气泡雾化喷嘴水平喷射的雾化特性研究

气泡雾化喷嘴水平喷射的雾化特性研究 F eb rua ry 1998 1998年2月北 京 航 空 航 天 大 学 学 报 Jo u rna l o f B e ijing U n ive r sity o f A e ro nau t ic s and A st ro nau t ic s V o l124 N o 11 第 24卷 第1期 气泡雾化喷嘴水平喷射的雾化特性研究 梁雪萍郭志辉徐行顾善建 ( ) 北京航空航天大学 动力系 摘 要 研究了水平喷射、端面注气方式的气泡雾化喷嘴结构及工作参数对雾 化及流场特性的影响. 试验全部在常温常压下进行, 液体采用水, 雾化气为压缩空气. 用22测量了液雾的平均直径尺寸分布和速度分布. 液体喷射压力变化范围200D PDA , 600 , 气液比变化范围4%, 10% 左右. 试验研究了端面注气方式下, 注气孔孔 k P a 径及数目、混合管长度、液体流动状态及工作参数对雾化特性的影响. 结果表明, 水平 喷射的气泡喷嘴, 注气孔的尺寸及数目均对雾化特性产生影响; 混合段存在一最佳值 范围, 在此范围内, 喷嘴可获得高的雾化质量; 液体旋转流动对雾化特性无显著影响, 但可影响两相流动中气泡的分布. 关键词 喷嘴; 两相流; 雾化; 气泡雾化 分类号 231. 23V 80年代后期, 美国普渡大学等校的许多学者测试点取有效粒子6 000个. 试验均在常温、常压开始研究气泡雾化喷嘴, 这种喷嘴的流量系数很 的环境中进行, 选用气体为压缩空气, 液体为水.小, 对液体的粘性不敏感, 在小气液比下可获得良 好的雾化效果, 对于工程应用有深入研究的价值. 然而, 美国学者的试验均是在喷嘴竖直向下喷射 时完成的. 考虑到在水平方向流动的液体中气泡 受浮力作用的影响较大, 气泡相对于液体的运动 与竖直向下喷射时不同, 喷嘴内会呈现出不同的 两相流态, 因此会产生不同的雾化特性. 在文献 1 的研究基础上, 本文进一步研究了水平喷射 时, 沿液体流动方向, 端面多孔注气的注气孔数目 1. 气泡发生器; 2. 混合管; 3. 锥形收敛段及喷孔 图1 气泡雾化喷嘴结构示意图 与尺寸的影响, 混合段长度和工作参数对气泡喷 嘴雾化特性的影响. 喷雾试验台由供气、供液、测量及排雾系统组 成, 在文献 1 中有详细的说明. 液雾的流场特性 ( 和 雾化特性可由二维激光粒子动态仪 22 D ) 测得. 22利用光学多普勒效应实现对 PDA D PDA 1 试验装置与试验方法 测量体的测量, 可同时提供所测颗粒的直径和速试验件采用图1所示的气泡雾化喷嘴, 它由气 度信息.泡发生器、混合管和喷头等部件组成. 混合段和喷 头均由透明有机玻璃制成, 可以观察到喷嘴内部 的两相流态. 气泡发生器为端面多孔注气的形式 2 试验结果与分析() 注气孔沿端面均匀分布, 其注气孔尺寸分别为: ) 1端面多孔注气方式下不同注气孔尺寸及20—0. 7, 20—1. 0, 4—2. 2.<<< 不同注气孔数的影响本测试截面选在喷嘴下游200 处与喷嘴 mm 本文首先对图1所示的气泡喷嘴进行了水平 轴线方向垂直的横截面上, 测试点的选取方法是: 喷射试验. 图2表明, 沿喷孔轴线位置的索太尔平沿喷雾锥的正上方向下通过喷嘴轴线, 每隔4, 6 值均直径 值最小, 由轴线向外扩展, SM D SM D测一点, 这样每个截面大约 测 1 4 点 左 右. 每mm 逐渐增大. 这说明小液滴惯性小, 处于喷雾中心 收稿日期: 1996206214 第一作者 女 26岁 助理工程师 100083 北京 量, 大大提高了喷嘴速度. 其原因是: 在相同的工 况下, 注气孔数目的增加, 将使所产生的气泡数目 增加, 一方面改善气泡在液体中散布的均匀性; 另 一方面, 更多的气泡通过喷孔, 把液体挤压成更薄 的液膜. 两方面因素综合作用, 将改善气泡喷嘴的 雾化效果, 提高喷雾速度. 这一结果, 也与文献2 的结论不同. 图2 注气孔径对端面多孔注气的 气泡喷嘴特性的影响 ( 液体压力 ?P = 200 k P a,液体质量L )流量 m = 80 k gƒh , 气液质量比 A L R = 5. 7% L 处; 大液滴惯性大, 易向外扩展. 液滴的速度沿径 向的分布近似正态分布, 这是由于处于液雾中心 的小液滴比大液滴更易在液雾中加速. 喷嘴注气 孔尺寸不同, 值和速度也不同. 注气孔径小 SM D 的喷嘴略优于注气孔径大的气泡雾化喷嘴, 这与 端面注气方式下注气孔数目不同图3文献2 喷嘴竖直向下喷射时所得的结论不同. 文 对气泡雾化喷嘴特性的影响献 2 认为: 竖直向下喷射时注气孔尺寸变化对喷 ()= 400 , = 80 = 12% ƒ, ?P L k P am k gh A L R L 嘴的雾化特性无影响. 这可能是由于气泡雾化喷 ) 2液体流动方式不同的影响嘴在液体水平喷射和竖直向下喷射两种不同的流 动方式中受浮力作用的影响不同, 因而不同的注 为了改善水平喷射时气泡在液体中分布的均 气孔尺寸在两种不同的流动状态中所形成的气泡 (匀性, 减少浮力的影响, 设计了带有45?