离心式压力雾化喷嘴水力特性试验

刘喜元，王　丹，刘银水，陈　玲，王良武

(1.中国舰船研究设计中心，武汉 430064； 2.华中科技大学 机械科学与工程学院，武汉 430074)



离心式压力雾化喷嘴水力特性试验

刘喜元1，王丹2，刘银水2，陈玲1，王良武1

(1.中国舰船研究设计中心，武汉 430064； 2.华中科技大学 机械科学与工程学院，武汉 430074)

摘要：基于离心式压力雾化原理设计4种雾化喷嘴，通过试验对比分析不同几何参数喷嘴在低压条件下的流量、雾滴尺寸及其分布、出口速度和射程，获得雾滴尺寸、雾滴出口速度和射程随压力、流量及喷雾角的变化规律。结果表明，离心式压力雾化喷嘴在低压条件下雾化性能良好、雾滴出口速度大、射程远，可广泛用于船舶灭火、隐身和降温等领域。

关键词：离心式压力雾化喷嘴；几何参数；水力特性；细水雾

通过喷嘴喷洒出水柱或水雾进行降温、灭火、冲洗等在各行各业得到了广泛的应用，特别是细水雾以其无环境污染、灭火迅速、耗水量低、对防护对象破坏性小等特点，在船舶消防领域展示出了广阔的应用前景，已大量用于船舶机器处所和其他特定舱室的灭火，并且应用范围在不断扩大。根据供水压力的大小将细水雾分为低压、中压和高压细水雾3种，不同压力下水雾的粒径和水雾的覆盖范围有较大的区别。从本质上说，雾化是能量对液体作用的结果，但雾化过程中只有极少量的能量用于液体产生新的表面。对常用的压力式雾化喷嘴而言，绝大部分压力用于克服喷嘴内的摩擦阻力和转化为雾滴的动能，用于克服液体表面张力而形成新表面的耗能不到15%[1]。对于不同的雾化机理，促使液体破碎分散的能量形式不同。根据雾化形式可分为离心力雾化、压力雾化、气流雾化、撞击雾化、超声波或静电雾化等几种，不同的雾化形式对喷嘴的结构有不同的要求。其中针对细水雾技术在船舶上的应用，一般采用离心力雾化、压力式或气流式雾化。离心力雾化也称为圆盘雾化。当液体被送到高速旋转的圆盘中心区时，在离心力作用下，液体伸展变为薄膜，并以不断增长的速度向圆盘边缘运动。液膜离开圆盘时与空气摩擦，撕裂成雾滴。在圆盘雾化过程中，液膜是沿水平方向离开圆盘的，所得雾场形状为空心的抛物面。

基于压力式和离心式双重雾化原理，设计系列离心式压力雾化喷嘴。目前，对离心式压力雾化喷嘴的研究大多针对高压条件(通常为10 MPa)，而船舶液压系统普遍在低压条件(≤1.0 MPa)下工作，为了解离心式压力雾化喷嘴在低压条件下的水力特性，采用试验的方法探讨不同的几何参数对喷嘴水力特性的影响，为离心式压力雾化喷嘴的设计和应用提供试验依据。

1喷嘴结构原理

离心式压力雾化喷嘴雾化性能良好、结构简单，被大量应用于高压细水雾灭火系统、舰船红外隐身系统及船舶降温系统，其结构见图1。

图1　离心式压力雾化喷嘴结构示意

离心式压力雾化喷嘴主要由切向入口、流体旋转室、轴向出口等组成，其基本特征在于喷嘴内有一个倒置的锥形旋转室，切向入口、轴向入口分别位于锥形旋转室大端和小端。

当流体以一定的初始速度沿切向进入锥形旋转室后，根据旋转流体运动动量矩守恒定律，旋转速度与漩涡半径成反比，因此，越靠近轴心，旋转速度越大，静压力越小，结果在喷嘴中央形成一股压力等于大气压的锥形气芯，流体则变成绕气芯旋转的环形薄膜。在离心力作用下，喷嘴出口孔径以内的流体静压能转变为推动液膜向前运动的动能，从喷嘴高速喷出，液膜伸长变薄，最后分裂成小雾滴[2-3]。本文所讨论的离心式压力雾化喷嘴的喷雾效果见图2。

图2　离心式压力雾化喷嘴喷雾效果

2喷嘴水力参数性能试验

喷嘴水力特性分析，主要是分析喷嘴的压力、流量、雾滴粒径以及雾滴出口速度等参数之间的关系。

根据细水雾技术在船舶上的实际应用工况，对流量不同而喷雾角相同和流量相同而喷雾角不同的8 L/min-30°、8 L/min-50°、12 L/min-50°及16 L/min-50°喷嘴(见图3)的水力参数进行测试。以8 L/min-30°喷嘴为例，8 L/min为喷嘴每分钟的额定流量，30°为喷嘴的额定喷雾角。

图3　离心式压力雾化喷嘴

2.1试验系统

为了验证喷嘴的水力特性，搭建了小型试验系统，用淡水(自来水)进行试验，试验系统组成见图4。

1-蓄水池；2-手动调节阀；3-过滤器；4-高压水泵；5-溢流阀；6-手动控制阀；7-压力表；8-电子流量计；9-电磁阀；10-激光发射器；11-喷头；12-高速摄像机；13-激光探测器图4　喷嘴试验系统

