基于高速攝影技術的外混式空氣霧化噴嘴錐角特性研究

馬永達 袁銳波 劉森

摘要：本文基于300kg/h小型煙草加料系統試驗臺選擇典型外混式空氣霧化加料噴嘴為研究對象，利用高速攝影技術，搭建自由空間檢測試驗臺。針對噴嘴在不同霧化壓力、料液流量、料液溫度等煙草加料工藝條件的霧化錐角進行了試驗研究分析，并基于試驗結果利用ANSYS Fluent 15.0軟件對空氣霧化噴嘴的外流場進行了仿真模擬。研究得到了不同霧化壓力、料液料液及溫度對于霧化錐角的影響，利用該試驗結果進行噴嘴外流場仿真模擬，提高了仿真的可靠性及精度。

Abstract： In this paper， a typical external-mix air-blast atomizer was selected which based on the small tobacco feeding system with a flow of 300kg/h as the research object. A free space testing platform is built by high-speed photography. The atomizing cone angle of atomizer under different atomizing pressure， feed liquid flow rate and feed liquid temperature was studied. Based on the test results， the ANSYS Fluent 15 software is used to simulate the external flow field of air-blast atomizer. The influence of different atomizing pressure， feed liquid flow rate and temperature on the atomization angle is obtained. The reliability and accuracy of external flow field simulation is improved by using the experimental results.

關鍵詞：外混式空氣霧化噴嘴；高速攝影；霧化錐角；ANSYS Fluent 15.0；煙草加料

Key words： external-mix air-blast atomizer；high speed photography；atomization angle；ANSYS Fluent 15.0；process of feeding the tobacco leaves

中圖分類號：TH137 文獻標識碼：A 文章編號：1006-4311（2018）25-0154-04

0 引言

空氣霧化噴嘴（空氣助力式霧化噴嘴）是兩相流噴嘴最為典型的噴嘴形式[1]。就目前國內噴霧領域而言，提高液流與周圍氣流之間的相對流動速度被認為是有顯著的促進作用，它借助于空氣流動來增強液體霧化，尤其是低噴射壓力下的霧化；高速氣流在噴嘴內部或外部與低速液體混合，極大地改善了液體的霧化效果。外混式空氣霧化噴嘴的原理是高速氣流則通過氣道切向或垂直與噴出的液體射流在噴口外部混合，利用氣液相互沖擊和摩擦的作用而霧化[1-4]。

煙葉加料過程是卷煙制絲過程中的一道非常核心的工序，是煙草制品形成獨特風格的重要保障。加料工序是香料液通過噴嘴霧化作用碎裂成細小液滴，施加到滾筒內運動的煙葉上[5]。霧化香料的噴嘴為外混式空氣霧化噴嘴。霧化錐角的大小是噴嘴噴霧的一個重要的特性，目前國內關于霧化錐角的關注度相對較少，于忠強，杜志環針對不過類型燃油噴嘴的霧化錐角進行了研究[6-7]。針對煙草加料噴嘴的霧化錐角鮮有研究，而霧化錐角對于煙葉加料均勻性、加料效果等著重要影響。

1 試驗平臺搭建

噴嘴霧化系統可以對霧化介質（壓縮空氣）噴射壓力進行準確控制，對料液進行的定量精確輸送；并且可以對噴嘴加料霧化介質和料液的流量、壓力、溫度等參數進行調節和控制，滿足加料霧化特性的試驗研究。（圖1）

試驗平臺系統示意圖如圖2所示。包括噴嘴部分1、拍攝部分3、參數調節部分2、數據采集部分4；噴嘴部分完成氣液混合后的料液噴射霧化；拍攝部分用于料液噴射霧化的捕捉；參數調節部分用于調節不同工況下的參數；數據采集部分采集捕捉的噴射霧化數據。背光源5為機器視覺光源，用于補充高速相機高幀數工作狀態下所需要的強光。

所用噴嘴為外混式空氣霧化噴嘴，噴嘴結構圖如圖3所示，噴嘴出口孔徑為3mm。本文采用photron推出的小型高速相機FASTCAM Mini UX100作為拍攝檢測的儀器。

2 霧化錐角試驗研究

2.1 霧化錐角的檢測

本文使用料液作為被霧化的液體，壓縮空氣作為霧化氣體。試驗根據某煙廠實際工藝參數，分別設定霧化空氣壓力為0.15MPa、0.20MPa、0.25MPa、0.30MPa、0.35MPa、0.40MPa；料液流量為15kg/h、20kg/h、25kg/h、30kg/h、35kg/h、40kg/h；料液溫度依次為40℃、45℃50℃、55℃、60℃，進行實驗。霧化檢測過程為，如圖4所示，首先標定相機位置，將高速相機對焦于通過噴嘴軸線的豎直面上；接著調整試驗參數，使噴嘴開始霧化，待噴嘴工作狀態穩定后，高速相機開始攝錄噴霧畫面并實時傳輸到PC進行保存，最終得到的霧化錐角狀態如圖5所示。

霧化錐角指噴嘴出口到噴霧炬外包絡線的兩條切線之間的夾角[8]，包絡了出口處的霧化范圍。對霧化角的測量方法是將高速相機采集到的照片通過Photron FASTCAM Analysis軟件處理得到霧化錐角的大小。為了減小測量誤差，每組工況測量10張圖片取得的平均值為該工況下的錐角值。

2.2 試驗結果與分析

2.2.1 霧化錐角隨料液流量變化規律

利用所述錐角檢測方法，可以得到不同工況下的霧化錐角詳細數值。如表1所示，為溫度40℃時，霧化壓力為0.15-0.40MPa，料液流量為15-40kg/h，不同條件下的霧化錐角值。