斜槽的气 数量、大小的变化对雾化特性的影响不同. 泡发生器, 使液体旋转流动, 并与图1所示喷嘴比 图3给出注气孔数目的变化对端面注气方式 较, 这两种喷嘴的端面注气孔均为20—1. 0孔.< 的气泡喷嘴的影响. 在相同的注气面积条件下, 注 图4说明液体旋转流动对液雾的速度有一定 影响, 但对颗粒的平均直径影响很小. 试验观察结 果显示, 使液体旋转流动后, 在混合管中气泡分布 26 北 京 航 空 航 天 大 学 学 报1998年 旋转流动使气泡浮力对两相流动产生的“负作用”化喷嘴流态及雾化特性的影响. 减少, 因而使气泡在两相流中沿喷嘴轴线上下分 试验观察结果表明, 随着 的增加, 在管的 L 上部出现了较大的气泡, 两相流动变得不稳定, 出布更均匀. 然而在本试验工况下, 其对喷嘴雾化特 现脉动现象, 同时雾化变差. 这说明 增大, 使喷 L 性无明显影响. 分析原因可能是, 尽管液体的旋转 嘴工作状态不稳定, 并导致雾化质量变差. 通过分流动可使喷嘴内部气泡的分布更均匀, 但在混合 析气泡的受力情况可知, 水平喷射的气泡喷嘴, 气管和加速段的有限空间内, 其对气泡的数量和大 泡在两相流中的运动主要取决于浮力和液体夹带小影响较小, 因此液体旋转流动与液体无旋转流 的共同作用. 在液体速度维持不变时, 随着 的 L 动在相同的工作参数下, 喷嘴的雾化特性相近. 此 不断增大, 气泡在液体夹带下到达喷孔的时间将 结果还有待于进一步深入研究. 超过气泡受浮力作用上升到混合段顶部的时间, 结果气泡到达喷孔前在混合管顶部聚合, 形成较 大的气泡, 两相流态发生转变并处于不稳定状态, 从而导致了喷嘴不稳定的工作状态和较差的雾化 特性. 图 5 给 出 了值 对 端 面 单 孔 注 气 方 式 的 气 L 图4 液体旋转流动与非旋转流动对端面注气方式 的气泡喷嘴特性的影响 ()= 500 , = 120 ƒ= 10. 5% , ?P L k P am k gh A L R L ) 3混合段长度 的影响L 这里的混合段长度 是指气泡发生器端面 L 图5 混合段长度 L 对端面多孔注气的 气泡喷嘴特性的影响到喷口的距离. 文献 2 , 5 中试验采用的气泡雾 ()= 300 , =80 = 5. 7% ƒ, ? P L k P am k gh A L R L 化喷嘴的混合段长度均大于200 , 由于水平 L mm 泡喷嘴的雾化特性和速度特性的影响. 可以得到两相流动与竖直方向两相流动的流态不同, 本文 同样的结论, 即值过大, 将 不 利 于 气 泡 喷 嘴 的 L 研究了 对水平喷射的端面注气方式的气泡雾 L ) 雾化. 但这并不意味着 值越小, 雾化质量越高.2液体旋转流动可使喷嘴内部气泡分布更 L () 均匀, 并提高液雾的喷射速度, 但对喷嘴雾化特性 由图5 可观察到, 过小, 雾化质量反而变差, a L 这是由于 L 过小, 使端面注气的气泡发生器距喷的影响很小; ) 的取值中孔过近, 气泡分布不够均匀.因此在 3混合段过长、过短均会使喷嘴雾化效果变L 必存在一最佳取值范围, 在此范围内, 浮力与液体差, 其长度值存在一最佳范围, 在此范围内, 喷嘴 夹带的综合作用效果最好, 喷嘴可获得较高的雾 可获得最好的雾化效果; ) 化质量. 我们对采用其它注气方式的气泡雾化喷 4气泡雾化喷嘴液体喷射压力对雾化特性 嘴亦进行了混合段长度影响的试验, 得到了相同 的影响与气动雾化喷嘴相反, 液体喷射压力越高, 的结论.气泡雾化喷嘴的雾化特性越好. ) 4液体喷射压力的影响 参 考 文 献 值显著减随着液体喷射压力的增加, SM D 小, 液雾速度值增加. 这一点与液体压力对气动雾1 范全林, 郭志辉. 气泡雾化喷嘴的水平喷射特性研究. 动力学( ) 报, 1996, 12 4: 23, 26 化喷嘴 的影响恰恰相反, 亦与文献 3 所得 SM D , , . 2W ang X F C h in J SL efebv re A HInf luence o f ga sin jec to r 2 结论吻合. 这表明, 对于气泡雾化喷嘴, 除要求一 geom e t ry o n a tom iza t io n p e rfo rm ance o f ae ra ted liqu id no z2 定的注气压差外, 液体的加速运动对两相泡状流 zle s. In te rna t io na l Jo u rna l o f T u rbo and J e t2E ng ine s, 1989, 6 的形成, 减小水平喷射时气泡受浮力的影响是有 ( ) 4: 271, 279 益的. Ro ssle r T C , L efebv re A H. S tud ie s o n ae ra ted2liqu id a tom iza2 3 2. , 1989, 6 t io nIn te rna t io na l Jo u rna l o f T u rbo and J e tE ng ine s( ) 7: 221, 229 3 结论, , . C h en S K L efebv re A H Ro ubuh