结构对气泡雾化喷头临界压力的影响研究

刘俊林，贾首星

(1.石河子大学机械电气工程学院，新疆 石河子 832000；2.新疆农垦科学院机械装备研究所，新疆 石河子 832000)

0 引 言

对于气泡雾化喷头来说，混合室压力是一个极其重要的参数，它对喷头的结构设计、雾化性能、工作状况等都有很大的影响。气泡雾化喷头中，气液两相混合形成了泡状流，泡状流中的气泡在喷头出口处膨胀爆炸的能量大小与喷头混合室内的压力有关。在根据流量公式预测喷头的气液流量时，混合室压力是必不可少的参数。当气泡雾化喷头工作时，如果喷头混合室压力大于液体压力，就会产生回气现象，气体会进入液体的管道、设备之中。如果喷头混合室压力大于气体压力，就会产生回液现象，液体会进入气体的管道、设备之中。回气现象、回液现象可能会导致设备的损坏，造成生产事故。将气体经进液口流入液体管道时的工况称为临界点工况。探讨不同结构的气泡雾化喷头的临界点工况特性，对于确保气泡雾化喷头的安全可靠运行是十分重要的。

一般研究注重气泡雾化喷头的雾化性能随工作参数、结构参数的变化规律，关于混合室压力特性研究还比较少。张晓晶[1]认为对于一定结构的气泡雾化喷头，混合室压力的大小主要依赖于注气压力的大小，而几乎不受液体压力的影响。实际上，气泡雾化喷头混合室压力随气、液进口压力的增加而增加。马其良等[2]以压缩空气和变压器油为工质，对内混式油喷嘴混合室内压力特性进行了实验研究，整理出了这种油喷嘴混合室内压力随油压变化的关系式。马其良，毕政益[3]研究了结构及运行参数对内混喷嘴压力的影响。但是上述文献对于喷头临界点工况时的混合室压力并未有深入研究。

本文主要是研究气泡雾化喷头不同结构的临界工况与压力的关系，为喷头的设计以及安全可靠运行提供依据。

1 喷头及试验系统

气泡雾化喷头主要由进液管、进气管、混合室等几个部分组成。气泡雾化喷头[4]是将高压气体注入流动的液体中，气体与液体在喷头混合室内混合形成均匀泡状流。在喷头出口处形成包裹气泡的液丝，在离开喷头出口的极短的距离内由于气泡外部环境压力的急剧变化，气泡内外压力差的变化导致气泡膨胀打破了小液滴从而产生了非常细的雾滴。根据气液两种工质注入喷头混合室方式的不同可以将气泡雾化喷头分为内气外液式和外气内液式两种形式，在喷头液体流量较低时喷头设计选择前一种类型较好[5]。喷头几何模型如图1所示。气体通过与混合室同轴的进气管上的通气孔与液体在直径为16 mm的混合室内混合。混合室前端收敛角角度为44°，气体与液体在混合室混合后经出口喷出。

图1 气泡雾化喷头结构示意图

冷态实验平台如图2所示，由供气系统、供液系统、控制系统、测量系统等几部分组成。实验系统以水和压缩空气作为工质。通过隔膜泵对水进行加压处理，使用供液管道上的液体压力调节阀来调节液体压力。通过空气压缩机、气体压力调节阀来调节气体压力。考虑到安装方便，管道与喷头之间的塑料软管采用快速接头连接，同时在管道上安装压力表。混合室压力由通过测压管与混合室侧面小孔连接的0.4级精密压力表测量。试验在室内进行，室内温度20 ℃。通过调节气液压力来实现各种工况的控制。每组工况下进行5次实验，取平均值。

