基于多種測試平臺噴霧粒徑特性實驗研究

陳舒越，郭向東，陳晨，劉森云，賴慶仁

（中國空氣動力研究與發(fā)展中心 結冰與防除冰重點實驗室，四川 綿陽 621000）

飛機穿越含有過冷水滴的云層時，云層中的過冷水滴會撞擊在飛機表面上，并凍結成冰，進而嚴重威脅飛行安全。結冰風洞是研究飛機結冰。驗證飛機防除冰系統(tǒng)性能的重要地面試驗設備。噴霧系統(tǒng)是結冰風洞的核心組成部分，該系統(tǒng)利用噴嘴產(chǎn)生結冰云霧。根據(jù)適航標準FAR 25部附錄C和附錄O，結冰風洞要模擬云霧結冰條件，則從噴嘴出發(fā)到達試驗段的云霧粒子，其中值體積直徑（Median Volume Diameter, MVD）要與適航標準要求相同。若要模擬過冷大水滴結冰條件，不僅要相同，而且試驗段內(nèi)液滴的粒徑分布要與適航標準規(guī)定的曲線相吻合。因此，研制粒徑特性滿足適航指標的噴嘴對結冰風洞而言具有重大意義。由于結冰風洞本身運行成本高，因此主要利用噴嘴測試臺、直流吸氣式風洞開展結冰風洞噴嘴的研制工作。然而，由于水滴在結冰風洞內(nèi)的運動及傳熱傳質過程，在風洞試驗段測得的噴霧粒徑特性與噴嘴測試臺、直流吸氣式風洞存在差異，即在噴嘴測試臺或直流吸氣式風洞研制成功的噴嘴，用于結冰風洞時可能無法滿足技術指標要求。因此，有必要基于多種測試平臺開展噴霧粒徑測量的對比研究，分析測量結果的差異及其原因，從而為結冰風洞噴嘴研制工作提供支撐。

液滴粒徑是評價噴嘴霧化質量及表示霧化特性的重要參數(shù)。國外已有學者對噴嘴測試臺和結冰風洞噴霧的粒徑分布特性進行了對比研究。Imperato等分別在CIRA噴嘴測試臺和結冰風洞開展了噴霧液滴粒徑測量試驗，將測量值進行了對比，指出2種平臺產(chǎn)生小水滴噴霧時，測得的接近，大水滴噴霧時在2種平臺測得的存在較大差異，認為噴霧中較大顆粒液滴在風洞內(nèi)的運動影響了粒徑分布。國外其他學者的研究主要集中在噴霧系統(tǒng)的測試和校準、試驗段結冰云霧分布特性的數(shù)值模擬等方面。在國內(nèi)，易賢等通過噴嘴測試臺得到噴嘴出口處粒子的分布特性，在此基礎上，采用數(shù)值方法計算了水滴在風洞內(nèi)的運動及傳熱傳質過程，進而獲得了試驗段粒子的分布特性。此外，還有關于結冰風洞噴嘴性能測試、結冰風洞試驗段云霧粒徑測量及影響因素研究、液滴運動及傳熱傳質仿真等方面的研究。目前國內(nèi)還缺少不同測試平臺上噴霧粒徑特性的對比研究。

本文分別在噴嘴測試臺、直流吸氣式風洞、閉口回流式結冰風洞等3種測試平臺上開展噴霧液滴粒徑測量試驗，然后將測量結果進行對比，對造成差異的原因進行初步分析，從而為結冰風洞噴嘴研制工作提供指導。

1 試驗平臺及設備

1.1 噴嘴測試臺

噴嘴測試臺由試驗臺本體（見圖1）、供水供氣系統(tǒng)及控制系統(tǒng)組成。試驗臺本體上部為噴嘴組件，下部用于放置測量設備，容積為2 m，尺寸為1 m× 1 m×2 m。噴嘴組件包括噴嘴和噴嘴架，噴嘴架用于安裝噴嘴，可在、和方向自由移動。供水供氣系統(tǒng)分別向噴嘴組件提供水流量和氣流量?？刂葡到y(tǒng)主要配合實現(xiàn)相應的功能，如水氣壓調(diào)控、噴霧開關等。該測試平臺水壓及氣壓調(diào)節(jié)范圍為0.01~ 1.0 MPa，壓力調(diào)節(jié)精度為0.01 MPa。

