氣液兩相流流型影響噴嘴噴霧形態及液滴粒徑分布

孫春華，寧 智，喬信起，李元緒，呂 明

氣液兩相流流型影響噴嘴噴霧形態及液滴粒徑分布

孫春華1,2，寧 智1※，喬信起2，李元緒1，呂 明1

（1. 北京交通大學機械與電子控制工程學院，北京 100044；2. 上海交通大學內燃機研究所，上海 200240）

為了獲得氣泡霧化噴嘴內不同氣液兩相流流型對噴霧形態及液滴粒徑分布的影響規律，該文建立了氣泡霧化噴霧可視化試驗系統，采用試驗方法獲得噴嘴內氣液兩相流流型及宏觀噴霧形態；該文建立了噴嘴內和噴霧場中氣液流動模型。研究結果表明，泡狀流時噴孔出口含氣率呈周期振蕩衰減且含氣率較低，攪拌流時噴孔出口截面含氣率脈動幅度及其變化較小且含氣率較高（較泡狀流高1倍）；攪拌流時噴霧形態脈動不明顯，噴霧半錐角分布比較集中，而泡狀流時正好相反，攪拌流時噴霧半錐角在8°～14°范圍內的占比超過70%，而泡狀流不到40%。攪拌流時噴孔出口附近液滴粒徑分布更加集中且隨軸向距離增加分布范圍變化更大，液滴平均粒徑比泡狀流小4%左右；在噴孔出口附近，攪拌流時液滴粒徑標準差明顯小于泡狀流時液滴粒徑標準差，較泡狀流小30%以上；不同氣液兩相流流型時液滴粒徑分布的差異隨軸向距離的增加而減小。研究結果可為氣泡霧化噴射技術的發展以及不同領域噴嘴內流型的合理選擇提供一定的理論和試驗依據。

噴嘴；霧化；氣液兩相流；流型；液滴粒徑分布；可視化試驗；仿真

0 引 言

氣泡霧化噴嘴是一種氣液在內部混合的兩相流噴嘴。氣泡霧化噴嘴能夠在較低噴射壓力下實現較好的霧化效果且霧化效果對液體物性不敏感，使得氣泡霧化噴嘴能夠很好適應不同液體霧化的要求[1-2]。目前，氣泡霧化噴嘴已嘗試應用在農業灌溉、焚燒爐、噴涂、內燃機等領域[3-5]。雖然氣泡霧化方式尚處于研究階段，但從目前的研究結果來看，氣泡霧化噴霧具有良好的工程應用前景[6-11]。

Roesler和Lefebvre最先研究了氣泡霧化噴嘴內的氣液兩相流流型[12-13]，發現隨著氣液質量比的增大，噴嘴內的氣液兩相流流型會經歷從泡狀流到段塞流再到環狀流的轉變。Kim和Lee進一步研究了噴嘴內氣液兩相流流型與噴霧的關系[10]，認為氣泡霧化存在2種模式：在泡狀流下，射流的破碎和霧化主要由氣泡的膨脹作用所決定，在環狀流下則主要由氣液速度差產生的氣動力促進射流破碎；段塞流時則同時存在上述兩種模式。Catlin等[14]對段塞流型和環狀流型時氣泡霧化噴嘴射流的霧化機理進行了研究，認為射流液柱或液膜的破碎歸因于氣體膨脹與開爾文-赫姆霍茲不穩定擾動的協同作用；研究還觀察到了段塞流型和攪拌流時噴嘴混合室內壁面液膜的不均勻分布。雖然以往研究已揭示不同氣液兩相流流型下的射流破碎機理，但氣液兩相流流型對噴霧形態及液滴尺寸影響程度的研究鮮見報道。

氣泡霧化噴嘴內部存在多種流型，氣液兩相流流型的形成及轉變會受噴嘴運行工況、噴嘴結構以及氣液物性的共同作用，影響因素非常復雜[15-21]。目前研究重點主要是噴嘴內氣液混合過程、氣泡噴霧的霧化機理、噴霧特性、以及氣泡霧化噴霧的不穩定性等方面，而對噴嘴內部氣液兩相流流型對氣泡霧化噴霧的影響關注較少；如何在相同氣、液流量下，在噴嘴內實現不同氣液兩相流流型也是難點。

基于噴霧穩定性的考慮，攪拌流和泡狀流是氣泡霧化噴嘴正常工作時較為典型的2種氣液兩相流流型。本文采用可視化試驗方法獲得噴嘴內氣液兩相流流型及宏觀噴霧形態（噴霧錐角和貫穿距離）；采用仿真分析方法獲得試驗較難觀測的噴孔處狹小空間內的氣液流動形態及噴霧場液滴粒徑分布，從而對可視化氣泡霧化噴嘴內部攪拌流和泡狀流時噴霧形態特征及液滴粒徑分布特征進行研究，以進一步深化對氣泡霧化噴嘴噴霧的認識，為氣泡霧化噴射技術的研究與應用提供一定的理論和試驗依據。

1 試驗系統及仿真模型

1.1 試驗系統

霧化噴射可視化試驗系統如圖1所示，主要由霧化噴嘴、空氣泵和液體泵、氣體和液體流量計、相機等部分組成。液體泵輸出的液體經液路進入霧化噴嘴液相入口，空氣壓縮機輸出的空氣經氣路進入霧化噴嘴氣相入口，氣、液相在霧化噴嘴混合室內混合并形成不同氣液兩相流流型；噴射時，利用氣體對液體的離散、膨脹效應加速液體破碎。利用相機對噴嘴內氣液形態和噴霧形態進行拍攝，其中氣液形態圖像樣本48個（2個噴嘴各24個）；噴霧形態圖像樣本2100個（其中用于噴霧形態平均參數測量1500個，用于噴霧半錐角分布測量600個）。

