高背压对气泡雾化雾化锥角的影响

李若灿（华中科技大学煤燃烧国家重点实验室，湖北　武汉　430074）



高背压对气泡雾化雾化锥角的影响

李若灿
（华中科技大学煤燃烧国家重点实验室，湖北武汉430074）

摘要：在背压0.4MPa～4.1MPa的条件下进行气泡雾化试验，研究了气泡雾化的雾化角在喷射速度20m/s～27m/s、气液质量比（GLR）4%～10%、背压0.4MPa～4.1MPa范围内的变化规律。试验结果显示：喷射速度和GLR的增大都能使得雾化角增大，背压不同时也一样。在背压较低时，随着背压的增大雾化角变小，而当背压增加到一定程度以后出现拐点，随着背压的增大雾化角也增大，拐点大概是在1.1MPa左右。

关键词：高背压；雾化锥角；气液质量比

0. 前言

气泡雾化的思想最早在20世纪80年代末由Lefebvre等人首先提出，在气泡雾化中被压缩的雾化气体以某种适当的方式注入到液体中，液体和气体在混合室内形成泡状流，在离开喷嘴出口之后由于压力的剧烈变化，气泡的体积发生变化促使液滴发生破碎来达到良好的雾化效果。气泡雾化的优点是它在低负荷时也能达到很好的雾化效果。

雾化角的大小是喷嘴喷雾特性的一个重要的指标，一些研究者也开始研究气泡雾化在带压环境下的雾化角变化规律。Chen［2］等人对背压在0.101MPa～0.791MPa范围气泡雾化角的研究表明：在背压低于0.5MPa时，雾化角随GLR的增大而增大，在背压高于0.5MPa时趋势是降低的。Sovani［3］等人将背压范围扩大到0.27MPa～5.5MPa，他的实验结果表明：在其他条件不变的情况下，背压在0.27MPa～0.78MPa时雾化角随背压的增大而减小，背压继续上升到1.5MPa时，雾化角基本保持不变，而当背压高于1.5MPa时，雾化角开始随着背压的增大而增大。

目前国内关于气泡雾化的喷雾特性研究主要集中在喷雾粒径等方向，对雾化角的关注度相对较少。本文主要研究高背压下背压和GLR对喷嘴雾化角的影响。

图1　GLR对雾化角的影响

1. 实验系统及装置

实验系统包括供水系统、高压系统、供气系统和数据采集系统四部分。实验所用气泡雾化喷嘴气体从枪中心管进入，液体走管外，二者在混合室内混合形成气液两相流动，经过出口孔喷出并完成雾化，喷嘴孔径1.0mm，孔厚度为7mm。

本实验使用水作为被雾化的液体，压缩空气作为雾化气体，实验在常温下进行，水的主要物性参数为：密度r=998.2kg/m3，粘度h=100.5×10-5Pa·S，表面张力s=72.6×10-3N/m。实验过程中通过控制水流量的方法控制水的喷射速度在20m/s～27m/s，通过气体质量流量计和液体质量流量计控制GLR从4%变化到10%，背压范围0.4MPa～4.1MPa（本实验所有压力均为绝对压力）。对雾化角的测量方法是依据拍摄的照片描绘出喷雾的外部轮廓，然后再计算雾化角的大小，为了减小误差，取多幅照片的平均值。

图2喷射速度对雾化角的影响

2. 实验结果与分析

本实验中采用了3个气液比GLR=4%、7%、10%，两个喷射速度20m/s和27m/s以及10个背压0.4MPa、0.6MPa、0.8MPa、1.0MPa、1.6MPa、2.1MPa、2.6MPa、3.1MPa、3.6MPa和4.1MPa，得到了50组实验工况下的喷雾照片。将这些照片处理后得到的喷雾雾化角数据如图1和图2所示。

2.1GLR对雾化角的影响

图1给出了GLR与雾化角的关系曲线，可以看出，在本实验中当射流速度和背压一样时雾化角随着GLR的增大有明显增大。出现这种现象的原因是当液体的流量保持不变时，GLR的增大意味着在两相流内有更多的气泡产生，越多的气泡随着液体喷出喷嘴气泡破裂的总能量就越大，使得液体被气泡的能量破碎得更细，送得更远，所以使雾化角随着GLR的增大而增大。

2.2喷射速度对雾化角的影响

图2给出了喷射速度与雾化角的关系曲线，可以看出喷射速度对雾化角的影响较小，在两种速度下雾化角的差别不是太大，但总体上雾化角随着射流速度的增大也略有增大，这主要是因为气泡在高速的流体中更加容易破裂，高流速下气泡破裂的数量比低流速下要多，从而能够把液体炸开得更加发散一些，使得雾化角变大。

2.3背压对雾化角的影响

图1和图2都反映出了背压对雾化角的影响，可以看出：在低背压的条件下，大概是1.1MPa以下时，雾化角是随着背压的增大而减小的；而背压到了1.1MPa以上时，雾化角的变化规律发生了变化，正相反，雾化角又随着背压的增大而增大。在低背压时，随着背压的增大，喷嘴出口处的压降相对减小，这抑制了气泡破裂的动力，气泡破裂的数量减少从而导致雾化角的减小；而到背压高到一定程度后雾化角的变化曲线产生拐点，可能是因为背压的增大导致了喷嘴内部气液两相流动流型的变化，由于气体的可压缩性远远高于液体，所以随着背压的升高气体的通流面积越来越小，使得液体往中间集中而气体包裹在液体的外边，气体的扩散性要高于液体，所以导致了喷嘴出口的雾化角的增大。

结论

（1）在其他条件不变时，雾化角会随着GLR的增大和喷射速度的增大而增大；其中GLR对雾化角的影响比较大，喷射速度对雾化角的影响较小。

（2）在低背压的条件下，雾化角是随着背压的增大而减小的，到高背压的条件时，雾化角又随着背压的增大而增大。发生这种先减小后增大的规律的变化的拐点值在1.1MPa附近。

参考文献

［1］LefebvreAH，WangXF，MartinCA. Spraycharacteristicsofaerated-liquidpressure atomizers［J］.JournalofPropulsionandPower，1988，4（4）：293-298.

［2］ChenSK，LefebvreAH.Sprayconeangles ofeffervescentatomizers［J］.Atomizationand sprays，1994，4（3）：291-301.

［3］SovaniSD，ChouE，SojkaPE，etal.High pressureeffervescentatomization：effectof ambientpressureonsprayconeangle［J］.Fuel，2001，80（3）：427-435.

中图分类号：S491

文献标识码：A