圖1 噴嘴測試臺試驗臺本體 Fig.1 Test bench body of nozzle test bench

1.2 直流吸氣式風洞

直流吸氣式風洞如圖2所示，包括進氣口、穩(wěn)定段、整流裝置、收縮段、試驗段、拐角段、擴散段、風扇段及排氣段，呈L形布局，總高為6.8 m。該風洞試驗段長度為2.4 m，截面尺寸為0.6 m×0.6 m，試驗段垂直布置。試驗段設計風速為1~30 m/s，采用一臺軸流風機作為動力。試驗段的4個側壁均采用有機玻璃材料，透光率為90%以上。

圖2 直流吸氣式風洞 Fig.2 Open-circuit wind tunnel

1.3 閉口回流式結冰風洞

閉口回流式結冰風洞如圖3所示，是氣動中心3 m×2 m結冰風洞，主要包括噴霧系統(tǒng)、制冷系統(tǒng)、高度模擬系統(tǒng)和風機動力系統(tǒng)。噴霧系統(tǒng)通過噴嘴產(chǎn)生結冰云霧，穩(wěn)定段內(nèi)共有20排噴霧耙，每排安裝50個噴嘴，1 000個噴嘴均勻分布于穩(wěn)定段橫截面上。試驗段長度為6.5 m，截面尺寸為3 m×2 m。

圖3 閉口回流式結冰風洞 Fig.3 Closed-circuit icing wind tunnel

1.4 粒徑測量設備

雙通道機載式相位多普勒干涉儀（Phase Doppler Interferometer Flight Probe Dual Range，PDI-FPDR），是Artium Technologies公司為滿足自然結冰云霧參數(shù)測量而研發(fā)的一款機載式測量設備。該設備由光學發(fā)射探頭、光學接收探頭、ASA信號處理器和AIMS系統(tǒng)軟件平臺組成，基于相位多普勒方法能夠同時實現(xiàn)液滴直徑和速率的測量。PDI-FPDR大、小通道粒徑測量范圍分別為20~1 000 μm和0.5~ 100 μm，測量精度為±0.5 μm。

Malvern粒度分析儀，由英國Spraytec公司研制。該設備由含準直激光源的發(fā)射器、接收器、光具座和Spraytec系統(tǒng)軟件平臺等組成。Malvern基于大量運動粒子對單色平行光的Fraunhofer衍射，能夠實時、準確、可重復地測量噴霧粒徑分布。Malvern粒徑測量范圍為 0.1~2 000 μm，采集頻率最高為10 kHz。

2 試驗內(nèi)容與方法

在噴嘴測試臺、直流吸氣式風洞、閉口回流式結冰風洞分別進行噴霧，使用PDI-FPDR和Malvern測量噴霧粒徑特征參數(shù)，將測量結果進行對比。使用的噴嘴為98818型噴嘴，屬于氣液內(nèi)混式霧化噴嘴。該型噴嘴通過在混合腔內(nèi)引入高壓空氣和水流，利用氣液間的劇烈相互作用，在噴嘴出口處產(chǎn)生實心錐狀噴霧。噴嘴水氣壓條件設定見表1，本次試驗水壓（）和氣壓（）范圍為0.05~0.6 MPa。由于噴嘴＜時無法正常工作，因此設定的條件≥，共計36組工況。

表1 噴嘴水氣壓條件 Tab.1 Air pressure and water pressure of nozzle

2.1 噴嘴測試臺

在噴嘴測試臺上開展的試驗如圖4所示。調(diào)節(jié)噴嘴架的位置，使得噴嘴出口至Malvern測點的距離為400 mm（此后霧化顆粒隨距離的變化已不再明顯），同時噴霧整體能位于Malvern和PDI-FPDR光學采樣區(qū)域的中心。試驗開始后，調(diào)節(jié)水壓和氣壓至指定值，開始噴霧，待穩(wěn)定后，使用PDI-FPDR和Malvern的采集系統(tǒng)同時對噴霧進行采集測量。在試驗中發(fā)現(xiàn)，噴霧水滴會直接撞擊并覆蓋在PDI-FPDR的探頭上，從而造成測量誤差，因此僅對Malvern采集的數(shù)據(jù)進行對比分析。

