某空气雾化旋流喷嘴在受限空间内雾化特性的实验研究

刘焜，余永刚，赵娜

(1.南京理工大学 能源与动力工程学院，江苏 南京210094;2.西北机电工程研究所，陕西 咸阳712099)

0 引言

空气雾化旋流喷嘴是目前应用较广的一种组合式喷嘴，它一般是由旋流喷嘴和空气雾化喷嘴组合而成［1-3］。空气雾化旋流喷嘴具有多种结构形式，其中，在传统空气雾化喷嘴的基础上，添加空气轴向旋流器的设计最为常见，其优点在于利用旋流空气对燃料进行二次雾化，提升雾化效果。Mao 等［4］运用弗劳恩霍夫衍射粒径仪测量了此类喷嘴的液滴索特平均直径(SMD)，指出了索特平均直径和空燃比的线性关系。Levy 等［5-6］研究了旋流空气的压力变化对于喷嘴雾化的影响，发现空气喷射压力升高到一定值之前，液滴直径随其增大而明显变小，此外还对比了空气轴向旋流和径向旋流作用下喷嘴的雾化性能差异。周兵等［7］采用相位多普勒粒子分析仪(PDA)对带空气旋流器的双油路离心喷嘴的雾化特性进行了实验研究，得到了索特平均直径与喷雾锥角随供油压力与风速的变化规律。

美国通用电器公司研发的双旋流空气雾化喷嘴是空气雾化旋流喷嘴另一种结构形式的典型代表。它是在直射或离心喷嘴外部，加装旋流杯结构而成，工作时利用旋流杯中两个空气旋流器形成的同向或反向的两股气流对油膜产生剪切破碎，以达到雾化的效果。Wang 等［8-9］和林宇震等［10-11］针对此类喷嘴进行了深入的研究，通过改变喷嘴尺寸、套筒结构和旋流方向等条件，研究了喷嘴的喷雾和燃烧性能以及流场结构。罗国良等［12］对平滑和扩张套筒出口形状的旋流杯空气雾化喷嘴燃烧室点火性能进行了研究。龚景松等［13-14］将外混旋流的工作方式改变为内混旋流，提出一种新型空气雾化旋流喷嘴并实验测量了其雾化性能。

本文在此基础上设计了一种空气雾化旋流喷嘴，即在Levy 等［5-6］研究的带有轴向旋流器的空气雾化喷嘴基础上，引入龚景松等［13-14］提出的内混旋流理念设计而成，既具备了喷嘴内部空气与燃料的掺混与旋流方式，又保留了外部旋流空气对于液滴的二次雾化作用。

1 实验装置与测量方法

喷雾实验系统如图1所示。PDA 测试系统的粒径测量范围为0.5 ～200 μm，测量精度小于1%;速度测量范围为- 300 ～1 000 m/s，测量精度在0.1%以内。图2所示为喷雾实验用的受限空间。受限空间的设计参考燃烧室的几何形状，由有机玻璃加工制成，总高度为130 mm，主体呈圆柱形，内径70 mm，出口段为一收敛喷管，出口内径35 mm. 在壁面上开有周向180°的透光槽用于采集数据，槽道宽度5 mm.

图1 喷雾实验系统框图Fig.1 Block diagram of spray system

图2 受限空间Fig.2 Confined space

图3为实验用空气雾化旋流喷嘴，该喷嘴采用内混与外混两种空气辅助雾化方式，具有相连接的气体通道和液体通道。模拟液体工质进入喷嘴内部后经过液体旋流装置和内部反向旋流空气混合，再经液体旋流通道旋流后，由中心喷嘴喷出，形成初步雾化的液滴群。随后，在喷嘴外部，初步雾化的液滴群与经空气环形喷嘴喷出的同向旋流空气发生二次作用，形成最终的雾化液滴群。中心喷嘴直径2 mm，外混空气环形喷嘴宽度3 mm，液体和空气旋流通道均与中心轴成60°夹角，喷嘴加工误差率小于0.1%.

实验采用三维PDA 测试系统，PDA 光束交点即为数据测量点。测量点坐标轴确定方法如图4所示。喷嘴出口方向为z 轴，喷嘴中心为坐标系原点O. 垂直于z 轴的截面视为Oxy 平面。x、y、z 轴三者方向符合右手螺旋关系。为了便于说明雾化场参数的分布特性，采用柱坐标形式定义测量点位置。z 轴为柱坐标系中心轴，z 轴正方向为轴向方向，垂直于z 轴方向为径向方向，α 为周向角，取x 轴正向为0°，沿顺时针方向为正方向取角。r 为原点O 到测量点在平面Oxy 上的投影点间的距离。z 为测量点到Oxy 平面的距离。实验中选取了z 分别为35 mm、60 mm、90 mm、110 mm 4 个测量截面，单个截面上的测量点布置如图5所示，在截面上以每间隔30°按测量点与原点O 在截面上的投影点间的距离r 分别为0、5 mm、10 mm、15 mm、20 mm、25 mm 取6 个实验点，共计36 个测量点。数据处理时，对截面上的36 个测量点数据取加权平均得到截面平均值。