图2 实验装置图

2 试验结果与分析

定义临界点工况时的混合室压力与气体进口压力的比值为临界压比。当喷头处于临界点工况时，由于混合室压力随着气液压力的升高而升高，此时临界工况的混合室压力即为喷头安全工作时的液体最小进口压力。当进口液压低于此临界点压力时，就会发生回气现象，气体进入液体的管道、设备之中。所以在喷头实际工作时，为了设备安全可靠的运行，防止出现事故，喷头的最低进口液压pLi应该高于进口气压pGi所对应的临界点工况时的混合室压力pH。由图3可知，气体进口压力pGi与临界点工况时的混合室压力pH符合线性关系，有pH=KpGi+b。当气体进口压力减小为0 MPa时，此时临界点工况的混合室压力应该为0 MPa。因此在不考虑实验系统压力损失的情况下b=0。由此可知，斜率K的数值就是临界压比值。

设计不同结构的喷头，测试了每种喷头在不同气体进口压力下各自的临界点工况数据，对实验数据进行数据处理，用线性回归方法求出了喷头每一种结构气体进口压力pGi与临界点工况时的混合室压力pH关系式的斜率K的值，也就是临界压比的值。实验分析了喷头不同结构对临界压比的影响规律。

2.1 通气孔面积对临界压力的影响

表1为8种不同通气孔结构的喷头。图3为喷头1到喷头8在不同的气体进口压力条件下，各自临界工况时的混合室压力。由图3可知，气泡雾化喷头的斜率(即临界压比)只与喷头的结构有关，与气液进口压力无关。

表1 喷头尺寸参数

图3 不同结构的喷头气压与混合室临界压力关系

图4表示喷头1到喷头8通气孔面积与临界压比的关系。由图4可知，实验喷头的斜率在0.25～0.92的范围内变化。当通气孔面积AT=1.77 mm2时，K=0.25；当AT=2.26 mm2时，K=0.58；当AT=3.79 mm2时，K=0.81；当AT=5.69 mm2时，K=0.84；当AT=7.59 mm2时，K=0.89。因此当通气孔面积比较小时，临界压比也比较小。临界压比随着通气孔面积的增大，一开始急剧增大，当AT大于3.79 mm2以后，临界压比的增加速度逐渐趋于平缓。当通气孔面积大于5.69 mm2时，临界压比都在0.85～0.92的范围内变化，不再随着面积的增大而增大。

图4 通气孔面积与临界压比的关系

AT/A0为通气孔面积AT与喷头出口面积A0的比值。图5为喷头1到喷头8面积比与临界压比的关系。由图5可知，当AT/A0=0.96时，斜率K=2.5；当AT/A0=1.28时，斜率K=0.58；当AT/A0=2.15时，斜率K=0.81；当AT/A0=3.23时，斜率K=0.85。因此，AT/A0在到2.15时，随着面积比的增加，临界压比也随之增加，在0.27～0.8内变化。当AT/A0大于3.23时，临界压比都在0.85～0.92的范围内变化，不再随着面积比的增大而增大。

图5 面积比与临界压比的关系

2.2 出口直径对临界压力的影响

表2为出口直径为1.0 mm的喷头。图6为喷头1到喷头13面积比与临界压比的关系。其中K-1.0表示出口直径为1.0 mm的喷头9到喷头13面积比与临界压比的关系，K-1.5表示出口直径为1.5 mm的喷头1到喷头8喷头面积比与临界压比的关系。出口直径为1.0 mm时，当AT/A0在2.88到4.84时，临界压比在0.949～0.958的范围内变化。出口直径为1.5 mm时，当AT/A0在2.15到4.48时，临界压比在0.80～0.895的范围内变化。因此，出口直径越小，临界压比越大。究其原因，可能是由于出口直径减小，喷头在出口处的能量损失增加，导致出口处压降增加。因此在相同气体进口压力条件下，出口直径较小的喷头临界工况时混合室压力增加，临界压比相对增加。

