气动扇形喷嘴雾化特性的实验研究

池保华，仲伟聪，杨国华，洪 流

（西安航天动力研究所，陕西西安710100）

0 引言

喷嘴是液体燃料燃烧装置中不可缺少的一个关键组成部分，在液体火箭发动机和航空发动机中都有广泛应用。国内外对雾化方法进行了试验与理论研究，发展了各种不同类型的喷嘴。目前普遍应用的喷嘴主要有机械式喷嘴、气动喷嘴和旋转式喷嘴等[1]。气动喷嘴是采用空气或蒸汽作雾化介质，利用气液两相的作用力将工质雾化，有高压和低压两种类型。常见喷雾场形式有实心锥、空心锥和扇形等，喷雾场的雾化粒径分布、流强的空间分布、雾化角度和喷射速度等直接影响燃烧效率、稳定性和热防护，研究其雾化特性对燃烧装置的设计有重要指导意义[2-3]。

本文根据常用气动喷嘴的设计基础，结合扇形喷雾场的形成方法，设计加工了5种扇形喷嘴，研究了气液比、临界面积、喷口面积对扇形喷雾场流量系数和雾化粒径分布的影响，并定性给出了喷嘴结构对雾化特性的影响规律。

1 喷嘴设计

以气动雾化理论为基础，设计加工了5种喷嘴，喷嘴参数见表1，结构见图1。水和压缩空气分别从液体通道和气体通道进入，液体通道位于喷嘴中心位置，4路气体通道呈中心对称分布，液体通道和气体通道夹角为45°。水和压缩空气相撞后，进入混合室相互冲击混合，并发生强烈的动量交换和能量交换，形成均匀的气液混合物，最后从喷口喷出，完成雾化。

喷嘴的结构参数主要包括：液孔直径d1、气孔直径d2，临界面积Acr，喷口面积Ae。喷口形状为带导流角的橄榄形喷口和矩形喷口，气液混合物通过混合室出口后，受到整流槽限制而挤压变形，形成角度和导流角近似的扇形喷雾场。

表1 喷嘴规格参数Tab.1 Parameters of nozzles

2 试验系统

雾化试验系统的结构如图2所示，主要由液流试验系统和光学诊断系统组成。液流试验系统包括水储箱、空气储箱、截止阀、流量计、孔板、压力传感器、电磁阀、雾化喷嘴等。光学诊断系统由激光光源、高速摄影机和图像分析处理系统组成，能够分辨最小40 μm的液滴，拍摄速度为4 500幅/秒。试验系统中以水为工作介质，以压缩空气为雾化介质。水流量由电磁流量计测量，空气流量较小，用0.5 mm超音速孔板控制。试验前，对超音速孔板进行标定，流量特性为Q=0.5(p+0.1)，测量误差在2%以内。

试验前，调整好光学诊断设备，分别通入压缩空气和水，调节两路控制阀达到试验工况，打开电磁阀，待流量稳定后，记录喷嘴工况参数，利用高速摄影相机进行拍摄测量。同步调节液路流量及气液比，重复上述试验。

3 试验结果及分析

试验中对5种扇形喷嘴分别进行了3种气液比条件下的雾化试验，其中1#，2#和3#喷嘴气液比条件为1.0%，1.5%和2.0%，4#喷嘴气液比为1.0%，1.4%和2.1%，5#喷嘴气液比为1.0%，1.6%和2.0%。高速摄影相机拍摄区域位于喷口下游30 cm，拍摄方向与喷嘴轴线垂直，拍摄区域大小2 mm×2 mm。大喷雾角时拍摄横向3个区域，小喷雾角时拍摄两个区域，试验现场如图3所示。根据试验参数，分析了工况条件、结构尺寸对喷嘴雾化特性的影响。

3.1 流量特性

不同气液比下混合物密度不同，计算得到的总流量系数不同。流量系数计算方法如下：

式中：ρl和ρg为液体、气体密度；α为气液比；Q为额定流量；A为喷口面积；Δp为喷前表压。

图4为喷嘴流量系数随气液比的变化曲线，横坐标为气液比，纵坐标为流量系数。从图中可以看出，随着气液比的增加，喷嘴的流量系数随之减小。同气液比时流量系数较高的是2#喷嘴和4#喷嘴。决定扇形喷嘴出口流动损失的主要因素有导流角度、导流长度、横截面形状、速度分布、流动状态等，流动损失越大，喷嘴流量系数越小[4]。试验条件下，从喷嘴流量系数变化可以看出：相同导流角度时，喷嘴流动损失随着出口横截面长宽比的增大而增大；相同出口长宽比下，喷嘴流动损失随着导流角度的增大而增大。

