喷孔结构对双旋流气泡雾化喷嘴喷雾特性的影响

2021-10-27刘联胜张海洋段润泽

流体机械 2021年9期

裴娜，杨华，刘联胜，张海洋，王越，解珺，田亮，段润泽

（1.河北工业大学能源与环境学院，天津 300401；2.华北理工大学轻工学院，河北唐山 063000；3.河北省热科学与能源清洁利用技术重点实验室，天津 300401；4.中国人民解放军63837部队，四川绵阳 621000）

0 引言

气泡雾化喷嘴是一种气液在内部混合的两相流喷嘴［1］，通过喷嘴内外压差使气泡在流出喷孔前后经历变形、膨胀、破碎等过程，进而加速液体射流的破碎，从而使雾化颗粒平均直径大幅减小［2］。气液比、气相压力和液相压力等工作参数对内混式气泡雾化喷嘴雾化特性有很大的影响［3-9］，随着气压、气液比的增加，喷嘴的雾化粒径减小，且气压为主要影响因素；随着液相压力的增大，雾化粒径增大；液体黏度和表面张力对粒径影响也很大。

气泡雾化喷嘴是一种典型的内混式喷嘴，气液两相流体在喷嘴混合室内形成气液两相流，如何强化气、液两相流体之间的动量能量交换，是喷嘴结构设计的关键。文献［10-12］重点研究了喷嘴混合室结构特征对喷嘴雾化特性的影响研究表明，混合室的结构、气孔的数量与孔径、水孔的孔径、出雾口形式等均对两相流喷嘴的雾化性能有很大的影响，文献中采用的喷嘴从两侧注水和注气，气液两相流体之间是环状射流。若垂直注气则为交叉射流，气液两相以交叉射流方式完成混合后，两相之间仍存在交叉的滑移速度；为了实现气液两相形成均相流动，文献［13-14］通过组织喷嘴内部气相旋流流动来强化两相混合，使喷雾颗粒平均直径降低至30 μm以下。

喷孔结构也是影响喷嘴雾化质量的主要参数之一，文献［15］以压力雾化喷嘴为研究对象对比研究了圆形孔口、锥形孔口、异形孔口和双异形孔口对喷嘴喷雾特性的影响，发现锥形孔和异形孔的雾化颗粒平均直径更小。文献［16］则分析了不同喷孔结构对气泡雾化喷嘴压降和流量系数的影响，研究结果表明异形孔的流量系数最高，圆柱孔的流量系数最小。但是该文未讨论喷孔形状对气泡雾化喷嘴雾化特性的影响。

本文以一种气液两相交叉射流与旋流相耦合、具有两级混合室结构的气泡雾化喷嘴为研究对象，对其喷雾特性开展研究工作，重点探讨异形喷孔（包括方形、椭圆形）对喷雾质量的影响规律。

1 试验系统

1.1 试验系统

图1示出气泡雾化的试验系统，试验系统分为供气系统和供水系统。供气系统由空气压缩机产生的压缩空气进入储气罐，通过气体调节阀控制气压和进气量；供水系统是压缩空气将储液罐内的水压缩到管道中，通过液体调节阀调节水的流量。气体和水进入气泡雾化喷嘴后，在混合室内形成气液两相流，然后经喷口喷出。采用马尔文激光粒度分析仪对气泡雾化喷嘴的颗粒直径进行了诊断分析。测量过程中，喷嘴保持垂直向下喷射。试验中液相工质为去离子水；测量位置设置在距喷嘴出口150 mm的喷雾主流中心线处。喷嘴流量特性的调节方法为控制气体压力保持一定，通过调节液体流量来获得不同气液比下的液体质量流量值，得到流量特性曲线。研究中利用马尔文激光粒度分析仪和激光颗粒动态分析仪（PDI）对气泡雾化喷嘴的喷雾特性进行了诊断分析。

图1 试验系统Fig.1 The experimental system

1.2 喷嘴结构

本文采用的双旋流气泡雾化喷嘴由内部构件和外部构件组成，内部构件为内芯，外部构件为外壳和喷头，内外构件采用螺纹连接，内、外构件所形成的封闭空间构成喷嘴的混合室，不同喷头的封闭端中心位置开有不同形状的喷孔。进气孔位于喷嘴顶部，进液孔位于喷嘴侧部，气液两相流体在一级混合室完成混合后，经旋流槽进入二级混合室内，最后从喷头喷口射出。喷嘴的材料为黄铜，其耐腐防锈性能好。该喷嘴在保留气液两相旋流混合的基础上，采用了两级混合室结构。这样可进一步强化气液两相之间的动量交换，有助于形成均匀稳定的泡状流型。

为了获得良好的雾化效果，对喷嘴出口孔型进行了改进，在圆形孔的基础上，设计了椭圆形孔喷嘴和正方形孔喷嘴，其中圆形孔喷嘴的直径分别为1.0 mm，正方形孔边长为1.0 mm，椭圆形孔长轴为1.2 mm、短轴为1.0 mm。喷孔形状如图2所示，试验所用喷嘴参数见表1。喷嘴结构如图3所示。

