基于撞击法的喷雾射流粒径研究*

2022-12-14宋方智刘长春艾国栋刘思奇李存英段啸天张翌祥

中国安全生产科学技术 2022年11期

宋方智，刘长春，艾国栋，刘思奇，李存英，段啸天，张翌祥

(1.西安科技大学安全科学与工程学院，陕西西安 710054；2.西安市西科城市安全与消防救援研究中心，陕西西安 710054；3.西安市城市公共安全与消防救援重点实验室，陕西西安 710054；4.陕西省工业过程安全与应急救援工程技术研究中心，陕西西安 710054；5.三一汽车制造有限公司，湖南长沙 410100)

0 引言

近年来，大流量远射程喷雾水枪开始在消防领域快速推广[1]，其原理是通过雾化增加水的表面积，提高水的利用率，从而达到高效灭火的目的。雾滴尺寸分布是喷雾水枪最重要的技术指标。影响雾滴尺寸的因素包括压力[2-3]，流速[4-5]，出口孔径[6-7]等。测量雾滴粒径是评价和优化喷雾水枪必要因素。

随着光学技术的发展，研究者借助激光多普勒粒子测量系统(LDV/PDPA)[8-9]、马尔文喷雾粒径分析仪(LDT)[10-11]、激光诱导荧光技术(LIF)[12]和粒子图像测速仪(PIV)[13]等光学仪器对液滴分布信息进行了测量，这些仪器能够测量粒径大小和液滴速度平均值，但存在液滴重叠和测试边界问题，影响测试数据的准确性，对于测试现场环境的要求较高，不适用于现场测量。而色斑法、面粉颗粒法这些非光学法的实验方法局限性在于只能测试喷洒水滴粒径，不适合冲击力较强的喷雾射流。

德国标准《Wet separators-Mist eliminators》(VDI 3679 Sheet 3—2010)[14]中规定的撞击法不仅可以测量冲击力较强的喷雾射流雾滴粒径，而且取样点布置灵活方便，不受实验场地限制，测量费用低，简单易操作。李森等[15]、陶明等[16]使用撞击法对湿法脱硫工业实验装置中的雾滴粒径及其雾滴分布规律进行了研究。

虽然撞击法目前主要应用于电力行业，但由于喷雾水枪射流冲击力强、覆盖范围大等特点，非常适合采用撞击法进行测量。本文对撞击法测试原理、方法、数据处理等进行论述，在此基础上对测量雾滴粒径方法进行改进，利用该方法对喷雾水枪射流中雾滴的分布规律进行测试，获得喷雾射流中所携带雾滴的粒径及其分布规律，研究结果可为喷雾水枪的设计优化提供数据支撑。

1 撞击法原理及方法

1.1 撞击法原理

本文所使用的撞击法是1种直观的物理测试方法，适用于实验室和工程现场操作，其主要原理是在撞击板上覆盖1层氧化镁层，载玻片固定在套筒中，迎面暴露在垂直水流方向，并停留一段时间，如图1所示。当水流以一定的速度垂直撞向固定在取样器套筒的载玻片时，喷雾射流中携带的雾滴会随着射流撞击到载玻片上并留下永久性的印记小坑。将带有小坑的载玻片在电子显微镜下观察并统计弹坑的直径和数量得出雾滴的直径和分布规律，再经过数据的折算及修正等处理计算，获得需要的粒径信息。

图1 撞击实验原理Fig.1 Experimental principle of impact method

1.2 撞击测量方法

1.2.1 实验仪器

撞击法雾滴实验装置包括套筒、撞击板、载玻片和显微镜测量系统，如图2(a)所示。本文设计并改进1种套筒取样装置和水雾冲击挡板。套筒取样装置携带便捷，利用套筒机制可以控制载玻片的暴露时间，可以简单地拆装载玻片。

图2 实验仪器Fig.2 Experimental apparatus schematic

由于喷雾射流冲击力强、覆盖范围大，难以收集喷雾射流中粒径数据，因此需要设置水栅。水栅的结构如图2(b)所示，在水雾冲击挡板上留缝隙供喷雾射流通过，根据射流强度不同，调整缝隙的尺寸，推荐范围为3～10 mm，在水栅后进行测量。采用具有能够对样品多级放大并在荧光屏上成像的电子显微镜，可以实时精准测量雾滴粒径，并进行拍照、存储。

1.2.2 氧化镁载玻片制备过程

在氧化镁载玻片制备过程中，需要准备的材料包括镁条、酒精灯、载玻片、坩埚钳、铁支架。氧化镁载玻片制备方法：将载玻片放置于铁支架上，剪取1段镁条，使用坩埚钳夹取镁条用酒精灯火焰灼烧，镁条开始燃烧并有白烟生成，等白烟变浓后将燃烧的镁条置于载玻片下熏烤载玻片并不时地移动，使白色粉末氧化镁均匀地附着在载玻片上，直到载玻片不透光为止，如图3所示。经实验测试，0.1 m的镁条可以制备10片均匀附着氧化镁的载玻片。

