空气助力喷嘴雾化特性实验研究*

曹建明，李跟宝，朱 辉

（长安大学 汽车学院，西安 710064）

0 前 言

人造冻云是飞机强度全天候实验室的必备研究项目。在寒冷环境（最低-54°C）下，大颗粒的水滴在降落过程中很难被冻结形成冻云，因为时间不够。因此，形成冻云需要将水雾化。雾化能够使连续的液体离散成大量的细小液滴，而较小水滴的面容比较大，传热迅速，小于一定尺寸的水滴才有可能在降落过程中被完全冻结而形成冻云。美国航空管理局FAA附录C[1]中规定，喷雾的主要特征参数是液态水含量，即浓度Cv以及中值直径D0.5。要求人造冻云特征参数需覆盖的范围：液态水含量Cv为0～3.0 g/m3，中值直径D0.5为 15～50 μm。本文的研究目的是对我国飞机强度全天候重点实验室形成人造冻云拟选用的内混式空气助力孔式喷嘴的雾化特性进行测量，研究不同喷嘴结构参数、水流量和空气助力压力对宏观和微观喷雾特性及液态水含量的影响，提出改善雾化质量以满足人造冻云要求及优选喷嘴的方法。

空气动力对射流的碎裂和雾化有显著的促进作用。喷嘴内部设置有液体和空气流道的喷嘴称为两相流喷嘴，其中之一是空气助力喷嘴。高速气流在喷嘴内部（混合腔中）或外部（喷嘴出口处）与低速液体混合，极大地改善了液体的雾化效果[2-3]，内部混合空气助力喷嘴如图 1所示。LI[4]理论研究了两侧不等速不可压缩气流对液膜不稳定碎裂过程的影响，他的学生JAZAYERI[5]则进行了实验研究；曹建明等[6]进一步理论研究了可压缩气流对液膜碎裂过程的促进作用，并进行了实验研究[7-10]。LI等[11-13]、曹建明等[14]就内外环不等速气流对环状液膜碎裂过程的促进作用进行了理论和实验研究，并对空气助力改善内混式平孔喷嘴的雾化质量进行实验研究[3]。曹建明[15]根据最大熵原理和质量守恒定律推导出了喷雾液滴尺寸数目分布和索特平均直径（Sauter mean diameter, SMD）D32表达式，引入液滴蒸发碰撞模型，使之能够用于对实际动力装置中喷雾的研究。D32定义为假想一个液滴直径均匀一致的喷雾场代替原本不均匀的喷雾场，该液滴的体积与面积之比即为索特平均直径或者称为体面比平均直径。式中，D为液滴直径，N为液滴数目。尽管学者们对空气动力改善雾化质量进行了大量的基础研究工作，但如何改善雾化的宏观和微观特性以满足人造冻云要求及优选喷嘴方面的研究还不多见。本研究共选择了109个工况点，进行了500余次实验，对于各种型号的空气助力圆孔喷嘴的雾化特性进行了比较研究，优选出了能够很好满足人造冻云要求的最佳喷嘴。

图1 内部混合空气助力喷嘴Fig. 1 Internal mixing air assistant nozzle

1 实验装置和实验步骤

中国飞机强度研究所送试6个内部混合空气助力孔式喷嘴，分别为SU12、SU12A、SU26、SU26B、SU72、SU82。要求在空气助力喷嘴喷雾实验中，通过调节水流量和空气助力气压，观测喷雾的特征参数是否符合人造冻云的适航认证要求，记录符合要求的雾化特性参数的流量值和气压值及其范围，选出满足要求的最佳空气助力喷嘴，并给出其雾化特性参数随气压和水流量变化的规律。各型号喷嘴水流量和所用4个水流量计和1个空气流量计的量程范围见表1。

表1 各型号喷嘴水流量和所用流量计量程Table 1 Water flow rate of various type nozzle and flow meter range

图2 恒压水射流实验台Fig. 2 Water jet test device at constant pressure

为了测量喷雾锥角，成像系统为日本佳能EOS30D数码单反照相机，800万像素，高分辨率CCD。照相机镜头原配标准镜头。附件有照相机专用快门线，三脚架，黑色 PVC背景板，银燕BY-450AFD型闪光灯等。若喷射为脉冲式，成像系统最好采用高速摄像机。由于本实验喷嘴喷射是连续的，故采用高分辨率数码单反照相机较好。照相机设置为“运动模式”，即照片不是瞬时定格的，而是动态的。这种照片经过 Photoshop灰度拉伸，能够产生边缘非常清晰的喷雾液束图像，可以直接读取喷雾锥角数值。每种工况拍摄3幅照片，读取的喷雾锥角重复性很好，相差不到1°，选择任何一幅照片都可以作为该工况的样片。图3为“常规模式”定格照片、“运动模式”动态照片和将“运动模式”动态照片经灰度拉伸处理后的喷雾锥角对比图。可以看出，将“运动模式”动态照片经灰度拉伸处理后的照片边界十分清晰，可以对喷雾锥角进行直接判读。