le r JInf luence o f am b ien t 4 . a ir p re ssu re o n effe rve scen t a tom iza t io nA IA A Jo u rna l o f 由上述试验及分析, 本文得出以下结论: ( ) , 1993, 9 5: 10, 15P rop u lsio n and Pow e r ) 1对于水平喷射、端面多孔注气的气泡雾化 , , . L efebv re A H W ang X F M a t in C ASp ray ch a rac te r ist ic s o f 5 喷嘴, 注气孔的结构对喷嘴的雾化特性及速度均 2. ae ra tedliqu id p re ssu re a tom ize r sA IA A Jo u rna l o f P rop u l2 有影响. 注气孔数目增多、注气孔孔径缩小均有利( ) , 298, 1988, 4 8: 293sio n and Pow e r 于提高喷嘴的雾化质量; 2 Inf lue nc e o f G a s In je c to r G e om e t ry o n A tom iza t io n P e rfo rm a nc e 2o f Ho r izo n ta lly In je c t ing Effe rv e s c e n t A tom ize rs L ian g X u ep in g Guo Zh ih u i X u H an g Gu Sh an jian (), . B e ijing U n ive r sity o f A e ro nau t ic s and A st ro nau t ic sD ep to f J e t P rop u lsio n A b s t ra c t T h e a tom izin g p e rfo rm an ce o f effe rve scen t a tom ize r s a re ex am in ed w ith sp ec ia l em p h a2 (2. 22sis o n th e in f lu en ce o f ga sin jec to r geom e t ry o n sp ray ch a rac te r ist ic sA p a r t ic le dyn am ic an a lyze r D ) 2, . PDA is u sed to m ea su re m ean d rop sized rop size d ist r ib u t io n an d ve lo c ity d ist r ib u t io nA ll te st s a re . ca r r ied o u t a t no rm a l a tm o sp h e r ic p re ssu re an d tem p e ra tu reW a te r in jec t io n p re ssu re s a re va r ied f rom 0. 20 0. 60 ƒ0. 04 0. 12 . to M P a an d a irliqu id ra t io s f rom to b y m a ssT h ree d iffe ren t ga s in jec to r s a re, 4 , 2. 2 20 0. 7 1. 0 . u sedo n e h av in g ho le seach o f mm d iam e te r s an d th e o th e r s ho le s o f an d d iam e te r sT . h ey a re u sed in co n ju n c t io n w ith th ree m ix in g tu b e s o f d iffe ren t len g th sT h e re su lt s o b ta in ed show th a t th e ch an ge s in th e n um b e r an d size o f th e ga s in jec t io n ho le s h ave sign if ican t in f lu en ce o n a tom iza2 t . , io n qu a lit ie s o f ho r izo n ta lly e jec t in g effe rve scen t a tom ize r sM o reo ve rth e re is an op t im um len g th o f . , , th e m ix in g tu b e lead in g to h igh e r a tom iza t io n qu a lityH ow eve rw h en sw ir lin g th e liqu id a tom iza t io n .qu a lity app ea r s to b e sligh t ly im p ro ved