圖4 噴嘴測試臺噴霧測量 Fig.4 Spray on the nozzle test bench was measured

2.2 直流吸氣式風洞

在直流吸氣式風洞開展的試驗如圖5所示。將Malvern粒度分析儀安裝在透明試驗段兩側，使發(fā)射的光束恰好穿過2個側壁的開孔。由于PDI-FPDR無法在試驗段進行安裝，因此僅采用Malvern進行測量。開啟風機，設定風速為10 m/s，調(diào)節(jié)水壓和氣壓至指定值，開始噴霧，待穩(wěn)定后，使用Malvern的采集系統(tǒng)對噴霧進行采集測量。

圖5 直流吸氣式風洞噴霧測量 Fig.5 Spray on the open-circuit wind tunnel was measured

2.3 閉口回流式結冰風洞

在氣動中心3 m×2 m結冰風洞開展的試驗如圖6所示。由于Malvern粒度分析儀無法在結冰風洞中直接安裝使用，因此僅采用PDI-FPDR進行測量。PDI-FPDR無法用于噴嘴測試臺，而能在結冰風洞中使用的原因是：風洞內(nèi)水滴的運動方向與探頭方向平行，水滴撞擊的幾率更?。辉陲L洞內(nèi)使用時需開啟PDI-FPDR電加熱系統(tǒng)，覆蓋在探頭上的水滴會受熱蒸發(fā)；撞擊在探頭上的水滴會在風洞氣流的作用下被吹走，因此風洞內(nèi)水滴不會覆蓋在探頭上，從而造成測量誤差。試驗前，將PDI-FPDR安裝于試驗段轉盤中心處，此時儀器光學采樣區(qū)位于距噴霧系統(tǒng)約15 m的試驗段中心線上。試驗時，設置風速為80 m/s、總溫為-2 ℃，模擬高度為當?shù)馗叨?。待氣流參?shù)穩(wěn)定后，設置噴霧系統(tǒng)水壓、氣壓，開始噴霧。待云霧場完全建立并穩(wěn)定后，使用PDI-FPDR進行參數(shù)采集。

圖6 閉口回流式結冰風洞噴霧測量 Fig.6 Spray on the closed-circuit icing wind tunnel was measured

3 結果與分析

3.1 dMVD對比

噴嘴測試臺、直流吸氣式風洞、閉口回流式結冰風洞的噴霧測量結果如圖7所示。定義為小于該直徑的所有液滴體積與大于該直徑的所有液 滴體積相等。從圖7中可以看出，隨噴嘴水、氣壓變化的規(guī)律性都較好，隨著噴嘴水壓的增大，增大；隨著噴嘴氣壓的增大，減小。水壓或氣壓變化所引起的變化，其本質是氣液質量比變化引起的。氣液質量比越大時，作用在單位體積液體的氣體量越多，氣體對液體的作用越強烈，液體就會破碎成更細小的液滴。同時，氣液質量比越大時，液滴的初始速度越大，與外界空間的相對速度差越大，受到的氣動力作用越強，更有利于液滴的破碎。此外，當氣液質量比增加時，噴嘴出口處氣體的流速增加，其對液滴的作用更加強烈，導致液束的擴散更加明顯，液相之間的碰撞合并更不容易發(fā)生。噴嘴測試臺噴霧的分布范圍為11.58~80.13 μm，直流吸氣式風洞為10.67~90.62 μm，閉口回流式結冰風洞為10.8~67.2 μm。已有研究表明，PDI-FPDR不適合測量大于75 μm的噴霧，因此=0.05 MPa條件下只給出了幾個水壓下的測量值。

圖7 dMVD測量結果 Fig.7 Measurement results of dMVD: a) nozzle test bench; b) open-circuit wind tunnel; c) closed-circuit icing wind tunnel

將3種測試平臺的測量結果進行對比，如圖8所示。結果表明，對于＞30 μm的工況，直流吸氣式風洞和閉口回流式結冰風洞噴霧的都比噴嘴測試臺大，并且隨著氣壓的減小，噴霧增大，2個平臺測量結果的差值也越大；對于≤30 μm的工況，3種測試平臺測量結果接近。雖然此時3個平臺的噴霧接近，但是噴霧粒徑分布不一定相同。在所有氣壓條件下，在較小水壓時，直流吸氣式風洞的噴霧大于閉口回流式結冰風洞的噴霧。隨著水壓的增大，閉口回流式結冰風洞大于直流吸氣式風洞，且兩者差值也逐漸增大。隨著氣壓的增大，兩平臺測量結果的差異逐漸減小。