3.2 雾化特性

3.2.1 气液比影响

以索太尔直径（D32）为雾化粒径衡量标准，图5给出了不同区域D32随气液比的变化曲线 (r为测量区域距喷嘴中心线的距离)。在气液比1.0%～2.1%时，大流量扇形喷嘴（1#，2#，3#）雾化粒径范围74.2～90.5 μm，小流量扇形喷嘴（4#，5#）雾化粒径范围 70.9～91.6 μm。喷嘴的雾化特性取决于气液的动量交换，在混合室一定的情况下，混合室入口的气液动量比对气液的混合起着决定性作用。分析不同工况条件下混合室的入口气液动量比，动量比随气液比的增大而增大，1#喷嘴动量比0.034～0.088，2#喷嘴动量比0.038～0.096，3# 喷嘴动量比 0.034～0.088，4# 喷嘴动量比 0.044～0.116，5#喷嘴动量比 0.032～0.088。入口动量比越大，气液混合越好，平均索太尔直径呈减小的趋势。

图6给出了喷雾场不同位置处D32的变化情况。气液比较低时，2#，3#，5#喷嘴中心和边区位置SMD相差不大，1#，4#喷嘴中心和边区位置SMD相差15 μm以上；气液比较高时，1#～4#喷嘴中心区域SMD较小，边缘均有不同程度的升高，4#喷嘴中心和边区SMD相差12 μm以上，5#喷嘴雾化较均匀，D32随位置变化不大。分析认为：试验喷嘴气液动量比相差较大，气、液射流初始撞击时仅能引起液束的变形、扭曲和局部剥离，部分工况下液核在混合室内会偏离喷嘴中心，导致中心附近区域SMD反而偏大。

3.2.2 喷嘴结构影响

在入口结构和混合室一定的情况下，喷头结构的变化主要是临界面积和出口面积的变化。临界面积指混合室出口面积，它主要决定着混合室压强的高低和扇形喷雾场流强分布，出口面积主要决定雾化粒径分布、雾化角度和喷射速度。

小流量喷嘴工作时，喷雾场角度与喷嘴导流角度基本一致，相同区域粒径分布对比如图7和图8所示。从图中可以看出，气液比较高时，5#喷嘴液滴直径分布更趋近于正态分布，其小液滴更多、雾化效果更好；气液比较低时，4#喷嘴液滴直径分布更均匀，其雾化效果更好。4#与5#喷嘴具有相同的导流角度和导流长度，但5#喷嘴平均流量系数（0.276）小于4#喷嘴平均流量系数（0.346），说明矩形截面造成的流动损失要大于橄榄型截面。进一步地，可以定性认为，矩形截面对两相流的扰动随气液比的增大而增大。

大流量喷嘴工作时，喷嘴出口导流角对喷雾场角度的影响各不相同，1#喷嘴喷雾场角度与喷嘴出口导流角基本一致，2#喷嘴喷雾场角度比喷嘴出口导流角小约5°，3#喷嘴喷雾场角度比喷嘴出口导流角小约10°。不同喷嘴相同区域粒径分布对比如图9和图10所示。

从图中可以看出，气液比较高时，3#喷嘴平均SMD最小，雾化特性最好；气液比较低时，2#喷嘴液滴直径分布更均匀，雾化效果更好。随着喷嘴导流角由30°增加到100°，流量系数先增加后减小，流动损失也呈抛物线变化。这说明在设计工况下，橄榄型喷口导流角小于60°的范围内，存在一个导流角最佳值，既能满足喷雾场角度与导流角一致，又能达到最好雾化效果。

4 结论

设计并加工了5种不同的扇形雾化喷嘴，搭建了试验台架系统，进行了喷嘴的雾化特性试验研究，从流量特性和雾化特性方面对试验结果进行了对比和分析，得到如下结论：

1）随气液比增加，扇形喷嘴流量系数随之减小。相同导流角时，扇形喷嘴流动损失随出口横截面长宽比的增大而增大；相同出口长宽比下，扇形喷嘴流动损失随导流角的增大而增大。

2）扇形喷嘴结构一定时，气液混合动量比越大，气液混合越好，喷雾场平均索太尔直径愈小。

3）矩形截面造成的流动损失要大于橄榄型截面，矩形截面对两相流的扰动随气液比的增大而增大。

4）设计工况下，橄榄型喷口导流角小于60°的范围内，存在一个最佳值，既能满足喷雾场角度与导流角一致，又能达到最好的雾化效果。

[1]SRIDHARA S N,RAGHUNANDAN B N.Studies on the performance of airblast atomizer under varying geometric and flow conditions,AIAA 99-2460[R].USA:AIAA,1999.

[2]龚景松,傅维镳.一种新型喷嘴的提出及其流量特性的研究[J].工程热物理学报,2005,26(3):507-510.

[3]RIZK N K,LEFEBVRE A H.Influence of airblast atomizer design features on mean drop size,AIAA 82-1073[R].USA:AIAA,1982.

[4]章梓雄,董曾南.粘性流体力学[M].北京:清华大学出版社,1998.

[5]石玉文.气动喷嘴雾化特性的数值研究[J].汽轮机技术,2007,49(4):294-295.

[6]徐行,郭志辉,顾善建.新型气动雾化喷嘴喷雾特性的实验研究[J].航空动力学报,1997,12(3):295-334.

[7]REITZ R D,BRACCO F V.Mechanism of atomization of a liquid jet[J].Phys.Fluids,1982,25(10):1730-1742.

[8]CROESLER T,LEFEBVRE A H.Studies on aeratedliquid atomization[J].International J.of Turbo and Jet Engines,1989(6):221-229.