图3 空气雾化旋流喷嘴结构图Fig.3 Structure of air-assist nozzle

图4 坐标系示意图Fig.4 Coordinate system

图5 截面上测量点布置图Fig.5 Distribution of measuring points on a section

2 实验结果与讨论

为了解该空气雾化旋流喷嘴的雾化性能，本文研究了喷嘴在受限空间内和大气环境中的雾化特性以及改变液体和气体喷射压力对于其在受限空间内雾化性能的影响，分别测量了雾化场中液滴索特平均直径D32和液滴轴向速度v. 实验采用的雾化介质气体为空气、液体为模拟液体燃料，粘度为1 ×10-3Pa·s.

2.1 受限空间内与大气环境中喷雾特性的比较

图6 pg =0.2 MPa 和pl =0.1 MPa 工况下受限空间内和大气环境中雾化场参数的对比Fig.6 Comparison of spray characters in chamber and atmosphere for pg =0.2 MPa and pl =0.1 MPa

为了研究受限空间对于空气雾化旋流喷嘴喷雾特性的影响，将气体喷射压力pg=0.2 MPa，液体喷射压力pl=0.1 MPa 工况下的喷嘴在受限空间内和大气环境中的雾化场参数进行比较。图6(a)为受限空间内和大气环境中液滴平均直径D32轴向分布特性的对比。由图6(a)可见，大气环境中液滴平均直径的轴向分布呈现一定波动，这是由于空气雾化旋流喷嘴的工作方式是依靠气-液之间的扰动作用，喷雾场的流动较为复杂，因此液滴平均直径分布存在一定的波动变化。受限空间对于气体流动的限制作用则减小了直径分布的波动。根据轴向位置关系将喷雾场测量区域分为3 部分，即:［25 mm，55 mm］、［55 mm，65 mm］、［65 mm，110 mm］. 当z∈［25 mm，55 mm］时，受限空间内液滴平均直径小于大气环境中液滴平均直径;当z∈［55 mm，65 mm］时，二者较为接近;而在z∈［65 mm，110 mm］内，受限空间内液滴平均直径大于大气环境。图6(b)为受限空间内和大气环境中液滴轴向速度沿轴向分布的比较。图6(b)中，两条曲线均呈现沿轴向减小的趋势，受限空间内液滴轴向速度小于大气环境中的液滴轴向速度。

受限空间内和大气环境中雾化场参数的差异主要来自壁面的影响。第一，壁面限制了外部环境中空气对于喷嘴的影响，强化了喷射出的气-液两相间的相互作用，使液滴更容易发生二次碎裂，减小了液滴平均直径，这点在喷嘴近场表现的较为明显。第二，随着喷雾沿轴向与径向的扩展，在喷嘴远场，液滴较容易与壁面发生碰撞。壁面对于雾化液滴的反弹作用提高了液滴相互碰撞聚合的概率，增大了液滴速度损失。第三，在喷雾场中部，在壁面和气-液作用的共同影响下，受限空间内的液滴直径与在大气环境下的液滴直径较为接近。

2.2 受限空间内液体和气体喷射压力变化对于喷嘴雾化性能的影响

图7为不同的液体和气体喷射压力下受限空间内喷嘴雾化场中液滴平均直径D32的数目分布图。图7(a)中大部分液滴分布在120 ～195 μm 区域内，占总液滴数的88.75%. 其中，在150 ～165 μm 区间内液滴数最多，占总液滴数的30.52%. 图7(b)中90.11%液滴分布在105 ～165 μm 区域内。峰值出现在120 ～135 μm 区间，31.67%的液滴集中在该区间内。图7(c)中94.09% 的液滴集中在90 ～150 μm 区域内，其中120 ～135 μm 区间内的液滴数最多，达到了45.32%. 可以发现，随着pg/pl的值增大，液滴直径分布的区间由宽变窄，峰值区间内的液滴数随之增加，说明液滴直径分布的均匀性逐渐变好。

图7 液滴平均直径D32的数目分布Fig.7 Number distribution of mean diameter D32 of droplets

图8显示了液滴平均直径D32沿轴向的变化趋势。由图8可以看出，液滴直径沿轴向的变化规律基本一致，呈现先减小后增大的轴向变化趋势，与龚景松等［13-14］的研究结果相一致。以pg=0.35 MPa、pl=0.15 MPa 工况为例，z=35 mm，D32=121.03 μm;z=60 mm，D32=120.28 μm;z=90 mm，D32=119.67 μm;z=110 mm，D32=139.9 μm. 原因是在靠近喷嘴附近区域，气-液间的相互作用较强，液滴容易发生二次破碎，因此液滴直径不断减小。随着喷雾发展，在气动力作用下液滴速度逐渐下降，液滴群密度增加，此时液滴碰撞聚合效果趋于明显，从而增大了整个轴截面上的液滴平均直径。