图3 氧化镁制备架和氧化镁载玻片Fig.3 Magnesium oxide preparation rack and slides

1.2.3 测试过程及注意事项

1)制备载玻片。本文采用的取样为长76.2 mm×宽25.4 mm载玻片，为确保雾滴撞击时小坑的出现，用镁条熏制载玻片时需要尽可能大面积覆盖而且覆盖均匀。

2)将制备好的载玻片装入套筒。

3)根据喷雾射流强度，将水栅宽度调整到合适的距离。

4)准备结束后，将套筒垂直于水流方向并置于水栅中，通过快速抽动套筒，将载玻片暴露在迎面水流中，载玻片在水流中暴露的时间需根据现场环境和工况进行调整，严格控制取样时间。如果取样时间过短，膜片上雾滴小坑太少，计算误差较大；取样时间过长，可能会造成膜片上氧化镁附着层脱落和雾滴小坑重叠，计算误差也会变大。当测试压力较大时，雾化效果较好，水滴平均粒径将会减小，所以应当适当增加暴露时间。因此，在正式实验前应进行预测试，以确定该工况的取样时间。

5)为了消除附着在套筒上的雾滴的影响，将套筒拿出后，应尽快拆除套筒上的载玻片并做好保存。

6)通过目测，如果出现大面积氧化镁脱落或者大雾滴存留在载玻片上，应重新采集样品，并减少取样时间。如果出现氧化镁载玻片上并没有明显痕迹(小坑)则需要增加取样时间。

7)重复上述步骤2)～6)，完成测试工况中所有的取样。

1.3 数据处理和修正

将所得到的载玻片放置在显微镜下，测量并统计载玻片上的小坑直径和数量，并用雾滴直径yk与小坑直径xk的比值dk对载玻片上的原始小坑数据进行处理。dk的计算方法在文献[17]中有详细说明，当雾滴的直径>20 μm时，dk=0.86；当雾滴的直径为15～20 μm时，dk=0.8；当雾滴的直径为10～15 μm时，dk=0.75。雾滴直径计算公式如式(1)所示：

(1)

式中：yk为雾滴直径，μm；xk为小坑直径，μm；dk为雾滴直径与小坑直径的比值。

雾滴平均直径的表示方法很多，常用的有长度平均直径、表面积平均直径、体积平均直径(也称为质量平均直径)、索特平均直径等。雾滴平均直径的通用公式如式(2)所示：

(2)

式中：D为雾滴直径，μm；dN为雾滴数量；a和b代表粒径幂次的角标；k为不同种类粒径。

通常以Dv0.50，Dv0.99，D32等参数描述水雾特性。Dv0.50和Dv0.99都是以喷雾液滴的体积来表示液滴大小的方法。Dv0.50表示喷雾液滴总体积中，50%是由直径大于中位数值的液滴，另外50%是由直径小于该数值的液滴组成的；Dv0.99表示喷雾液滴总体积中，1%是由直径大于该数值的液滴，另外99%是由直径小于该数值的液滴组成的；D32表示索特平均直径，表明该雾滴的体积与表面积之比和所有雾滴的总体积与表面积之比相等。

2 撞击法应用实例

2.1 实验介绍

如图4所示，在水雾冲击挡板上使用撞击法对距水栅不同距离水枪携带的水雾雾滴尺寸和分布规律进行测试和分析。

图4 现场操作和喷雾水枪喷孔Fig.4 Field operation and spray holes of spray water gun

2.2 实验数据

实验在不同喷嘴截面积下按照不同压力分为6个工况，采用撞击法对每1个工况下的雾滴尺寸进行测试。计算的载玻片面积为1 930 mm2，通过显微镜对该区域放大40倍后，通过显微镜自带图像处理软件进行尺寸标定，结果如图5～6和表1～2所示。

图5 显微镜图和现场实验载玻片Fig.5 Micrographs and field experiment slides

图6 单孔粒径分布和十二孔粒径分布Fig.6 Particle size distribution of single spray hole and twelve spray holes

表1 射流距离10 m、喷雾水枪喷孔为单孔3 mm条件下的平均粒径Table 1 Average particle size under conditions of 10 m jet distance and 3 mm single spray hole of spray water gun

表2 射流距离10 m、喷雾水枪喷孔为十二孔1 mm条件下的平均粒径Table 2 Average particle size under conditions of 10 m jet distance and 1 mm twelve spray holes of spray water gun

平均直径预测模型[18]如式(3)所示：

(3)

依据式(3)构建平均直径预测模型计算雾滴粒径Dv0.50，给出不同压力和孔径下预测结果和实验结果对比如图7所示，由图7可知。喷孔为单孔3 mm时粒径的变化趋势和预测值相吻合，喷孔为多孔1 mm粒径的变化趋势和预测值相差较大。这是由于多孔结构相较单孔，在雾滴射流过程存在相互影响、撞击、摩擦等影响，造成预测值与实验值相差较大。因此式(3)平均直径预测模型仅适用于单孔粒径预测，不适合目前应用较多的多孔结构高压喷雾水枪。