將表1中的數據，做如圖6所示處理，橫坐標為料液流量，縱坐標為霧化錐角，不同顏色的曲線代表不同的壓力。圖中CA代表霧化錐角，P代表霧化壓力，T代表料液溫度，F代表料液流量。從圖中可以看出，在料液溫度與霧化壓力恒定時，該噴嘴的噴霧錐角隨料液流量的增加逐漸增大。在15-30kg/h的范圍內錐角增加速度較快，而后增加速度逐漸減小。在圖中最小錐角為10度左右，最大錐角將近27度，說明料液流量的變化對于霧化錐角的影響是巨大的。這是因為隨著料液流量的增加，參與破碎的料液會增加，霧化形成的液滴越來越大，在空間中霧化擴散的范圍越來越大。

2.2.2 霧化錐角隨霧化壓力變化規律

同理，將橫坐標設為霧化壓力，縱坐標為霧化錐角，不同顏色的曲線代表不同的料液流量，可得到霧化錐角隨霧化壓力的變化圖，如圖7所示。從圖中可以看出，在料液溫度為40℃、流量恒定時，該噴嘴的噴霧錐角隨霧化壓力的變化而出現變化，但沒有顯著的規律。當料液溫度為40℃、流量為40、30、15kg/h，霧化錐角隨著壓力的增加出現先減小后增大而后又減小的趨勢；當料液溫度為40℃、流量為35、25kg/h，霧化錐角隨著壓力的增加出現先增大后減小而后又增大的趨勢；當料液溫度為40℃、流量為20kg/h，霧化錐角隨著壓力的增加出現先減小后增大的趨勢。這是由于隨著霧化壓力的增大，霧化空氣破碎料液的能力逐漸增加，霧化形成的液滴越來越小，運動速度逐漸增大，但是在空氣中會受到重力、浮力、阻力等復雜的空氣動力作用，在空氣中進行復雜的無規律擴散運動，因此會導致霧化錐角的變化規律也難以找到。

2.2.3 霧化錐角隨料液溫度變化規律

同樣利用上述錐角檢測方法，可以得到料液流量為25kg/h時，霧化壓力為0.15-0.40MPa，料液溫度為40-60℃，不同條件下的霧化錐角值。將橫坐標設為料液溫度，縱坐標為霧化錐角，可得到霧化錐角隨料液溫度的變化圖。從圖8中可以看出，在料液流量與霧化壓力恒定時，該噴嘴的噴霧錐角隨料液溫度的增加呈現先增加后減小的趨勢，各曲線在T50時霧化錐角達到最大。料液溫度的變化會影響料液的一些特性，比如粘度、密度等。隨著料液溫度的升高料液粘度會減小，使得料液粘性力、表面張力減小，破碎需要的能量相對會減小。

3 空氣霧化噴嘴外流場仿真

ANSYS Fluent 15.0中有五種霧化噴嘴模型，其中本文研究的噴嘴屬于氣體輔助霧化（air-blast/air-assisted atomizer），因此可利用該模型來進行霧化的外流場仿真。

根據試驗平臺建立1000*1000*3000mm的立方體霧化流域，劃分網格。噴射過程考慮到熱交換問題，因此選擇能量方程，激活傳熱機制；噴射過程可認為完全湍流情況，湍流模型選擇k-ε湍流模型；激活DPM模型。模擬過程將離散相與連續相耦合計算，關聯氣相與液相之間，使之相互作用，在Interaction選項勾選Interaction with Continuous Phase。邊界條件如表2所示。選擇air-blast-atomizer霧化模型，Spray Half Angle為霧化錐角的輸入選項，可根據試驗獲得角度輸入。

經過圖9設置后，進行非穩態計算。可得到噴嘴霧化外流場仿真，如圖10所示為料液溫度為50℃；霧化空氣壓力為0.2MPa；料液流量為30kg/h；霧化錐角為18.5746度時的霧化仿真效果圖。

4 結論

①利用高速攝影技術結合機器視覺光源，能夠較容易的檢測提取空氣霧化噴嘴的霧化錐角，并且能保證較高的精度；

②霧化空氣壓力、料液流量、料液溫度對于噴嘴霧化錐角有著明顯的影響。本文研究的噴嘴其噴霧錐角隨料液溫度的增加呈現先增加后減小的趨勢，在料液溫度為50℃時霧化錐角達到最大；錐角隨料液流量的增加逐漸增大，在15-30kg/h的范圍內錐角增加幅度較大，而后增加幅度逐漸減小；錐角隨著霧化壓力的增大會產生變化，但沒有顯著的規律；

③ANSYS Fluent 15.0中提供了空氣霧化噴嘴模型，其中霧化錐角是一項重要的輸入參數，利用上述試驗研究結果，可以在一定程度上提高模擬霧化仿真的可靠性及精度。

參考文獻：

[1]侯凌云，侯曉春.噴嘴技術手冊[M].北京：中國石化出版社，2007.

[2]JB/T 9797-1999，噴霧器噴射部件[S].

[3]曹建明.噴霧學[M].北京：機械工業出版杜，2005.

[4]Reitz R D.Modeling atomization processes in high-pressure vaporizing sprays[J]. Atomization and spray technology， 987， 3：309-337.

[5]陳良元.卷煙生產工藝技術[M].河南：科學技術出版社，2001.

[6]于忠強.空氣霧化噴嘴霧化特性的實驗研究[D].大連：大連理工大學，2014.

[7]杜志環.燃油閃急噴霧過程的數值模擬研究[D].長沙：中南大學，2011.

[8]汪鐵林，周玉新，伍沅.旋渦壓力噴嘴的霧化特性[J].化學工程與裝備，2008（2）：6-10.