括噴霧錐角、噴霧液滴粒徑及分布等。研究發(fā)現(xiàn)，本文中不同孔型噴嘴的噴霧錐角差別很?。ㄈ鐖D10所示，在相同工作壓力和氣液比下，噴霧錐角均為27°左右），在此重點分析噴霧液滴粒徑及分布特性。

圖10 不同孔型噴嘴噴霧錐角對比Fig.10 Spray cone angle comparison of atomizer with different hole structures

4.1 工作參數(shù)對噴霧特性的影響

以圓孔噴嘴為例，分析了工作壓力、氣液比等工作參數(shù)對噴嘴噴霧特性的影響，如圖11和12所示。圖11為不同工作壓力下圓孔噴嘴噴霧液滴中位粒徑D50隨氣液比的變化曲線?？梢园l(fā)現(xiàn)：在相同工作壓力下，隨著氣液比增大，D50均呈逐漸減小趨勢，但此趨勢在低工作壓力下不明顯。這是由于D50受到工作壓力和氣液比的綜合影響，一方面，氣液比增大導(dǎo)致噴孔處氣流速度增大，氣體和液滴的相對速度增大，兩者之間氣動力增大，使液滴更易破碎為小液滴；另一方面，氣液比增大導(dǎo)致氣體體積流量增大，噴孔處的液膜厚度更薄，而噴霧液滴尺寸與液膜厚度的平方根成正比[33]，故D50減小。此外，在相同氣液比下，D50隨工作壓力增大而減小，這是由于工作壓力的增大使得噴嘴內(nèi)部的混合速度和湍動能增大，提高了噴孔處氣泡破碎為小液滴的能力。

圖11 圓孔噴嘴噴霧液滴中位粒徑隨氣液比的變化Fig.11 D50 curves of circular hole atomizer with gas-liquid ratio

以圓孔噴嘴、氣液比0.16的工況為例，不同工作壓力下的噴霧液滴粒徑分布如圖12所示：粒徑分布都呈單峰形式；隨著工作壓力增大，峰值向小粒徑方向移動，工作壓力0.5 Mpa和0.6 Mpa下的峰值在25 μm附近，而0.4 Mpa下的峰值在35 μm附近，這與前文討論的噴霧液滴中位粒徑隨工作壓力變化的趨勢一致。

圖12 噴霧液滴粒徑分布Fig.12 Distribution of spray particles

4.2 孔型對噴霧性能的影響

在工作壓力0.5 MPa、氣液比0.16的工況下開展噴嘴孔型對噴霧性能的影響研究。表2為相同工況下各孔型噴嘴的噴霧液滴中位粒徑D50，可以看出：方孔噴嘴中位粒徑最小，圓孔噴嘴中位粒徑最大，說明孔型對噴霧性能影響較大；與典型圓孔噴嘴相比，方孔和橢圓孔噴嘴噴霧性能更優(yōu)，D50降幅分別為12.9%、35.0%。換言之，在相同噴霧能耗下，采用方孔、橢圓孔等異形噴孔有助于提高噴霧性能。

表2 不同孔型噴嘴的噴霧液滴中位粒徑Table 2 D50 of atomizer with various hole structures

不同孔型噴嘴的噴霧液滴粒徑分布如圖13所示?？梢钥闯觯簢婌F液滴粒徑分布都呈單峰形式，圓孔、橢圓孔噴嘴的粒徑峰值均出現(xiàn)于30 μm附近，而方孔噴嘴的峰值出現(xiàn)于20 μm附近。與圓孔噴嘴相比，方孔、橢圓孔噴嘴的噴霧液滴粒徑分布曲線基本呈向左移動趨勢，表明大尺寸液滴減少、小尺寸液滴增多，這說明在噴口截面積相當(dāng)?shù)那疤嵯?，噴嘴采用異形噴孔（特別是方孔）可以明顯改善噴霧性能。

圖13 不同孔型噴嘴噴霧液滴粒徑分布Fig.13 Distribution of spray particles comparison of atomizer with different hole structures

4.3 切割絲網(wǎng)對噴霧性能的影響

相同工況下，方孔噴嘴表現(xiàn)出較好的噴霧性能。針對方孔噴嘴開展了切割絲網(wǎng)目數(shù)（孔徑）對噴霧性能的影響研究。圖14反映了工作壓力0.4 Mpa和0.5 Mpa工況下切割絲網(wǎng)目數(shù)（孔徑）對噴霧液滴中位粒徑D50的影響：在兩種工作壓力下，切割絲網(wǎng)均在一定程度上減小了中位粒徑D50，提高了噴霧性能。總體而言，采用80目（孔徑0.18 mm）切割絲網(wǎng)為最佳選擇，主要原因在于：1）安裝絲網(wǎng)可以將混合腔內(nèi)的氣泡進一步分割為更小的氣泡，從而破碎為更小的液滴，提高噴霧性能；2）孔徑太?。繑?shù)較大）的絲網(wǎng)將氣泡切割過小，對兩相流產(chǎn)生較大壓降，導(dǎo)致內(nèi)外壓差不足，小氣泡無法破碎；3）絲網(wǎng)孔徑過小，切割后的氣泡會迅速重新聚結(jié)形成較大氣泡，降低噴霧性能；4）絲網(wǎng)孔徑過大（大于氣泡直徑）時，無法有效切割氣泡，導(dǎo)致其不能破碎為更小的液滴，不利于提升噴霧性能。因此，應(yīng)根據(jù)工作壓力和噴嘴孔型合理配置切割絲網(wǎng)。

圖14 切割絲網(wǎng)目數(shù)對噴霧液滴中位粒徑的影響Fig.14 Influence curves of cutting screen on D50

實驗中，采用激光顆粒動態(tài)分析儀測量了噴霧液滴速度（噴霧液滴噴射的軸向定義為速度正方向）。圖15反映了切割絲網(wǎng)對噴霧主流軸向速度的影響。從圖15（a）和（b）可以看出：在相同壓力及氣液比0.12、0.16和0.20工況下，安裝80目切割絲網(wǎng)后，噴霧主流軸向速度略有降低。以氣液比0.16為例，工作壓力0.4、0.5和0.6 Mpa下的降幅分別約為3%、7%和8%。這是由于較高工作壓力下切割絲網(wǎng)阻力相對較大，導(dǎo)致噴霧主流軸向速度降低更大。

圖15 切割絲網(wǎng)對噴霧主流軸向速度的影響Fig.15 Influence curves of cutting screen on spray axial velocity

5 結(jié) 論

1）在相同工況下，不同孔型噴嘴的流量特性趨勢基本一致。

2）在相同工作壓力下，噴嘴流量隨著氣液比的增大而減小，且在小氣液比下，減小幅度較大。

3）安裝切割絲網(wǎng)基本不影響噴嘴的流量特性變化趨勢；但在相同工況下會造成噴嘴流量減少3%～7%，且絲網(wǎng)孔徑越小，減少幅度越大。

4）噴霧液滴粒徑分布呈單峰形式，工作壓力或氣液比增大均會提高噴霧性能。

5）噴嘴孔型對噴霧性能具有顯著影響，與典型圓孔噴嘴相比，橢圓孔和方孔噴嘴噴霧性能更優(yōu)，尤其是方孔噴嘴。

6）安裝切割絲網(wǎng)有利于提高噴嘴噴霧性能，但絲網(wǎng)孔徑過大或過小均會影響其效果；此外，安裝切割絲網(wǎng)會在一定程度上降低噴霧主流軸向速度。