试验用水取自蓄水池，由于水池是开敞式结构，通过过滤器滤除水中的的杂质，高压泵的性能参数(流量≥5 m3/h，扬程≥120 m)满足单个喷嘴的供水需求，通过手动调节可以调节进入喷头的水流量，流量和压力通过管路系统中的电子流量计和压力表进行测量，喷头供水的开启和停止由电磁阀或手动控制阀控制。喷头出水后，由激光发射器和激光探测器来测量喷水在不同流量、压力下的雾滴尺寸及其分布。试验系统还设有数据采集、分析设备，用以适时记录出水流量、压力、雾粒直径、雾粒分布状态。通过连接高速摄像机，测出喷嘴雾滴出口速度。

基于以上试验系统研究喷嘴的流量-压力特性曲线，通过对比试验数据，得出不同几何参数喷嘴的水力特性的变化规律。

2.2流量-压力特性

喷嘴流量是喷嘴最为关键的参数之一，喷嘴流量-压力特性是指通过喷嘴流量与工作压力之间的关系，然而喷嘴结构尺寸对喷嘴流量-压力特性有决定性的影响。诸多学者对离心式压力雾化喷嘴进行了大量的理论分析和实验研究[3-4]，总结如下。

将喷嘴口作为一个节流口，其流量与工作压力之间的关系可表示为

(1)

式中：Cq——流量系数；

A0——喷嘴出水孔截面积；

Δp——进出口压差；

ρ——液体密度。

其中，流量系数Cq是一个与结构尺寸有关的量纲一的量。

由式(1)可见，喷嘴出水孔的面积和喷嘴进出口压差直接决定了喷嘴的流量，在喷嘴结构设计完成后，喷嘴的流量仅受喷嘴进出口的影响。利用搭建的试验系统，通过手动调节阀调节管路系统的供水压力(0.3，0.5，0.8，1.0 MPa)，再测量不同压力下的流量，从而得出各喷嘴的流量-压力特性曲线，见图5。

图5　流量-压力特性

由图5可见，不同流量、不同喷雾角的喷嘴，随着压力升高，通过喷嘴的流量均增加，且喷嘴流量随压力缓慢增加，但不同流量、不同喷雾角的喷嘴的流量随压力变化的趋势基本相同。在相同压力下，额定流量相同而喷雾角不同的喷嘴的流量变化不明显。

2.3雾化质量分析

细水雾由于颗粒非常小、比表面积大，同水流相比更容易汽化，发生相变，从而吸收大量的热量，降低物体表面的温度[5]，其对船舶灭火、隐身和降温都有着至关重要的影响。细水雾主要是通过喷嘴雾化水而产生的，喷嘴雾化是喷嘴的主要特性之一，因此，提高喷嘴雾化性能、实现均匀细小的雾滴粒径是喷嘴研究的主要方向之一。

对离心式压力雾化喷嘴，雾滴粒径与喷嘴结构尺寸、工作参数均有直接关系，并且是个复杂的函数关系，许多学者也都建立了相应的经验公式。其中有学者在综合考虑液滴的粘度、密度、表面张力、结构尺寸、工作参数等情况下提出了雾滴平均粒径SMD的关系式[6]，见式(2)，并与实际情况较为吻合。

(2)

式中：σ——液体表面张力系数，dyn/cm；

P——压力，MPa；

μ——液体粘度系数，cP；

ρ——液体密度，g/cm3；

vd——流量，L/min；

KN——傅维标，无量纲(一般KN<1)；

d0——出口孔直径，mm。

SMD随压力变化情况见图6。

图6　SMD随压力的变化情况

由图6a)可见，雾滴粒径随喷嘴压力增加而减小，随喷嘴流量增加而增大。图6a)中喷嘴平均粒径SMD随压力增加而减小，这是由于压力的增加，喷嘴出口速度增大，气流对液滴的扰动增强，因此在较高的气液速度下，雾滴粒径更小；并且在压力较低时，雾滴粒径有较为明显的区别。流量越小，雾滴粒径越小，这是由于同样的能量将更少的水雾化成雾滴，雾滴粒径有所减小。

不同喷雾角的喷嘴平均粒径SMD随压力的变化见图6b)。在低压时，雾滴粒径有明显的区别，喷雾角越大，雾滴粒径越小，这是由于增大喷雾角，喷嘴出口直径增大，雾滴轴向速度减小、径向速度增大，气液相对速度增大，雾滴粒径减小，这与文献[7-8]等的研究结论一致。

由图6可见，雾滴粒径随压力的增大而减小，并且雾滴粒径在压力较低时减少的速率比较快，在压力大于0.5 MPa后减少的速率比较缓慢。

以美国国家消防委员会标准NFPA 750对细水雾的定义和分级[9]，本文讨论的离心式压力雾化喷嘴的雾滴尺寸在额定压力下均处于细水雾范畴，且均为第二级细水雾，在压力为1.0 MPa时，均能达到一级细水雾标准。