表2 喷头尺寸参数

图6 不同出口直径面积比与临界压比的关系

2.3 通气方式对临界压力的影响

图1和图7为实验喷头两种进气方式：圆周进气和端面进气的示意图。表3为两种结构类型喷头的参数。图8是这两种结构类型的喷头在不同的气体进口压力条件下，各自临界工况时的混合室压力。对于端面进气方式喷头，当气压pGi=0.04 MPa时，混合室压力pH=0.029 6 MPa；气压pGi=0.06 MPa时，混合室压力pH=0.045 6 MPa；对于圆周进气方式喷头，当气压pGi=0.04 MPa时，混合室压力pH=0.029 MPa；气压pGi=0.06 MPa时，混合室压力pH=0.045 6 MPa；由此可知通气方式对喷头临界压比的影响比并不大。

图7 端面进气示意图

编号通气孔数目通气孔直径/mm出口直径/mm通气方式480．61．5圆柱1380．61．5端面

图8 通气方式对临界压力的影响

2.4 旋流芯对临界压力的影响

表4为喷头参数。图9是两种结构类型的喷头在不同的气体进口压力条件下，各自临界工况时的混合室压力。当喷头没有旋流芯，气压pGi=0.02 MPa时，临界压力pH=0.014 6 MPa；气压pGi=0.12 MPa时，临界压力pH=0.106 4 MPa；在喷头出口前端增加旋流芯，当气压pGi=0.02 MPa时，临界压力pH=0.017 MPa；当气压pGi=0.12MPa时，临界压力pH=0.112 8 MPa。由此可知，增加旋流芯，喷头临界压比增加。究其原因，可能是因为旋转增大了能量损失，从旋流芯到出口处喷头的压力损失增加，从而导致混合室压力增加。

表4 喷头尺寸参数

图9 旋流芯对临界压力的影响

2.5 收敛角对临界压力的影响

表5为喷头参数。图10是两种结构类型的喷头在不同的气体进口压力条件下，各自临界工况时的混合室压力。当喷头混合室没有收敛角，气压pGi=0.02 MPa时，临界压力pH=0.014 6 MPa；当气压pGi=0.12 MPa时，临界压力pH=0.106 4 MPa；增加混合室收敛角，当气压pGi=0.02 MPa时，临界压力pH=0.015 MPa；当气压pGi=0.12 MPa时，临界压力pH=0.107 4 MPa。由此可知，增加混合室收敛角，喷头临界压比增加很小。收敛角对喷头造成的压力损失比较小。

表5 喷头尺寸参数

图10 收敛角对临界压力的影响

3 结 语

气泡雾化喷头临界点工况与喷头的压力以及结构有关；临界压比只与喷头的结构以及加工精度有关。临界压比随着面积比的增加而增加；当面积比大于3.23时，临界压比不再随着面积比的增加而增加。出口直径越小，临界压比越大。通气方式对临界压比的影响比并不大。增加旋流芯，喷头临界压比增加。混合室收敛角对喷头临界压比的影响很小。在进行气泡雾化喷头的设计时，应当根据所设计喷头的结构合理选择临界压比参数。在气泡雾化喷头工作时，为确保气泡雾化喷头的安全可靠运行，在实际运行时其最低进口液压应高于进口气压所对应的临界点工况时的混合室压力。

[1] 张晓晶. 气泡雾化细水雾灭火系统的实验研究及数值模拟[D]. 天津：河北工业大学, 2007.

[2] 马其良,龙 悦,毕政益,等.气液两相内混式油喷嘴混合室内压力特性的实验研究[J].上海理工大学学报,2004,26(1):24-26.

[3] 马其良,毕政益. 结构及运行参数对内混喷嘴压力的影响研究[J]. 热能动力工程, 2006,21(2):183-185.

[4] 侯凌云,侯晓春.喷嘴技术手册[M].2版. 北京:中国石化出版社,2007:186-189.

[5] 徐 方,魏 东,梁 强,等.气泡雾化细水雾喷头的研制及其流量特性[J].消防科学与技术,2010,29(7):588-593.