液体射流内部气泡对黏性流体气流式雾化的影响

吴兆伟， 赵 辉， 吴欣洁， 刘海峰， 周 骛， 蔡小舒

（1. 华东理工大学洁净煤技术研究所，上海煤气化工程技术研究中心，上海 200237；2. 上海理工大学能源与动力工程学院，上海 200093）

液体雾化广泛应用于能源、化工、航空航天以及交通运输等领域[1-4]。气流式雾化通过气液之间的相互作用，将高速气体的能量传递给低速液体从而实现液体射流的破裂和雾化。随着科技和社会的发展，节能减排已经成为社会共识，同轴双通道雾化喷嘴由于其结构简单，在较低的射流压力下能实现较好的雾化和气液混合效果，并能减小副产物的生成和污染物的排放，因而一直受到工业界和科学界的青睐[3,5]。

流体气流式雾化的过程和机理比较复杂，很多因素如喷嘴结构[6]、气液性质[7-8]、气液质量流量比[9]、气液速度[10]等都会对雾化的最终结果产生影响。在众多气流式雾化应用场景中，液体黏度的影响不可忽略。Chen 等[11]利用响应面方法研究了气液射流压力和液体黏度对雾化液滴直径的影响，发现黏度的影响仅次于液体射流压力。Shen 等[12]通过线性稳定性分析了气流式雾化过程，发现液体黏度对雾化存在双重影响。Aliseda 等[13]在Joseph 等[14]的通用色散关系式的基础上，将Varga 等[15]的瑞利-泰勒模型拓展到黏性和非牛顿流体，得到了雾化液滴直径、韦伯数 (We) 以及昂色格数 (Oh) 之间的关系。

雾化效果会显著影响后续化学反应或者燃烧的进行，因此对气流式雾化效果进行表征非常重要。常见的雾化表征参数很多，有射流断裂长度[16]、雾化角[3]、液滴直径[17]等。其中，液滴索特尔平均直径（D32）经常被用来描述雾化液滴的大小。D32的减小能够提高比表面积，从而加快反应或燃烧的进行。文献[18] 通过调整气体通道和液体通道的相对位置，发明了一种新的雾化方式-分散流雾化。与传统的气流式雾化相比，分散流雾化能产生更小的雾化液滴[19]。自1988 年气泡雾化概念被提出以来[20]，由于气泡雾化能显著提高雾化效果，因而一直是雾化研究的热点[21]。Kourmatzis 等[22]发现将气泡雾化与气流式雾化相结合，在气液相对速度较小时可以削弱雾化波动性并提高雾化的弥散特性。Wu 等[23]发现向水射流中注入气泡后，气液混合物在环隙气流作用下产生的雾化液滴其直径随注入气体量的增多呈现先减小后增大的趋势。

虽然向液体射流中注入气体能够提高气流式雾化的效果，但针对含气泡黏性流体的气流式雾化尚缺少系统性的研究。本文在前人工作的基础上，考察了液体射流内部气泡对黏性流体气流式雾化效果的影响，旨在为含气泡流体气流式雾化的工业应用提供参考。

1 实验部分

实验装置如图1 所示，来自储罐的液体在加压罐中被加压，通过液体流量计(精度±1.5%) 进入喷嘴，并与来自气体注射泵(精度±0.35%)的空气在喷嘴中心通道混合形成气液混合物。气液混合物在环隙高速气流的作用下发生雾化，形成大量小液滴。实验使用马尔文激光粒度仪测量雾化液滴直径从而评判雾化的效果。马尔文激光粒度仪的激光直径设置为10 mm，激光波长为632.8 nm，镜头焦距300 mm，采样周期1 s，液滴直径测量范围为0.10～900 μm。使用气体玻璃转子流量计(精度±1.5%)来测量环隙气流的流量。

图1 实验装置示意图Fig. 1 Schematic of the experimental setup

实验使用的雾化喷嘴如图2 所示。图2 中充气通道的直径d0=0.50 mm，来自注射泵的气体通过此通道进入液体中心通道(d1=2.96 mm)；d2和d3分别是喷嘴外侧环隙通道的内径和外径，其中d2=5.10 mm、d3=13.2 mm；d4是环隙气流入口内径(d4=25.00 mm)，环隙气流由此进入喷嘴。通过配制不同浓度的甘油溶液得到不同黏度的雾化液体，实验中采用的甘油溶液的物性参数见表1。Oh数用来表示液体黏度对表面张力的比值，表达式如式（1）所示。

