喷嘴雾化粒径的实验研究

喷嘴雾化粒径的实验研究 喷嘴雾化粒径的实验研究 第34卷第4期 2(10o年4月 西安交通大学 J0URNALOFXIANJIAr0NGUNIVERSITY V01.34N04 Apt.2000 文章编号:0253—987X(2000)04-0075-03 >-77喷嘴雾化粒径的实验研究 曾卓雄,姜培正, (1.71o049,西安; 谢蔚明 2西北工业大学) Vz3;,22 摘要:为了提高喷嘴的雾化效果,利用相位多普勒粒子仪(PDPA)对3种新型的喷嘴进行了测 试,并根据结果分析了喷头,混和管的影响及这3种喷嘴的性能.实验发现.为改善喷嘴雾化,除了 要增加气液两相的相对速度以增大气动力外.还要提高液喷嘴的出口速度以增强对撞力.因此,雾 在设计模型时,除了分别化效果在很大程度上取决于喷嘴各组成部分匹配的好坏. 考虑喷嘴各组成 部分对雾化的影响外,还应考虑它们结合在一起后的整体性能.通过对实验数据的分析.也说明直 射一旋流式的性能最好. 茎:型滴AV233化枉伍.,尸月中围分类号:文献标识码:I',一,',f,J InvestigationofAtomizerParticleDiameter Zengfhuoxiong,JiangPeizheng',XieWeiming. (1xianJi~otongufllwr口,Xian710049.Chi~;2Northwesternl:M~lmkntUniversity) Abstract:ThreetypesofatomizersaanalyzedinanattempttoimprovetheirpropertiesDatafor nozzleandmixertubeal'emeasuredandcompredTherelativevelocity0fgasandliquid.andli quide— jectionvelocityshouldbeincreasedtoenhancecollision.Thepropertyofatomizerdependso nhowits componentsareproperlymatchedinadditiontotheproiectiveandwhirlwindbehavior. ]Keywords:口Doppt~17qeagur'ement;atomizer;droplet 由于气液两相喷嘴的雾化机理十分复杂,影响 因素很多,单纯地应用理论方法来分析是远远不够 的,必须进行大量的实验.孙得川…对当今国际上 处于领先地位的Total喷嘴进行了实验,但由于该 喷嘴所需的压力较高(1.3--1.4MPa以上).所以它 的应用受到了一定客观条件的限制.本文对新型的 3种喷嘴(离心式,直射式,直射一旋流式)进行了测 试,取得了比较满意的结果,也为以后的结构改进提 供了良好的依据. 1实验装置 本文测试的3种喷嘴L2一是在1,0ta1靶式喷嘴的 基础上改进的对于Total喷嘴.液体在喷^混和腔 后,首先与靶撞击破碎,同时受到与液体射流成垂直 方向的高速气流的横向冲击.因此,高速气流一方面 使气液混和均匀.另一方面增加混和腔内的湍 度,使气液混和物进^混和管后,进一步均匀混和 收稿日期:1999-05?10作者简介:曾卓雄.男,1972年l2月生,博士生;姜培正(联系人), 男.化学学院化工机械 设备系,教授,博士生导师. 婀置交通l^学学撤第34卷 同时,液体在高速气流的气动力作用下被卷吸,破碎 成较小液滴,在喷嘴出口再次雾化,达到雾化效果 直射式喷嘴(气喷嘴和水喷嘴都采取直射式)将 水进口改为2个,水射流从两侧冲击中间的金属靶 由于结构的原因,头部直径不可能很小,混和腔与后 面混和管的直径相差悬殊,应加一个锥形过渡段.离 心式喷嘴与直射式相比,其区别在于:?取消了金属 靶;?两侧水喷嘴采用离心式小喷嘴进行一次雾化 直射一旋流式喷嘴与直射式喷嘴的区别在于无金属 靶,混和腔加长,并在混和腔后半部加旋流器.它的 雾化过程是:水,空气进入头部混和,形成气液混和 物后,再经旋流器,进行离心喷射雾化.旋流器采用 的是螺旋式涡流器,因此离心式结构可增强湍流作 用,有利于雾化.喷嘴的结构如图1所示.提出上述 各的指导思想就是要尽量改善液体的一次雾化 质量,同时保证改善二次雾化和三次雾化(混和管内 环状流动时,液体被卷吸而雾化为二次雾化,通过喷 头的压力雾化为三次雾化) 气 圈J实验器的结构 为了便于实验研究混和管尺寸的影响,加工丁 不同的混和管和喷头,并将它们进行了不同的组台, 其结果见1. 