图2 喷孔形状Fig.2 Atomizer orifice shape

图3 喷嘴结构和出口示意Fig.3 Schematic diagram of atomizer structure and outlet

表1 试验所用喷嘴参数Tab.1 Parameter of the atomizers

2 试验结果与分析

2.1 喷孔结构对流量特性的影响

图4示出气相和液相压力为0.5 MPa时喷孔结构对流量特性的影响。为了使测试喷嘴的喷孔长度均为2 mm，圆形孔的出口截面积与椭圆形孔和正方形孔的出口截面积相差较大，因此本文引入喷嘴出口单位面积下的质量流量进行分析。从图中可以看出，不同喷孔结构的喷嘴的流量特性曲线具有相同的趋势，相同压力下，随着气液质量流量比（ALR）的增大，喷嘴出口单位面积下喷雾流量呈现逐渐减小的趋势。原因在于，随着ALR增大，出口截面的含气率越来越大、液体流通截面积越来越小，流量系数逐渐减小，最终导致喷雾流量降低。相同ALR时，异形孔喷嘴的流量增大，喷嘴S的流量最大。当ALR较小时，异形孔的流量明显大于圆形孔喷嘴，随着ALR的增加，流量的增加幅度变小，喷嘴E的流量趋近于喷嘴C，但是单位面积下喷嘴S的流量仍明显高于喷嘴C和喷嘴E。

图4 喷孔结构对流量特性的影响Fig.4 Effect of orifice structure on flow characteristics

2.2 喷孔结构对索特尔平均直径的影响

图5示出不同压力下，喷孔结构对索特尔平均直径（SMD）的影响。

图5 喷孔结构对索特尔平均直径的影响Fig.5 Effect of orifice structure on Salter mean diameter

气相和液相压力分别为0.4，0.5和0.6 MPa，气液质量流量比分别为0.13，0.16和0.19。从图中可以看出，3种不同形状喷孔的喷嘴均可取得良好的雾化效果，但是异形喷孔的粒径更小。相对与典型的圆形孔结构而言，椭圆形孔和正方形孔结构具有更加优良的雾化质量，当P=0.5 MPa，ALR=0.16时，其D32降幅分别为28.2%，35.8%。在相同压力下，正方形孔的喷嘴的粒径最小。说明异形喷孔的扰动强，在喷嘴出口下游，微小气泡急速膨胀和破碎所导致的二次雾化现象使得喷嘴的粒径更小。而影响气泡破碎的主要因素包括气泡内外压差、气泡尺度、表面张力系数、运动速度和外部扰动等等，在相同喷嘴内部结构和工作条件下，3种喷孔形状所产生的气泡，其内外压差、尺度和运动速度相差不大，但是，相对于圆形孔和椭圆形孔，正方形孔可以产生更加剧烈的局部扰动，这将有助于促进微小尺度气泡的破碎，从而使雾化颗粒平均直径大幅减小。

2.3 喷孔结构对粒径分布的影响

图6示出了气相和液相压力为0.5 MPa，气液质量流量比为0.16时喷孔结构对粒径分布的影响。从图中可以看出，喷嘴粒径的微分分布呈现单峰形式，液滴粒径数目分布呈现先增加后减少的趋势。喷嘴C和喷嘴E的粒径峰值均出现在30 μm左右，喷嘴S的粒径峰值为20 μm左右。随着截面面积的增加，喷嘴E和喷嘴S的曲线向左移动，但是喷嘴S的曲线移动较多。说明增加喷嘴出口截面面积，液滴的雾化质量得到改善，大颗粒液滴减少，小颗粒液滴所占比例增大。喷嘴E的雾滴体积的频率峰值最小，粒径分布范围变宽，说明雾滴粒径更分散。累积分布显示，随着喷孔截面积的增加，曲线变陡，小颗粒液滴增多。上述数据同样说明，异形喷孔可以产生更加剧烈的局部扰动，有助于促进微小尺度气泡的破碎，从而使雾化颗粒平均直径大幅减小。

图6 喷孔结构对粒径分布的影响Fig.6 Effect of orifice structure on particle size distribution

2.4 喷孔结构对粒子速度的影响

图7示出气相和液相压力为0.5 MPa，气液质量流量比为0.13～0.19时喷孔结构对粒子速度的影响。从图中可以看出，3种喷嘴在同一压力不同气液比下，粒子速度变化不明显，说明气液比对粒子速度的影响较小。但是相同气液比时，喷孔形状影响了粒子速度的大小，异形喷嘴的速度大于圆形孔喷嘴的速度，正方形孔喷嘴的速度最大。相对于圆形孔喷嘴，喷嘴E的粒子速度平均增加了14.8%，喷嘴S的粒子速度平均增加了24.4%。说明异形喷孔的强烈扰动对气相产生了一定的加速作用，增大了喷口位置气液两相的剪切作用，同时提高了局部扰动，增大了粒径的速度。异形喷孔速度的增加，气体扰动增强，下游的喷雾二次破碎作用也会更强，导致液滴更容易破碎，形成更小粒径的喷雾。