表1 不同质量分数的甘油溶液的物性参数Table 1 Physical parameters of glycerol solution with different mass fractions

图2 充气雾化喷嘴的几何形状Fig. 2 Geometry of aerated air-blast atomizer

其中： μl、 ρl和 σ 分别表示液体黏度、密度和表面张力。

2 结果与讨论

2.1 黏性流体的雾化液滴直径

首先研究了不同黏度的甘油溶液的气流式雾化过程。甘油溶液通过喷嘴后，在环隙气流的作用下雾化，形成大量小液滴。实验中，通过保持加压罐中的压力不变获得稳定的液体流量Ql。当液体射流内部不存在气泡时，用液体射流平均出口速度表示液体射流速度（ul,0），定义为：

通过调节鼓风机阀门获得稳定的环隙气体流量（Qcg）。因此，环隙气流的速度（ug）可以表示为：

液体气流式雾化的效果不仅受液体黏度的影响，而且受气液射流速度的影响。研究了不同黏度的流体在不同环隙气流速度和液体射流速度下的D32的变化情况，结果分别如图3 与表2 所示。

图3 甘油溶液的雾化液滴直径随环隙气流速度的变化(ul,0=0.29 m/s)Fig. 3 Dependence of the atomization droplet diameter of glycerol solution on the coaxial gas velocity (ul,0=0.29 m/s)

从图3 可以看出，当液体射流速度保持不变时，提高环隙气流速度会产生更细小的液滴。这是因为环隙气流速度的提高使得气液之间的相对速度变大，气液间剪切作用变强。由表2 可知，当环隙气流速度保持不变而提高液体黏度（即增加Oh）时，液体黏度对表面不稳定波的抑制作用逐渐增强，D32逐渐变大。但这种增大的趋势随着环隙气流速度的提高而逐渐变得不明显（图3）。这是由于液体黏度会抑制射流表面的不稳定性，从而更难产生细小的液滴。但随着环隙气流速度的提高，气液间相互作用逐渐增强，黏度对射流不稳定波的抑制作用相对来说逐渐变得不显著，因而不同黏性的流体之间的雾化效果区别不明显。从表2 中还可以看出，随着液体射流速度的增大，D32逐渐增大。这是由于液体射流速度的提高减小了气液间的速度差，降低了气液间的剪切作用（即Oh增大）。

表2 甘油溶液的雾化液滴直径随液体射流速度的变化(ug=142 m/s)Table 2 Dependence of the atomization droplet diameter of glycerol solution on liquid jet velocity (ug=142 m/s)

Aliseda 等[13]假设黏度对D32的影响具有加法性质，通过理论推导得到了和实验结果吻合较好的D32计算模型。Lefebvre[24]、Rizk 等[25]、Jasuja 等[26-27]通过实验结果拟合得到的D32关系式也呈现相似的形式。作者在之前的研究中已经得到了相似工况下水的气流式雾化液滴的D32的计算模型[23]，因此黏性流体雾化液滴的D32拟合关系式可以表示为：

其中：A、B、C是和实验条件相关的拟合系数；mg和ml分别为气体和液体质量；ρg为气体密度。通过拟合可以得到A=0.039 7、B=0.383、C=0.591，拟合结果如图3（实线为拟合曲线）及表2 所示。图4 所示是甘油溶液雾化液滴的D32的模型计算值与实验测量值的比较。从表2、图3 和图4 可以看出，计算值与实验值之间的误差在±5%以内，拟合结果与实验结果吻合较好。

2.2 含气泡黏性流体的雾化液滴直径

通过注射泵进入喷嘴的气体在表面张力的作用下形成气泡，并与液体混合形成气液混合物，该混合物随后在环隙气流的作用下发生雾化。为了定量描述液体射流内部气泡对气流式雾化效果的影响，定义了气液体积流量比(RQ)：

其中：Qag是注入喷嘴的气体体积流量。

实验测得了不同液体射流速度下气泡直径(db)随气液体积流量比的变化，如图5 所示。气泡直径的测量是在没有环隙气流存在下进行的，每个工况至少进行了7 次测量并取其平均值作为气泡平均直径。从图5 可以看出，在液体射流速度保持不变时，随着气液体积流量比的增大，气泡直径增大并逐渐接近喷嘴中心通道的直径。因此，气泡直径可以表示为气液体积流量比的函数。