圖8 3種測試平臺的測量結果對比 Fig.8 Results of the comparison with three test platforms

噴嘴的霧化特性決定了噴嘴出口處液滴的粒徑分布，環(huán)境（氣流的溫度、濕度和速度等）是影響噴霧粒徑特性的外部因素。3種測試平臺的環(huán)境差異及各因素對液滴粒徑的影響分析如下。

1）氣流溫度。結冰風洞作為能模擬低溫云霧環(huán)境的特種風洞，配備了大型的制冷裝置和大量的保溫措施，以確保試驗段的總溫能達到目標溫度，本次試驗設定的總溫為-2 ℃。同時，為了防止液體凍結堵塞噴嘴，噴嘴水源采用的是60 ℃去離子水。因此，噴嘴產(chǎn)生的熱液滴在運動至試驗段過程中，會與低溫流場間產(chǎn)生強烈的傳熱傳質過程。噴嘴測試臺和直流吸氣式風洞直接與大氣環(huán)境相通，并且水源溫度為常溫，周圍空氣與水滴的溫度差異小，于是傳熱傳質就較弱。

2）氣流速度。本次試驗結冰風洞試驗段的氣流速度為80 m/s，直流吸氣式風洞試驗段的氣流速度為10 m/s，噴嘴測試臺無外部氣流作用。氣液相對速度較高時，會有空氣動力作用在液滴上，在表面非均勻分布的壓力擾動下，液滴將發(fā)生變形。當這個作用力大到足以克服液滴表面張力的恢復力時，液滴就會碎裂成更小的液滴。同時，氣流速度還會影響液滴的蒸發(fā)速度，氣流越強，蒸發(fā)越快。液滴自噴嘴噴出后，氣流速度越大，噴霧擴散越開，液滴噴撞合并的概率越低。

3）環(huán)境濕度。濕度也是影響液滴蒸發(fā)的因素之一，若環(huán)境濕度飽和，則液滴表面?zhèn)鳠醾髻|均達到平衡，蒸發(fā)停止。若環(huán)境濕度欠飽和，則液滴進一步緩慢蒸發(fā)，直至完全蒸發(fā)或者傳熱傳質均達到平衡狀態(tài)。

4）湍流度。對于結冰風洞，風洞自身湍流、熱交換器尾流、噴霧系統(tǒng)產(chǎn)生的射流渦干擾等，都會提高穩(wěn)定段內(nèi)的湍流強度。湍流會使液滴軌跡發(fā)散，造成液滴碰撞合并的概率更高。

5）平臺構型。結冰風洞和直流吸氣式風洞都具有收縮段，收縮段有加速氣流的作用，液滴經(jīng)收縮段運動至試驗段，液滴濃度會增大，液相之間的碰撞合并更加頻繁。同時，在收縮段空氣流線偏折，大水滴由于慣性大，容易撞在壁面。收縮段構型也會造成粒子沉降現(xiàn)象，結冰風洞采用水平布局，粒子的運動軌跡會因重力作用而發(fā)生偏轉，尤其是大顆粒液滴在試驗段內(nèi)的沉降現(xiàn)象更加明顯。直流吸氣式風洞采用垂直布局，噴嘴測試臺水滴也是垂直下落，粒子的運動軌跡不會因重力而發(fā)生偏轉，也不存在大顆粒液滴的沉降現(xiàn)象。結冰風洞布置了1 000個噴嘴，本次試驗中使用500個噴嘴進行噴霧，會存在多個噴嘴相互干擾的情況?？偟貋砜?，液滴在閉口回流式結冰風洞蒸發(fā)、碰撞合并、破碎等行為都更強烈，大顆粒液滴特有的動力學特征也表現(xiàn)得更明顯。