图8 液滴平均直径D32沿轴向的变化Fig.8 Mean diameters D32 of droplets along axial direction

当液体喷射压力pl=0.2 MPa，气体喷射压力pg由0.35 MPa 提升至0.4 MPa 时，由图7(a)、图7(b)可见，液滴直径分布向减小的方向偏移。说明随着气体喷射压力增大，雾化效果变好。这是由于提高气体喷射压力后，喷嘴内外部气-液相之间的扰动作用增强，使大粒径的液滴更容易发生二次破碎，形成直径较小的液滴。而图8中，在靠近喷嘴的z =35 mm截面上，这两种工况下的液滴平均直径差值ΔD32=26.2 μm，而在较远的z =110 mm 截面上，ΔD32=35.84 μm. 可见气体喷射压力变化对于液滴直径的影响在喷嘴远端表现得更为明显。

结合图7(a)、图7(c)和图8可以发现，当气体喷射压力pg=0.35 MPa，液体喷射压力pl由0.15 MPa提升至0.2 MPa 时，液滴的直径分布整体增大，这与Kuferrath 等［15］的研究结果相吻合。造成这种现象的原因在于，对于压力喷嘴，增大液体喷射压力的同时，液体喷射速度也随之变大，而气体压力不变，导致气-液相间的相对速度变小，气动力作用减弱。与此同时，液体流量增大，使雾化难度增加。这两方面因素致使液滴直径呈现随液体喷射压力增大而变大的趋势。图8中z=35 mm 截面上，两种工况下液滴平均直径差值ΔD32=31.52 μm，在z =110 mm截面上，ΔD32=51.9 μm. 说明液体喷射压力变化对喷嘴远端的雾化液滴影响较大。

图9为不同工况下液滴轴向速度v 沿轴向的变化图。由图9可以发现，图9中各曲线变化趋势大致相同，即液滴轴向速度沿轴向逐渐减小。以pg=0.35 MPa、pl=0.15 MPa 工况为例，z =35 mm，v =6.05 m/s;z =60 mm，v =4.39 m/s;z =80 mm，v =2.96 m/s;z=110 mm，v=2.79 m/s.

图9 液滴轴向速度v 沿轴向的变化Fig.9 Axial velocities v of droplets along axial direction

将pg= 0.35 MPa、pl= 0.2 MPa 工 况 和pg=0.4 MPa、pl=0.2 MPa 工况进行对比发现，当液体喷射压力一定时，气体喷射压力增加，液滴轴向速度变大。在距喷嘴较近的z=35 mm 截面上，两种工况下的液滴轴向速度差值Δv 为1.01 m/s. 随着喷雾向下游发展，在远端的z=110 mm 截面上，液滴轴向速度差值Δv 增大到1.17 m/s. 另外，将pg=0.35 MPa、pl=0.15 MPa 工况和pg=0.35 MPa、pl=0.2 MPa 工况进行对比可见，图9中的两条曲线比较接近，两种工况下液滴轴向速度差值Δv 最大为0.48 m/s，最小为0.07 m/s. 由此可见，气体喷射压力比液体喷射压力对液滴轴向速度影响更大。

3 结论

根据本文的实验结果，可得出如下初步结论:

1)当液体喷射压力为0.1 MPa、气体喷射压力为0.2 MPa 时，受限空间内液滴轴向速度小于大气环境中的液滴轴向速度。当z∈［25 mm，55 mm］时，受限空间内液滴索特平均直径小于大气环境中液滴索特平均直径;当z∈［55 mm，65 mm］时，二者较为接近;而在z∈［65 mm，110 mm］内，受限空间内液滴索特平均直径大于大气环境。

2)通过比较不同的液体和气体喷射压力下受限空间内喷嘴雾化场参数可以发现，雾化液滴的平均直径由气体和液体喷射压力共同决定。随着距喷嘴轴向距离的增大，液滴平均直径呈现先减小后增大的变化趋势，液滴轴向速度逐渐减小。

3)当液体喷射压力保持0.2 MPa，气体喷射压力由0.35 MPa 提升至0.4 MPa，液滴平均直径变小，液滴轴向速度变大;当气体喷射压力保持0.35 MPa，液体喷射压力由0.15 MPa 提升至0.2 MPa，液滴平均直径增大，但液滴轴向速度变化较小。随着气液压力比值的增大，液滴直径分布的均匀性变好。

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