图5 气泡直径随RQ 的变化Fig. 5 Bubble diameter varying with RQ

实验使用马尔文激光粒度仪测量了不同工况下的雾化液滴直径。图6 是ug=118 m/s、ul,0=0.29 m/s、Oh分别为0.115 和0.407 时黏性流体含气泡雾化液滴的D32随气液体积流量比的变化趋势图。图中的竖实线对应的是停止通气的时刻，即t=30 s。从图6中可以看出，停止通气前后雾化液滴的D32存在明显的不同。当Oh=0.115 时，如图6(a)所示，内部气体的加入减小了雾化液滴的D32。随着气液体积流量比的提高，D32逐渐减小。当Oh=0.407 时，D32的变化趋势与Oh=0.115 时并不相同（图6(b)），D32随气液体积流量比的增大逐渐增大。在实验过程中，计算了停止通气前30 s 雾化液滴的D32的平均值作为对应气液体积流量比下含气泡黏性流体雾化液滴的平均直径。

图6 含气泡黏性流体雾化液滴直径随时间的变化图(图中竖实线对应停止通气的时刻，ug=118 m/s，ul,0=0.29 m/s)Fig. 6 Atomization droplet diameter of viscous liquid containning bubbles at different time(Vertical solid line is corresponding to the time of stopping aerating the gas, ug=118 m/s, ul,0=0.29 m/s)

图7 是ug=118 m/s、ul,0=0.29 m/s 时，不同Oh下含气泡黏性流体雾化液滴的D32随气液体积流量比的变化趋势图。从图中可以看出，当Oh数较小时，随着气液体积流量比的逐渐提高，D32逐渐减小。随着Oh数的增加，D32减小的趋势逐渐减弱。当Oh=0.212 时，这种减小的趋势几乎变得不可见。进一步提高Oh数至0.407，气液体积流量比的增加反而会使得D32逐渐增加。

图7 D32 随RQ 的变化 (ug=118 m/s，ul,0=0.29 m/s)Fig. 7 D32 varying with RQ (ug=118 m/s, ul,0=0.29 m/s)

为了表征液体射流内部气泡对气流式雾化的影响，定义量纲为一雾化液滴直径(D)，如式（8）所示。

其中：(D32)0是内部不存在气泡时黏性流体的雾化液滴直径；(D32)b是对应工况下液体射流内部存在气泡时的雾化液滴直径。

图8 是ug=118 m/s、ul,0=0.29 m/s 时，内部存在气泡的黏性流体的D随气液体积流量比的变化趋势图。如图8 所示，当液体射流内部存在气体时，D的变化趋势和液体的Oh有关。当Oh较小时，提高气液体积流量比会导致较小的D。但Oh较大时，提高气液体积流量比会增大D。

图8 量纲为一液滴直径随RQ 的变化 (ug=118 m/s，ul,0=0.29 m/s)Fig. 8 Dimensionless droplet diameter varying with RQ (ug=118 m/s, ul,0=0.29 m/s)

为了探究环隙气流速度对含气泡黏性流体雾化效果的影响，研究了ug分别为94.8、118、142 m/s，ul,0为0.29 m/s 时含气泡黏性流体的雾化过程。图9 是不同Oh数下，D随气液体积流量比的变化趋势图。从图中可以看出，当气液体积流量比保持不变时，提高环隙气流速度会导致D减小。当Oh=0.034 6 时，D随着气液体积流量比的增加而逐渐减小。当Oh=0.115 时，D随着气液体积流量比增加而逐渐减小，但减小的趋势随着气液体积流量比的增加和环隙气流速度的减小而逐渐减小。当Oh=0.212 时，随着气液体积流量比的增加，D呈现先减小而后增加的趋势。环隙气流速度越大，这种增加的趋势就愈加不明显。当Oh=0.407 时，提高气液体积流量比会导致D的逐渐增大。

图9 量纲为一液滴直径随RQ 的变化 (ul,0=0.29 m/s)Fig. 9 Dependence of dimensionless droplet diameter varying with RQ (ul,0=0.29 m/s)