除了3個測試平臺本身環(huán)境的差異，還應該考慮試驗中所使用測量裝置的不同。PDI-FPDR和Malvern在測量原理、測量空間、測量結果處理等方面均存在差異。PDI-FPDR是當粒子通過2束激光的交匯點時，基于多普勒效應對單顆粒子的直徑進行測量，然后對測量的所有粒子進行統(tǒng)計。Malvern是當粒子通過發(fā)射器與接收器之間的光束時，基于Fraunhofer衍射技術測量得到所有穿過光束的粒子直徑的統(tǒng)計平均結果，通過一套曲線擬合程序反演得到液滴尺寸的信息。筆者認為這種由測量裝置不同帶來的誤差可以忽略，原因如下。

1）Malvern被認為測試可靠、精度高、重復性好、快速實時，因而成為粒徑測量的首選儀器，在眾多的儀器中應用最為廣泛。此外，3 m×2 m結冰風洞前期采用玻璃粒子懸浮液對Malvern進行過標定，因此認為用該設備測量噴霧具有一定的可靠性。PDI設備也廣泛應用于云霧粒徑測量。

2）3 m×2 m結冰風洞已對PDI-FPDR和Malvern進行過對比研究，發(fā)現(xiàn)對于＜75 μm的噴霧，兩儀器測量結果接近。

3）結冰風洞試驗段云霧均勻分布，因此PDI-FPDR點測量和Malvern線測量方式對結果的影響可以忽略。

3.2 粒徑分布對比

將3種測試平臺噴霧粒徑分布特性進行對比，以=0.3 MPa、=0.3 MPa，=0.2 MPa、=0.15 MPa，=0.6 MPa、=0.15 MPa和=0.5 MPa、=0.1 MPa這4個工況為例。對于=0.3 MPa、=0.3 MPa和=0.2 MPa、=0.15 MPa這類≤30 μm的工況，此時3種測試平臺測量結果接近，但是粒徑分布特性卻不同。從圖9中可以看出，閉口回流式結冰風洞的累積體積分布曲線較噴嘴測試臺陡升，較直流吸氣式風洞向小顆粒方向偏移。以圖9b為例進行說明，此時3種平臺噴霧液滴粒徑都主要聚集在20~30 μm，噴嘴測試臺0~20 μm液滴的體積分數(shù)約為42.7%，高于其他2種平臺（直流吸氣式風洞0~10 μm液滴的體積分數(shù)為0，10~20 μm液滴的體積分數(shù)為30.4%，結冰風洞0~5 μm液滴的體積分數(shù)為0，5~20 μm液滴的體積分數(shù)為41%）。噴嘴測試臺、直流吸氣式風洞、閉口回流式結冰風洞20~30 μm液滴的體積分數(shù)分別 為30%、45.3%、38%；30~50 μm液滴的體積分數(shù)分別為24.29%、23.76%、20.1%；50 μm以上的大顆粒液滴的體積分數(shù)分別為3%、0.5%、1%。=0.2 MPa、=0.15 MPa條件下的體積分布曲線如圖10所示?？梢钥闯?，體積分布曲線都具有顯著的單峰特征，噴嘴測試臺粒徑分布范圍寬，增長和下降較平緩，峰值更小。直流吸氣式風洞粒徑分布范圍較窄，增長和下降快，峰值大。閉口回流式結冰風洞粒徑分布范圍、增長和下降幅度、峰值大小均居于其他2種平臺之間。分析認為，在這些工況下，液滴蒸發(fā)是影響粒徑分布的主要因素。直流吸氣式風洞液滴蒸發(fā)比噴嘴測試臺嚴重，蒸發(fā)使霧化的大顆粒液滴變小，小顆粒液滴變?yōu)闅怏w，因此直流吸氣式風洞噴霧中小顆粒和大顆粒液滴含量均比噴嘴測試臺少。結冰風洞雖然蒸發(fā)更為嚴重，但是風洞環(huán)境造成液滴的碰撞合并也更強烈，因此在一定程度上削弱了蒸發(fā)對及粒徑分布的影響。

圖9 累積體積分布（dMVD≤30 μm） Fig.9 Cumulative volume fraction for the working condition of dMVD≤30 μm

圖10 Pw=0.2 MPa、Pa=0.15 MPa條件下的體積分布 Fig.10 Volume fraction at Pw=0.2 MPa, Pa=0.15 MPa