1. 空氣壓縮機 2.氣體壓力調節閥 3.氣體流量計 4.氣體單向閥 5.氣泡霧化噴嘴 6.相機 7.液體收集器 8.液體泵 9.LED綠光源 10.導光板 11. 液體壓力調節閥 12.液體流量計 13.液體單向閥

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：圖中箭頭表示氣、液相的流向。

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

圖1 霧化噴射可視化試驗系統

Fig.1 Visualization test system for atomizing

試驗用的可視化霧化噴嘴根據柴油機SCR尿素水溶液噴射系統基本參數范圍設計結構，如圖2所示。試驗用液體為水，氣體為空氣。試驗設備參數如表1所示。

表1 試驗設備參數

可視化霧化噴嘴的混合室直徑6 mm，距噴孔出口距離65.3 mm，噴孔直徑和噴孔長度分別為1.2 mm和2.4 mm。噴嘴氣液充入壓力0～0.6 MPa，可實現液相0～50 ml/s的射流噴射。

根據噴嘴內氣液相界面差異，氣泡霧化噴嘴混合室內的氣液兩相流流型主要有泡狀流、攪拌流和段塞流型[21]，如圖3所示。在泡狀流中，氣體以離散氣泡的形式散布于連續液相中；氣泡直徑一般明顯小于管路直徑，且當氣泡直徑較小時，氣泡主要呈現球形。在攪拌流中，氣液分離較為明顯，液相通常存在于中間氣核與壁面之間，氣液界面波動明顯。在段塞流中，氣體主要以大氣團的形態存在于管路中，且氣團的直徑與管路直徑相當，氣團之間偶爾存有尺寸不一的小氣泡。

a. 噴嘴剖視圖b. 噴嘴實物圖

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

1. 噴孔出口 2.下游混合室 3.上游混合室 4.充氣孔 5.液相入口 6.氣相入口

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

注：為噴嘴寬度，mm；為噴嘴長度，mm；N為充氣孔數量；d為充氣孔直徑；L為充氣孔距噴孔出口距離，mm；d為氣液接觸段直徑，mm；d為混合室直徑，mm；l為噴孔長度，mm；d為噴孔直徑，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.

圖2 霧化噴嘴剖視圖及實物圖

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

圖3 混合室的氣液兩相流流型

氣液兩相流流型一方面取決于氣液質量流量，另一方面取決于噴嘴結構參數。本文旨在分析噴嘴內攪拌流和泡狀流時噴霧形態特征及液滴分布特征，為了使不同氣液兩相流流型時噴霧形態特征和液滴粒徑分布特征具有可比性，需要在相同運行工況下（相同的氣液質量流量下），得到2種不同氣液兩相流流型（攪拌流和泡狀流）。研究表明，改變充氣孔直徑和數量會影響噴嘴內氣液兩相流流型[2]，為此本文設計2種不同結構參數的可視化霧化噴嘴，并通過可視化試驗獲得2種噴嘴的氣液兩相流流型圖，尋找2種氣液兩相流流型中氣液流動條件相同但氣液兩相流流型不同的工況點，從而獲得相同工況下的不同氣液兩相流流型。2種噴嘴的主要結構參數如表2所示。

表2 噴嘴主要結構參數

1.2 仿真模型

由于不同流型的噴嘴出口氣相分數及噴霧場液滴粒徑分布較難通過試驗獲得，本文通過仿真方法分析噴嘴內攪拌流和泡狀流時氣液兩相流流經噴孔時的氣液形態、噴孔出口截面流動參數的脈動以及噴霧場中液滴粒徑分布，使用ANSYS Fluent建立相應的噴嘴內氣液兩相流流動仿真模型和噴霧場氣液兩相流流動仿真模型。模型計算域包括氣泡霧化噴嘴的一部分混合室和噴孔以及噴霧場區域。

噴嘴內氣液流動仿真時，采用PLIC（piecewise linear interface construction）方法和VOF（void of fraction）方法對氣液相界面進行重構和追蹤，結合連續表面張力模型、連續性方程和動量方程對氣液兩相流流動進行描述[22-23]。湍流模型采用標準-模型。

噴霧場氣液兩相流流動仿真時，其控制方程較復雜，包括氣相控制方程、液滴運動方程、液滴破碎和碰撞控制方程等。

將噴霧場中氣相作為連續相，用Eulerian方法描述；將液滴作為離散相，用Lagrangian方法描述。氣液兩相滿足各自獨立控制方程，同時考慮氣液兩相的耦合。

將氣相作為連續相，加入液滴對氣相的作用力源項：

式中ρ為氣相密度，kg/m3；u為氣相速度，m/s；為壓強，Pa；為黏度，Pa·s；為界面變形張量，1/m。

采用顆粒軌道模型對噴霧場中液滴的運動進行描述[16]：

式中為液滴速度，m/s；ρ為液滴密度kg/m3；F為其他單位質量作用力，如布朗力、附加質量力等，N；F(u)為單位質量液滴受到的曳力，N；其中F為曳力動量交換系數[23]：