气液两相流流型影响喷嘴喷雾形态及液滴粒径分布

孙春华，宁 智，乔信起，李元绪，吕 明

气液两相流流型影响喷嘴喷雾形态及液滴粒径分布

孙春华1,2，宁 智1※，乔信起2，李元绪1，吕 明1

（1. 北京交通大学机械与电子控制工程学院，北京 100044；2. 上海交通大学内燃机研究所，上海 200240）

为了获得气泡雾化喷嘴内不同气液两相流流型对喷雾形态及液滴粒径分布的影响规律，该文建立了气泡雾化喷雾可视化试验系统，采用试验方法获得喷嘴内气液两相流流型及宏观喷雾形态；该文建立了喷嘴内和喷雾场中气液流动模型。研究结果表明，泡状流时喷孔出口含气率呈周期振荡衰减且含气率较低，搅拌流时喷孔出口截面含气率脉动幅度及其变化较小且含气率较高（较泡状流高1倍）；搅拌流时喷雾形态脉动不明显，喷雾半锥角分布比较集中，而泡状流时正好相反，搅拌流时喷雾半锥角在8°～14°范围内的占比超过70%，而泡状流不到40%。搅拌流时喷孔出口附近液滴粒径分布更加集中且随轴向距离增加分布范围变化更大，液滴平均粒径比泡状流小4%左右；在喷孔出口附近，搅拌流时液滴粒径标准差明显小于泡状流时液滴粒径标准差，较泡状流小30%以上；不同气液两相流流型时液滴粒径分布的差异随轴向距离的增加而减小。研究结果可为气泡雾化喷射技术的发展以及不同领域喷嘴内流型的合理选择提供一定的理论和试验依据。

喷嘴；雾化；气液两相流；流型；液滴粒径分布；可视化试验；仿真

0 引 言

气泡雾化喷嘴是一种气液在内部混合的两相流喷嘴。气泡雾化喷嘴能够在较低喷射压力下实现较好的雾化效果且雾化效果对液体物性不敏感，使得气泡雾化喷嘴能够很好适应不同液体雾化的要求[1-2]。目前，气泡雾化喷嘴已尝试应用在农业灌溉、焚烧炉、喷涂、内燃机等领域[3-5]。虽然气泡雾化方式尚处于研究阶段，但从目前的研究结果来看，气泡雾化喷雾具有良好的工程应用前景[6-11]。

Roesler和Lefebvre最先研究了气泡雾化喷嘴内的气液两相流流型[12-13]，发现随着气液质量比的增大，喷嘴内的气液两相流流型会经历从泡状流到段塞流再到环状流的转变。Kim和Lee进一步研究了喷嘴内气液两相流流型与喷雾的关系[10]，认为气泡雾化存在2种模式：在泡状流下，射流的破碎和雾化主要由气泡的膨胀作用所决定，在环状流下则主要由气液速度差产生的气动力促进射流破碎；段塞流时则同时存在上述两种模式。Catlin等[14]对段塞流型和环状流型时气泡雾化喷嘴射流的雾化机理进行了研究，认为射流液柱或液膜的破碎归因于气体膨胀与开尔文-赫姆霍兹不稳定扰动的协同作用；研究还观察到了段塞流型和搅拌流时喷嘴混合室内壁面液膜的不均匀分布。虽然以往研究已揭示不同气液两相流流型下的射流破碎机理，但气液两相流流型对喷雾形态及液滴尺寸影响程度的研究鲜见报道。

气泡雾化喷嘴内部存在多种流型，气液两相流流型的形成及转变会受喷嘴运行工况、喷嘴结构以及气液物性的共同作用，影响因素非常复杂[15-21]。目前研究重点主要是喷嘴内气液混合过程、气泡喷雾的雾化机理、喷雾特性、以及气泡雾化喷雾的不稳定性等方面，而对喷嘴内部气液两相流流型对气泡雾化喷雾的影响关注较少；如何在相同气、液流量下，在喷嘴内实现不同气液两相流流型也是难点。

基于喷雾稳定性的考虑，搅拌流和泡状流是气泡雾化喷嘴正常工作时较为典型的2种气液两相流流型。本文采用可视化试验方法获得喷嘴内气液两相流流型及宏观喷雾形态（喷雾锥角和贯穿距离）；采用仿真分析方法获得试验较难观测的喷孔处狭小空间内的气液流动形态及喷雾场液滴粒径分布，从而对可视化气泡雾化喷嘴内部搅拌流和泡状流时喷雾形态特征及液滴粒径分布特征进行研究，以进一步深化对气泡雾化喷嘴喷雾的认识，为气泡雾化喷射技术的研究与应用提供一定的理论和试验依据。

1 试验系统及仿真模型

1.1 试验系统

雾化喷射可视化试验系统如图1所示，主要由雾化喷嘴、空气泵和液体泵、气体和液体流量计、相机等部分组成。液体泵输出的液体经液路进入雾化喷嘴液相入口，空气压缩机输出的空气经气路进入雾化喷嘴气相入口，气、液相在雾化喷嘴混合室内混合并形成不同气液两相流流型；喷射时，利用气体对液体的离散、膨胀效应加速液体破碎。利用相机对喷嘴内气液形态和喷雾形态进行拍摄，其中气液形态图像样本48个（2个喷嘴各24个）；喷雾形态图像样本2100个（其中用于喷雾形态平均参数测量1500个，用于喷雾半锥角分布测量600个）。

1. 空气压缩机 2.气体压力调节阀 3.气体流量计 4.气体单向阀 5.气泡雾化喷嘴 6.相机 7.液体收集器 8.液体泵 9.LED绿光源 10.导光板 11. 液体压力调节阀 12.液体流量计 13.液体单向阀

1. Air compressor 2. Gas pressure regulating valve 3. Gas flowmeter 4. Gas one-way valve 5. Effervescent atomizer 6. Camera 7. Liquid collector 8. Liquid pump 9. LED green light source 10. Light guide plate 11. Liquid pressure regulating valve 12. Liquid flowmeter 13. Liquid one-way valve

注：图中箭头表示气、液相的流向。

Note: The arrows in the figure indicate the flow direction of gas and liquid phases.