2.4雾滴出口速度分析

在船舶灭火、隐身和降温过程中，雾滴速度是影响灭火、隐身和降温效果的直接因素，速度越大，单位时间内通过的雾滴数量越多，在灭火时可供汽化的液滴越多，在冷却时液体的表面积越大，所以其灭火、隐身和降温的能力越好。

通过高速摄像机摄像并计算得出喷嘴雾滴出口速度，雾滴出口速度随压力的变化情况见图7。

图7　雾滴速度

喷嘴雾化是能量对液体作用的结果，压力能通过克服摩擦阻力、液体表面张力、粘性力后转换成液滴动能。在压力较低时，雾滴出口速度小，这是由于低压时表面张力克服了惯性力，液膜收缩成液泡，但在空气动力作用下破碎成大液滴。因此，低压状态液滴出口速度小；随着压力的增加，惯性力增大，液膜在惯性力的作用下逐渐失稳，破裂成丝状或带状，并与空气相对运动剧烈，表面张力及粘性力的作用减弱，液膜长度缩短并扭曲，在气动力作用下破碎成小雾滴，见图8。因此，高压时雾滴出口速度大。

图8　离心式压力雾化喷嘴雾化过程(压力逐渐增加)

由图8可见，雾滴速度随喷雾角减小而增大，这是由于喷嘴出口主要起节流作用，喷雾角越小，喷嘴出口越小，流体径向速度减小，轴向速度增加。

2.5射程分析

雾滴经喷嘴雾化生成后，在大气中运动，其射程决定了喷嘴在船舶不同应用场合的配置、安装位置以及实施效果。喷嘴射程随压力的变化情况见图9。

图9　射程变化

在雾滴运动中，雾滴受空气阻力影响，速度会减小，其受力方程为：

(3)

式中：Cd为阻力系数；ρa为空气密度；Aw为雾滴的截面面积；vd为雾滴速度。

阻力系数Cd是一个与雷诺数Re密切相关的系数，二者关系[10]见图10。

图10　液滴阻力系数与雷诺数的关系

分析可知，压力增大，雾滴粒径减小，雾滴速度增大，因此雾滴射程增大。从图9a)可以看出，雾滴射程随喷嘴的流量变化不明显，这是因为压力相同的情况下，喷嘴流量增加，雾滴粒径增大，雾滴速度减小，雾滴所受阻力有所减小，因此雾滴射程随流量变化不大。另外，从图9b)得出，喷雾角越小，射程越大。由上述分析可以看出，喷雾角越小，雾滴轴向速度越大，雾滴粒径也有所增大，因此雾滴射程也有所增大。

3结论

1)离心式压力雾化喷嘴在低压条件下雾化效果良好；雾滴粒径随压力的增大而减小，并且雾滴粒径压力较低下降比较快，压力大于0.5 MPa后变化较为缓和；当喷雾角相同时，流量越小，雾滴粒径越小，且在低压时区别较为明显；当喷嘴流量相同时，低压状态中喷雾角越大，雾滴粒径越小，高压状态雾滴粒径随喷雾角的变化不大。

2)离心式压力雾化喷嘴雾滴速度大，并且压力越大，雾滴速度越大；当喷雾角相同时，雾滴出口速度随喷嘴流量增加而减小；当喷嘴流量相同时，喷雾角越小，雾滴速度越大。

3)压力越大，雾滴射程越大，射程随喷嘴流量变化不明显。在喷嘴流量相同的情况下，喷雾角越小，射程越大。

试验结果表明，在低压条件下，离心式压力雾化喷嘴水力特性优良，可广泛用于船舶灭火、隐身和降温等领域。

参考文献

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[10] 章梓雄,董曾南.粘性流体力学[M].北京：清华大学出版社,1998.

Experimental Study on the Hydraulic Properties of Centrifugal Pressure Spray Nozzle

LIU Xi-yuan1, WANG Dan2, LIU Yin-shui2, CHEN Ling1, WANG Liang-wu1

(1 China Ship Development and Design Center, Wuhan 430064, China;2 School of Mechanical Science and Engineering, Huazhong University of Science and Technology, Wuhan 430074, China)

Abstract:Based on the principle of centrifugal pressure atomization, four kinds of spraying nozzle are designed. Through the tests the flow of nozzles with different geometric parameters, the size of mist drop and its distribution, the exit speed and the range are comparatively analyzed, so as to obtain the size and exit speed of mist drop, varied regulation of the range with pressure, flow and spray angle. The results showed that the centrifugal pressure spraying nozzle has the better atomization performance, the faster exit speed and the longer range of mist drop, it could be widely used in the fire fighting, stealth and cooling of the ship.

Key words:centrifugal pressure spraying nozzle; geometric parameter; hydraulic property; water mist

中图分类号：U664.5

文献标志码：A

文章编号：1671-7953(2016)02-0100-05

第一作者简介：刘喜元(1965-)，男，学士，研究员E-mail:364574447@qq.com

收稿日期：2016-01-06

DOI:10.3963/j.issn.1671-7953.2016.02.026

修回日期：2016-01-21

研究方向:船舶辅助系统总体技术