空气助力喷嘴的常用特征参数包括：液滴尺寸数目分布图、液滴尺寸累积体积分布图、索特平均直径D32、中值直径D0.5、相对尺寸范围、发散边界液态水含量Cv等。D0.1、D0.5、D0.9、D0.999为特征直径，定义为小于该直径的液滴累积体积占整个雾化液滴总体积的10%、50%、90%、99.9%的液滴直径。采用马尔文Spraytec喷雾粒度分析仪进行测量，该仪器由英国马尔文仪器有限公司制造。马尔文Spraytec喷雾粒度分析仪的工作范围：常用测量范围为2～2 000 μm的粒子，最大可测量2 500 μm的粒子。激光发射和接收端的透镜间距可大于1 m，采用750 mm透镜，光源为632.8 nm、5 mW氦氖激光器。最大采样速率为快速模式2.5 kHz。精确度为测量误差小于±1%。该仪器能够实时、准确、高效地测量喷嘴的所有常用特征参数。

图3 （a）“常规模式”定格照片、（b）“运动模式”动态照片和（c）经灰度拉伸照片的喷雾锥角对比图Fig. 3 Comparison figures of spray cone angle under regular mode (a), moving mode (b), and gray stretch (c)

测量在喷雾的稳定段进行，即从距离喷嘴出口端面起40～60 cm的喷雾稳定区域内，选定一个截面进行喷雾的特征参数测量，如图4所示。本研究选定的测量点位于喷嘴出口端面56 cm处。

图4 喷雾的测量段Fig. 4 Measure region in a spray

本次实验的主要内容是对各工况下的空气助力喷嘴喷雾的特性参数进行测量，观察并记录特性参数随水流量和气压的变化规律。对于不同型号的喷嘴，其水流量和气压的调节范围不同。如果实验测量结果不符合FAA附录C中提到的粒径要求，则要求增大参数调节范围，增加一定的工况点。实验先采用马尔文 Spraytec喷雾粒度分析仪测量液滴尺寸，以选定实验工况点。选定工况点后，对符合要求的喷嘴进行几到几十个工况点的实验数据采集，数据采集分两步进行。第一步，以选定的实验工况点，进行喷雾液束的闪光摄影拍摄，得到各个工况下的喷雾锥角，比较各种型号喷嘴的宏观雾化特性。第二步，以选定的实验工况点，采用马尔文Spraytec喷雾粒度分析仪测量中值直径D0.5、索特平均直径D32、液滴尺寸数目分布图、液滴尺寸累积体积分布图、相对尺寸范围Δs、发散边界Δb、液态水含量Cv等参数，以比较各种型号喷嘴的微观雾化特性。

2 实验结果及其分析与讨论

无论哪种空气助力喷嘴，如果不施加空气助力，液体都不会碎裂成大量的离散液滴，雾化质量极差。施加的空气助力压力越高，则空气动力对液体的撕裂作用越强，雾化离散的液滴颗粒就会越小；水流量越小，则水/空气的体积比越小，空气与水接触的表面积越大，空气撕裂水的概率密度就会增加，雾化形成的水滴颗粒就会越小[3]；喷嘴尺寸越大，则喷嘴内部的混合腔也就越大，空气在混合腔内部的行程就会越长，形成的涡流强度和湍流强度越强，雾化水滴颗粒越小。此外，还应该指出的是，随着喷雾液束贯穿距离的增大，液滴之间要相互碰撞，粘合成较大颗粒的液滴[13]。因此贯穿距离越大，液滴尺寸数目分布曲线的峰值会向大颗粒方向偏移，索特平均直径和中值直径都会变大。也就是说，尽管喷雾稳定测量段的中值直径可能小于50 μm，但在实际到达试件的扩散段，其中值直径未必就会满足FAA附录C中对于冻云的要求。影响液滴之间相互碰撞，粘合成较大颗粒的液滴的主要因素是喷雾锥角和贯穿距离。喷雾锥角越大，雾滴撒布就会越分散，液滴之间就越不容易相互碰撞；贯穿距离越小，液滴之间相互碰撞而形成的大颗粒液滴尺寸越小。因此，大的喷雾锥角和小的贯穿距离对于减轻液滴碰撞粘合成较大颗粒的液滴的影响至关重要。尽管空气助力压力会减小喷雾液滴的中值直径，但也会加大贯穿距离。因此，选择喷嘴和所用工况点的原则应为：（1）大的喷雾锥角；（2）满足D0.5＜ 50 μm的工况点中，尽量选择水流流量小的工况点，这样才能使得液态水含量Cv减少，同时减小液滴之间的紧密程度，减小液滴之间发生相互碰撞的概率；（3）满足D0.5＜ 50 μm的工况点中，尽量选择空气助力压力小的工况点，这样才能缩短贯穿距离，使液滴之间相互碰撞而粘合成大颗粒液滴的尺寸不至于过大。