为了探究不同液体射流速度下液体射流内部气泡对黏性流体气流式雾化效果的影响，研究了ug=142 m/s 时，不同液体射流速度和不同Oh数流体的雾化过程。不同液体射流速度下D随着气液体积流量比的变化如图10 所示。从图中可以看出，当气液体积流量比保持不变时，随着液体射流速度的增大，D逐渐增大。当Oh=0.034 6 时，低液体射流速度下D随着气液体积流量比的增大而逐渐减小；高液体射流速度（1.21 m/s）下D随着气液体积流量比的增大而逐渐增大，D的变化趋势不同可能是流体物性不同导致的。当Oh=0.407 时，随着气液体积流量比的增大，D逐渐增大。

图10 量纲为一液滴直径随RQ 的变化 (ug=142 m/s)Fig. 10 Dimensionless droplet diameter varying with RQ (ug=142 m/s)

液体黏度会阻碍射流表面不稳定波的发展，从而产生更大的液滴。因此在其他条件不变时，提高液体黏度（即Oh数增大）会产生更大的液滴。对于本文中特定的工况，液体的体积流量比保持不变，当气体被注入液体射流内部时，液体表观速度会随着注入气体量的增加而增加。当环隙气流速度保持不变时，液体射流内部气体的增加会导致环隙气流和液体射流之间速度差的减小，从而削弱气液间的剪切作用，形成更大的雾化液滴。降低环隙气流速度或者提高液体射流速度都会减小环隙气流和液体射流之间的速度差，从而产生更大的雾化液滴。前人研究发现，减小射流液体和环隙气流之间的密度比会缩短液体射流表面瑞利-泰勒不稳定波的波长，从而产生更小的雾化液滴直径[1,15,28]。而气体的注入会导致射流液体密度的减小，从而减小射流液体和环隙气流之间的密度比，产生更小的液滴。含气泡流体最终的雾化液滴直径依赖于这两种作用的相对大小。当Oh较小时，气液密度比的影响较为显著，雾化液滴直径随着气液体积流量比的增大而逐渐减小。当Oh较大时，气液相对速度的影响较显著，提高气液体积流量比会产生更大的液滴。

2.3 量纲为一雾化液滴直径的定量分析

通过保持加压罐中的压力不变，获得了稳定的液体体积流量。被注射泵注入喷嘴的气体会与液体射流混合形成气液混合物。为了简化分析，假设此时的气液混合物是均匀的。因此，气液混合物的速度可以表示为：

其中：k是考虑到实际气液混合物对均匀气液混合物的偏差而设置的修正系数，通过作者之前的研究，可以得到k=24.5[23]。此时韦伯数Weg，b可以表示为：

前人研究发现，溶体中的颗粒或者气泡会影响溶液的黏度[29-32]。Llewellin 等[30]发现在液体中加入气泡可能会减小溶液的黏度，也可能会提高液体的黏度，最终结果取决于量纲为一参数Ca和Cd，其数学表达式分别如式（12）和式（13）所示。

通过拟合实验数据可以得到k1=1.42。拟合曲线见图8～图10 中的实线。实验测量值与模型计算值之间的比较结果见图11。从图8～图11 可以看出，拟合曲线和实验值吻合较好，D模型计算值与实验测量值之间的偏差在±5%以内。

图11 D 模型计算值与实验测量值的对比Fig. 11 Comparison of experimental D with calculated D

3 结 论

(1) 液体射流内部气泡对黏性流体的气流式雾化存在多方面的影响。首先，液体射流内部气泡的存在会提高液体射流的表观速度，从而降低环隙气流和液体射流之间的相对速度，因此有利于产生更大的雾化液滴；其次，液体射流内部气泡会降低液体密度，缩短射流表面的瑞利-泰勒不稳定波，从而有利于产生更小的液滴。最后，气泡的加入会提高气液混合物的黏度，从而有利于产生更大的液滴。含气泡黏性流体最终的雾化液滴直径取决于这三者的竞争作用。

(2) 当Oh较小时，在液体射流速度较小的情况下雾化液滴直径随气液体积流量比的增大而减小；在液体射流速度较大的情况下雾化液滴直径随气液体积流量比的增大而增大。当Oh较大时，雾化液滴直径随气液体积流量比的增大而增大。

(3) 建立了一个理论模型用来描述黏性流体雾化液滴直径随气液体积流量比的变化规律，结果表明雾化液滴直径模型计算值与实验测量值之间的偏差在±5%以内。