表1喷嘴类型 在实验过程中,上述实验器在固定气压,改变水 压及改变气液比的情况下,对各种状态进行了测试. 为控制实验工况,空气和水的压力通过压力表读取, 而且在气液喷嘴处各有一个动态压强传感器,并对 压强进行测量.对于空气和水流量的测量,是通过装 在孔板流量计上的2个CYG固态压阻式差压传感 器进行的,其中压强和压差的数值都是通过采集系 统获得的.雾化粒径用PDPA测量,实际上这种测量 也是激光多普勒测速仪测量的扩展,整套实验装置 如图2所示. PDPA是根据相位差来确定粒子直径的.即在 不同方向上的接收器接收到原粒子散射光信号的相 位不同,而该相位差中包含了粒径的信息.直径测量 的公式为 d=t?8,(s-?, ?=360sI,2/I,2或360sI,3/I,3 式中:是接收准直透镜的距离;s是尺寸斜率因子; 】,2,3分别表示位于接收器内的探测器1,2间 及1,3间的距离;8是条纹间距;I-2,3分别表 示探测器1,2问和1,3问的相位差;?为探测器所 处侍置的干涉条纹间距 2实验结果 图2喷雾实验装置 在图3,图5中,横坐标为气液比R,其值为 空气与水的质量之比m/ml,纵坐标是索太尔直径 D,其表达式l]为?/?,为直径d 的颗粒数密度,所测点离喷头出口250lnm. 2.1混和管直径及长度的影响 混和管内径变小,能增加气液两相的相对速度, 有利于雾化,但这又会影响雾化粒子的重新聚和.因 为混和管太长,气体能量损耗也多,所以会使液流雾 化变差;如果混和管太短,气体能量就不能得到充分 利用,造成液流雾化不充分.混和管直径及长度对雾 化粒径的影响见图3. 2.2喷头的影响 因为缩小喷头出口面积会提高出口压降,所以 导致气液两相混和物的加速作用明显增强,而气液 两相间的相对速度增大,也促使液相破碎的更细.但 是,出口压降的增大必然会增加混和管内的压强,从 而导致混和管内气液两相的相对速度减小,这又会 使雾化变差,其综合影响见图4. 第4期忭-船.等:喷嘴雾化牲衽的蛮骑研究 图3混和i垃K董叫每化f?的响R/% l53种喷嘴雾化效果的比较曲线 图4喷头尺寸埘雾化粒径的影啊 2.33种喷嘴雾化效果的比较 3种喷嘴雾化效果的比较如图5所示.其中,直 射一旋流式最好,因为其气液比变化范围大,且粒径 随气液比的增大,下降的程度也大.在离心式和直射 一 旋流式喷嘴中都有旋流器,但雾化结果却有较太差 异.因为在离心式结构中,液体由旋流器雾化后,随 空气流向混合腔及混合管时,引起了液滴的再积聚; 在直射一旋流式喷嘴中,旋流器在混合腔之后,当气 液混合物经过该结构时,液体在离心雾化的同时,又 受到气体对它的作用力,使雾化效果变的比较好可 见,混和腔,混和管,喷头对雾化的影响很大,如果它 们之间在一定程度上匹配的比较理想时,会使雾化 效果更好. 2.4气液比与雾化粒径的关系 由图5可知,随着的增大,雾化粒径呈减小 的趋势因此,增加气液比可增加气液两相的相对速 度,使液膜破碎得更细.但是,气液比增大到?定程 度后,粒径的变化反而不明显 2.5液滴浓度随气液比的变化 随着w的增大,水的颗粒浓度呈减小趋势,这 是因为水在空气中的质量分数的减小造成的(见图6). 3结论 根据雾化机理和实验研究,提出了改善喷嘴雾 图6澈摘浓度随训H的业化曲线 化的途径. (1)增加气液两相的相对速度差增大气动力, 使液滴在较大气动力的作用下,破碎得更细. (2)提高液相喷嘴的出口速度以增强对撞,使相 对喷出的液滴在对撞时能够进一步破碎.实验发现, 若液滴出口速度小,则会聚成大液滴,若液滴出口速 度大,可改善雾化的程度但是,这样会使气液的相 对速度减少,使气动力雾化液滴变差. (3)实验结果表明,喷头,混合管的几何形状和 尺寸对雾化性能的影响很大.因此,在设计模型时, 除了分别考虑它们对雾化的影响外,还应考虑它们 结合在一起后的整体性能. 致谢感谢西北工业大学固体火箭发动机国防科技 重点实验室陈步学教授,征亮教授,蔡体敏教授,胡 春波博士后的支持. 参考文献: [1]孙得川.雾化喷嘴的理论与实验研究[D]西安:西北 工业大学航天工程学院.1997. [2]曾卓雄.含翼柱型装药潜入喷臂背壁区流场冷流模拟 和PDPA的应用[D].西安:西北工业大学航天工程学 院.1998 [3]张远君,王慧玉,张振鹏.两相流体动力学[M北京: 北京航空学院出版社,1986. (编辑管咏梅)