送试空气雾化喷嘴共有6个，其中小孔径单孔喷嘴2个，为SU12A、SU12；大孔径单孔喷嘴2个，为SU72、SU82；小孔径六孔喷嘴2个，为SU26、SU26B。

2.1 喷雾锥角θ

不论小孔径还是大孔径，单孔喷嘴在各个工况点的喷雾锥角都较小，通常只有20°左右，最大水流量和最大空气助力压力工况点的喷雾锥角要大一些，可达50°左右。而六孔喷嘴的液束为六孔液束集合而成的一个液束，喷雾锥角较大。SU26的喷雾锥角普遍为67±5°。可见六孔喷嘴的喷雾锥角要远大于单孔喷嘴的喷雾锥角。基于选择喷嘴和所用工况点的原则（1），首先排除了4个单孔喷嘴。

下面就SU26和SU26B小孔径六孔喷嘴的微观喷雾特性做具体比较分析与讨论。

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2.2 中值直径D0.5和索特平均直径D32

小孔径六孔喷嘴 SU26和 SU26B的中值直径D0.5和索特平均直径D32实验数据如表2和表3所示。可以看出，除了个别工况以外，中值直径D0.5和索特平均直径D32普遍随着空气助力压力的增大而减小，随着水流量的增大而增大，随着喷嘴尺寸的增大而减小。SU26B的多数工况点均不能满足D0.5≤50 μm的要求，而SU26的多数工况点均能够满足要求，并且只要空气助力压力能够维持在0.7 MPa以上，不论水流量为何（量程范围以内），都能够保证使D0.5＜ 50 μm。

D32随空气助力压力和水流量的变化趋势与D0.5的基本相同，普遍随着空气助力压力的增大而减小，随着水流量的增大而增大，随着喷嘴尺寸的增大而减小。通常，索特平均直径D32的数值要小于D0.5，当D0.5= 50 μm 时，D32约为 35 μm。SU26 的D32普遍小于40 μm，而SU26B的普遍大于40 μm。

表2 SU26喷嘴喷雾水滴的D0.5和D32Table 2 D0.5 and D32 of spray water droplets from a SU26 nozzle

表3 SU26B喷嘴喷雾水滴的D0.5和D32Table 3 D0.5 and D32 of spray water droplets from a SU26B nozzle

2.3 水滴尺寸数目分布和累积体积分布

为比较雾化水滴尺寸随水滴直径D的数目分布PDF（%）和雾化水滴累积体积随水滴直径D的分布Vc（%），根据空气助力气压、水流量和喷嘴型号（结构尺寸）的不同，分别选取2个工况点进行比较分析。

2.3.1 不同空气助力气压对雾化水滴尺寸的影响

选取SU26喷嘴、水流量为15 L/h、空气助力气压为0.2 MPa和0.9 MPa 两个工况点进行比较分析。图5a是水滴尺寸数目分布图，图5b是水滴尺寸累积体积分布图。

图5 不同气压下水滴尺寸的数目分布（a）和累积体积分布（b）Fig. 5 Water droplet size number distribution (a) and accumulate volume distribution (b) under different air pressures

从图5a中可以看出，分布曲线先升后降。与气压为0.2 MPa的曲线相比，气压0.9 MPa曲线的峰值明显升高，并且向小颗粒方向偏移，位于4～5 μm处；0.2 MPa的水滴直径大多分布在45 μm以内，而0.9 MPa的水滴直径则大多分布在20 μm以内。说明0.9 MPa工况点的雾化特性明显优于0.2 MPa的，雾化质量极佳。从图5b中可以看出，分布曲线先陡升后缓升，累积体积到达75%时，水滴直径不到50 μm。大于50 μm的大颗粒水滴所占体积不足25%，由于大颗粒水滴所拥有的体积远大于小颗粒，因此可以判断大颗粒水滴的数目非常稀少。比较两条曲线，0.2 MPa的曲线位于0.9 MPa的上方。说明尽管0.2 MPa的雾化质量不如0.9 MPa，但由于0.2 MPa的雾化水滴动量较小，水滴之间发生碰撞粘合的几率较小，因此大颗粒水滴所占体积反而较小。

2.3.2 不同水流量对雾化水滴尺寸的影响

选取SU26喷嘴、空气助力气压为0.9 MPa、水流量为15 L/h和35 L/h两个工况点进行比较分析。图6a是水滴尺寸数目分布图，图6b是水滴尺寸累积体积分布图。

