高背壓下平口噴嘴射流錐角影響因素分析

蘇本展 楊 鶴 彭志福 盧成?。ㄈA中科技大學，湖北 武漢 430074）

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高背壓下平口噴嘴射流錐角影響因素分析

蘇本展 楊 鶴 彭志福 盧成健
（華中科技大學，湖北 武漢 430074）

摘 要：高背壓下條件下的射流在火電的減溫水噴射、燃氣輪機、加壓煤氣化、潛艇等領域具有廣泛的應用。由于高背壓射流參數計算方法缺失，本文利用搭建的高背壓實驗系統，選取8種不同結構參數的噴嘴進行實驗，研究背壓、噴射壓差、噴嘴長徑比等參數對射流錐角的影響。分析實驗結果，發現背壓對射流錐角影響較大，在高背壓時，背壓越高，射流錐角越大；在低背壓時，射流錐角受噴嘴內部流動狀態影響較大，低背壓時，噴嘴內部易產生空穴流動，空穴的產生促進射流錐角的增大，其影響不可忽略。

關鍵詞：射流錐角；背壓；壓差；長徑比

1 引言

平口噴嘴在各種射流裝置中得到廣泛運用，其射流錐角反映了噴嘴噴射的輪廓和覆蓋面，是決定其性能好壞的重要參數。Lefebvre總結了一些學者的研究工作，認為平口噴嘴的射流錐角受到噴嘴幾何結構、噴嘴長徑比以及噴射進入環境介質的密度影響。Kerst等比較常壓和高壓射流的破碎情況，發現背壓升高后，在很小的噴射速度下，射流就會從滴落狀態過渡到霧化狀態，即背壓升高有利于霧化的發生。Varde研究液態燃油噴入氣體環境中，結果表明射流錐角依賴于噴嘴形狀和噴嘴運行條件。王德忠等利用高速相機研究柴油機噴霧，結果表明與常壓情況相比，高背壓增強霧化，霧化錐角增加，貫穿度降低。

2 實驗

2.1 實驗系統

為了分析射流錐角，設計了如下的實驗系統，該系統可進行常壓和加壓下的實驗，如圖1所示。

圖1 射流霧化實驗系統

表1 噴嘴編號及尺寸

2.2 實驗方法

噴射介質為水，溫度為5℃左右，水流量范圍為40kg/h～300kg/h，使用高壓計量泵實現對水的精確控制。環境氣體為空氣，實驗背壓為4MPa、3MPa、2MPa、1MPa、0.1MPa（圖例直接用數字代替，略去MPa）、通過高壓氣體壓氣機對壓力罐充氣達到所需實驗壓力。射流錐角通過數碼相機拍照，拍照位置為噴嘴出口200mm處，曝光時間為1/30s，然后導入CAD中進行處理，獲得錐角，由于在同一工況下，射流錐角基本不變，因此可以認為所得圖像為實際射流錐角。由于測量的原因造成的誤差為±1°，見表1。

圖2 8號長徑比為20時噴嘴射流錐角與Re數的關系

圖3 1號噴嘴射流錐角與Re數的關系

圖4 3號噴嘴射流錐角與Re數的關系

圖5 8號噴嘴噴射壓差和Re數的關系

圖6 1號噴嘴噴射壓差和Re數的關系

圖7 3號噴嘴噴射壓差和Re數的關系

3 結果和分析

3.1 射流錐角與Re數的關系

從圖2中可以看出，在較大長徑比（20）下，射流錐角在不同背壓下均表現出類似的變化規律，即隨著Re的增加，射流錐角呈現相同規律的增大。在同一Re數下，總體來說，背壓越高，射流錐角越大，說明背壓也即環境氣體密度對射流錐角影響較大。但在較大背壓（3MPa、4MPa）的時候，射流錐角差別較小，明顯比2MPa大很多；在較小背壓時，出現射流錐角在大Re數時上升較快。為了弄清這是否是由實驗誤差造成的，對1號和3號噴嘴進行類似分析，如圖3和圖4所示：觀察發現，1號和3號噴嘴在低背壓時同樣出現和8號噴嘴類似的規律，如圖5所示。另外1號和3號噴嘴在較低背壓時射流錐角先緩慢增加后快速增加，這很可能是由噴嘴內部流動狀態改變引起的，因此，為了進一步解釋這種現象，后面分析了射流錐角與噴射壓差的關系。

另外，發現盡管1號和3號噴嘴的射流錐角隨著Re數增加的趨勢沒有變，但是錐角增加的速度呈現顯著的不同，表現為8號噴嘴和1號噴嘴均呈現出相對較快的增加趨勢，并且會繼續增加，而3號噴嘴呈現出先快速增加后緩慢增加甚至有減小的趨勢。對比發現，3號噴嘴達到的最大射流錐角19°明顯大于1號和8號的14°，這可能是由于長徑比的不同造成的，因此有必要研究長徑比對射流錐角的影響。

3.2 噴射壓差與Re數的關系

如圖5、圖6和圖7所示，在相同Re數時，不同背壓下的噴射壓差差別不明顯。在低Re（20000）數時，噴射壓差基本相同；隨著Re數的增加，低背壓下的噴射壓差呈現出較快的增加，在高Re數時大于高背壓下的壓差。對比1號和3號噴嘴，發現這種現象更加明顯，在高背壓（2MPa、3MPa、4MPa）情況下，噴射壓差幾乎保持著相同。而在低背壓下出現顯著的不同，隨著Re數的增加，噴射壓差增加的速度越來越快，并且明顯高于高背壓下的噴射壓差，這與上述射流錐角的增加趨勢一致。為什么會出現這種現象，是因為在較低背壓時，噴嘴內部流動狀態發生了變化，產生了空穴流動，空穴的產生促進了射流錐角的擴張，因此，在較低背壓情況下，空穴流動對射流錐角的影響較大。

結論

對于所有實驗噴嘴，試驗條件下射流錐角在2°～18°，隨雷諾數的增加而增加；在相同Re數下，背壓越高，射流錐角越大。

在高背壓（2MPa、3MPa、4MPa）條件下，噴射壓差幾乎保持著相同。而在低背壓下出現顯著的不同，隨著Re數的增加，噴射壓差增加的速度越來越快，并且明顯高于高背壓下的噴射壓差。這是由于噴嘴內部流動狀態發生了變化，產生了空穴流動，空穴的產生促進了射流錐角的擴張，因此，在較低背壓情況下，空穴流動對射流錐角的影響較大。

參考文獻

［1］ Lefebvre， A.H.， Atomization and sprays. 1989， New York: Taylor&Francis.

［2］ Kerst， A， B.Judat， and E.U.Schlünder，Flow regimes of free jets and falling films at high ambient pressure. Chemical engineering science， 2000. 55（19）: p. 4189-4208.

［3］ K.S.Varde， Spray cone angle and its correlation in a highpressure fuel spray， Can. J. Chem. Eng. 63（1985）：183-187.

［4］王德忠，姜高植.應用高速攝像技術研究柴油機的噴霧過程［J］.上海交通大學學報，2000，34（4）：453-457.

中圖分類號：TG137

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