對于=0.6 MPa、=0.15 MPa和=0.5 MPa、=0.1 MPa這類＞30 μm的工況，此時直流吸氣式風洞和閉口回流式結冰風洞的噴霧都比噴嘴測試臺大。從圖11中可以看出，閉口回流式結冰風洞和直流吸氣式風洞的累積體積分布曲線向大顆粒方向偏移，閉口回流式結冰風洞的偏移程度更大。以圖11a為例進行說明，此時3種平臺噴霧液滴粒徑都主要聚集在30~40 μm，噴嘴測試臺0~10 μm液滴的體積分數(shù)約為2.9%，閉口回流式結冰風洞和直流吸氣式風洞0~10 μm液滴的體積分數(shù)約為0；噴嘴測試臺10~30 μm液滴的體積分數(shù)約為42.1%，高于其他2種平臺（直流吸氣式風洞為37.8%，結冰風洞為27.5%）。噴嘴測試臺、直流吸氣式風洞、閉口回流式結冰風洞30~40 μm液滴的體積分數(shù)分別為24.1%、25.8%、24.5%；40~50 μm液滴的體積分數(shù)分別為15.7%、17.7%、18.9%；閉口回流式結冰風洞50 μm以上的大顆粒液滴的體積分數(shù)約為29.1%，高于其他2種平臺（噴嘴測試臺為15.2%，直流吸氣式風洞為18.6%）。=0.6 MPa、=0.15 MPa條件下的體積分布曲線如圖12所示。可以看出，這些曲線都具有顯 著的單峰特征，閉口回流式結冰風洞和直流吸氣式風洞的液滴粒徑分布向大顆粒方向偏移，噴嘴測試臺約30 μm以下液滴的體積分數(shù)高于其他平臺，30 μm以上液滴的體積分數(shù)低于其他平臺。推測的可能原因是，在這些工況下，雖然蒸發(fā)作用使閉口回流式結冰風洞和直流吸氣式風洞小液滴含量減小，0~10 μm液滴的體積分數(shù)幾乎為0，但是在這些工況下液滴之間的碰撞合并才是影響及粒徑分布的主要因素，液滴間碰撞合并形成了更大顆粒的液滴，致使粒徑分布向大顆粒方向偏移。閉口回流式結冰風洞液滴碰撞合并最強烈，因此偏移程度更大。

圖11 累積體積分布（dMVD＞30 μm） Fig.11 Cumulative volume fraction for the working condition of dMVD＞30 μm

圖12 Pw=0.6 MPa、Pa=0.15 MPa條件下的體積分布 Fig.12 Volume fraction at Pw=0.6 MPa, Pa=0.15 MPa

4 結論

在噴嘴測試臺、直流吸氣式風洞、閉口回流式結冰風洞等3種測試平臺上，開展了噴霧液滴粒徑測量試驗，探究了平臺環(huán)境差異對噴霧粒徑特性的影響，得到以下結論：

1）在各測試平臺上，隨噴嘴水、氣壓變化的規(guī)律性都較好。隨著噴嘴水壓的增大，增大；隨著噴嘴氣壓的增大，減小。

2）對于≤30 μm的工況，3種測試平臺的測量結果接近，但粒徑分布存在差異；對于＞30 μm的工況，直流吸氣式風洞和閉口回流式結冰風洞的噴霧都比噴嘴測試臺大，粒徑分布向大顆粒方向偏移。

3）氣流溫度、速度、環(huán)境濕度、湍流度以及平臺構型等多因素耦合作用，使得閉口回流式結冰風洞液滴的蒸發(fā)、碰撞合并、破碎等行為都更強烈，從而造成了其與噴嘴測試臺、直流吸氣式風洞噴霧粒徑特性的差異。

4）噴霧及水滴運動過程，涉及空氣動力學、傳熱傳質學、兩相流等多種物理現(xiàn)象的耦合，其過程復雜。通過數(shù)值模擬方法研究環(huán)境差異對液滴分布特性的影響是一種有效途徑。此外，本文研究的噴霧＜ 100 μm，當≥100 μm時，由于噴霧中的大水滴在風洞內(nèi)沉降、變形和破碎等現(xiàn)象，在各測試平臺上噴霧的液滴分布特性又有不同，需要進一步研究。