图6 不同水流量下水滴尺寸的数目分布（a）和累积体积分布（b）Fig. 6 Water droplet size number distribution (a) and accumulate volume distribution (b) under different water flow rates

从图6a中可以看出，分布曲线先升后降。两条曲线的峰值几乎相当，位置相差无几，曲线近乎重合，大多数水滴尺寸分布在23 μm以内，雾化质量极佳。只是水流量为15 L/h曲线与水流量为35 L/h的曲线相比，其下降段略向小颗粒方向偏移。说明15 L/h工况点的雾化特性要优于35 L/h的。从图6b中可以看出，分布曲线先陡升后缓升，累积体积到达75%时，水滴直径不到25 μm；大于25 μm的大颗粒水滴所占体积不足25%，大颗粒水滴所占比例数目非常稀少。比较两条曲线，35 L/h的曲线位于15 L/h的上方。说明尽管35 L/h的雾化质量比15 L/h的略差，但由于空气助力压力恒定，全部雾化水滴的总动量守恒，35 L/h的雾化水滴动量较小，水滴之间发生碰撞粘合的几率较小，因此大颗粒水滴所占体积反而较小。

2.3.3 不同喷嘴结构尺寸对雾化水滴尺寸的影响

选取空气助力气压为0.9 MPa、水流量为15 L/h、SU26和SU26B两个喷嘴进行比较分析。图7a是水滴尺寸数目分布图，从图中可以看出，分布曲线先升后降。与SU26B喷嘴的曲线相比，SU26曲线的峰值明显升高，并且向小颗粒方向偏移，位于4～5 μm处；SU26B的水滴直径大多分布在37 μm以内，而SU26的水滴直径则大多分布在20 μm以内。说明SU26喷嘴的雾化特性明显优于SU26B。由于SU26喷嘴的流量调节范围比SU26B的大了近乎一倍，其结构尺寸也必然越大。因此喷嘴的结构尺寸越大，雾化质量越好。

图7 不同喷嘴结构尺寸的水滴尺寸的数目分布（a）和累积体积分布（b）Fig. 7 Water droplet size number distribution (a) and accumulate volume distribution (b) under different nozzle sizes

图7b是水滴尺寸累积体积分布图，从图中可以看出，分布曲线先陡升后缓升，累积体积到达75%时，水滴直径不到40 μm。大于40 μm的大颗粒水滴所占体积不足25%，大颗粒水滴的数目非常稀少。比较两条曲线，SU26B的曲线位于SU26的上方，说明尽管SU26B的雾化质量不如SU26，但大颗粒水滴的数目却较少。由于 SU26喷嘴的雾化质量优于SU26B，因此最终选定 SU26喷嘴作为我国飞机强度全天候重点实验室生成人造冻云的喷嘴。

2.4 相对尺寸范围Δs和发散边界Δb

相对尺寸范围 Δs和发散边界 Δb反映了喷雾液滴的均匀度。由于送试喷嘴都属于同一类内部混合空气助力喷嘴，因此SU26与单孔喷嘴相比，Δs和Δb并没有明显的优越之处，其值都是几到几十。

2.5 液态水含量Cv

FAA附录C中要求的液态水含量Cv为0～3 g/m3。实验工况点的液态水含量为8～419 g/m3，即所有实验工况点的液态水含量都超出了要求。这是由于测量点位于56 cm喷雾液束的稳定段，如果测量点后移至喷雾液束的扩散段，液态水含量值将会下降。液态水含量对于水流量的敏感度要高于对空气压力的敏感度。通常水流量越大，液态水含量就会越多。与单孔喷嘴相比，SU26的液态水含量普遍较低，接近于FAA附录C中的要求。而实际飞机强度全天候实验室形成人造冻云的液雾下落距离远远大于56 cm，液雾将会明显扩散，因此可以肯定 SU26完全能够满足FAA附录C中对液态水含量Cv的要求。

3 结 论

本文对我国飞机强度全天候重点实验室拟选用的6个型号内混式空气助力孔式喷嘴的雾化特性进行了测量。研究了不同空气助力压力、不同水流量和不同喷嘴结构尺寸对宏观和微观喷雾特性及液态水含量的影响。结论如下：（1）空气助力压力越高，水流量越小，喷嘴尺寸越大，则雾化水滴颗粒越小，雾化质量越好。（2）选择大的喷雾锥角；在满足中值直径小于 50 μm的工况点中，尽量选择水流流量较小、空气助力压力较小的工况点，可以尽可能满足人造冻云液态水含量的要求。根据对109个工况点、500余次实验研究，选择SU26喷嘴作为”国家飞机强度全天候重点实验室”生成人造冻云的适用喷嘴。