图1 雾化喷射可视化试验系统

Fig.1 Visualization test system for atomizing

试验用的可视化雾化喷嘴根据柴油机SCR尿素水溶液喷射系统基本参数范围设计结构，如图2所示。试验用液体为水，气体为空气。试验设备参数如表1所示。

表1 试验设备参数

可视化雾化喷嘴的混合室直径6 mm，距喷孔出口距离65.3 mm，喷孔直径和喷孔长度分别为1.2 mm和2.4 mm。喷嘴气液充入压力0～0.6 MPa，可实现液相0～50 ml/s的射流喷射。

根据喷嘴内气液相界面差异，气泡雾化喷嘴混合室内的气液两相流流型主要有泡状流、搅拌流和段塞流型[21]，如图3所示。在泡状流中，气体以离散气泡的形式散布于连续液相中；气泡直径一般明显小于管路直径，且当气泡直径较小时，气泡主要呈现球形。在搅拌流中，气液分离较为明显，液相通常存在于中间气核与壁面之间，气液界面波动明显。在段塞流中，气体主要以大气团的形态存在于管路中，且气团的直径与管路直径相当，气团之间偶尔存有尺寸不一的小气泡。

a. 喷嘴剖视图b. 喷嘴实物图

a. Atomizer cross-sectional view b. Atomizer real image

1. 喷孔出口 2.下游混合室 3.上游混合室 4.充气孔 5.液相入口 6.气相入口

1. Exit orifice 2. Downstream mixing chamber 3. Upstream mixing chamber 4. Aerator hole 5. Liquid inlet 6. Gas inlet

注：为喷嘴宽度，mm；为喷嘴长度，mm；N为充气孔数量；d为充气孔直径；L为充气孔距喷孔出口距离，mm；d为气液接触段直径，mm；d为混合室直径，mm；l为喷孔长度，mm；d为喷孔直径，mm。

Note:is atomizer width, mm;is atomizer length;Nis aerator number, mm;dis aerator diameter, mm;Lis distance between aerator and nozzle exit, mm;dis diameter of gas-liquid touched region;dis mixing chamber diameter, mm.

图2 雾化喷嘴剖视图及实物图

Fig.2 Cross-sectional view and real image of atomizer

图3 混合室的气液两相流流型

气液两相流流型一方面取决于气液质量流量，另一方面取决于喷嘴结构参数。本文旨在分析喷嘴内搅拌流和泡状流时喷雾形态特征及液滴分布特征，为了使不同气液两相流流型时喷雾形态特征和液滴粒径分布特征具有可比性，需要在相同运行工况下（相同的气液质量流量下），得到2种不同气液两相流流型（搅拌流和泡状流）。研究表明，改变充气孔直径和数量会影响喷嘴内气液两相流流型[2]，为此本文设计2种不同结构参数的可视化雾化喷嘴，并通过可视化试验获得2种喷嘴的气液两相流流型图，寻找2种气液两相流流型中气液流动条件相同但气液两相流流型不同的工况点，从而获得相同工况下的不同气液两相流流型。2种喷嘴的主要结构参数如表2所示。

表2 喷嘴主要结构参数

1.2 仿真模型

由于不同流型的喷嘴出口气相分数及喷雾场液滴粒径分布较难通过试验获得，本文通过仿真方法分析喷嘴内搅拌流和泡状流时气液两相流流经喷孔时的气液形态、喷孔出口截面流动参数的脉动以及喷雾场中液滴粒径分布，使用ANSYS Fluent建立相应的喷嘴内气液两相流流动仿真模型和喷雾场气液两相流流动仿真模型。模型计算域包括气泡雾化喷嘴的一部分混合室和喷孔以及喷雾场区域。

喷嘴内气液流动仿真时，采用PLIC（piecewise linear interface construction）方法和VOF（void of fraction）方法对气液相界面进行重构和追踪，结合连续表面张力模型、连续性方程和动量方程对气液两相流流动进行描述[22-23]。湍流模型采用标准-模型。

喷雾场气液两相流流动仿真时，其控制方程较复杂，包括气相控制方程、液滴运动方程、液滴破碎和碰撞控制方程等。

将喷雾场中气相作为连续相，用Eulerian方法描述；将液滴作为离散相，用Lagrangian方法描述。气液两相满足各自独立控制方程，同时考虑气液两相的耦合。

将气相作为连续相，加入液滴对气相的作用力源项：

式中ρ为气相密度，kg/m³；u为气相速度，m/s；为压强，Pa；为黏度，Pa·s；为界面变形张量，1/m。

采用颗粒轨道模型对喷雾场中液滴的运动进行描述[16]：

式中为液滴速度，m/s；ρ为液滴密度kg/m³；F为其他单位质量作用力，如布朗力、附加质量力等，N；F(u)为单位质量液滴受到的曳力，N；其中F为曳力动量交换系数[23]：