氣助式復合噴頭紅外降溫特性試驗分析

李慧子1，朱森林，劉銀水

(1.中國艦船研究設計中心，武漢 430064；2.華中科技大學 機械科學與工程學院，武漢 430074)

艦船隱身技術中的水幕隱身技術具有經濟可靠等特點，已經被廣泛應用在艦船隱身技術領域[1]。新型水幕水霧復合噴淋技術在傳統水幕噴淋的基礎上，增加了霧化噴頭以及霧化功能。已有水幕噴淋試驗表明，當水膜厚度超過一定限度，其降溫效果逐漸趨于平緩，此時增大水膜厚度對降溫速率影響不大[2]，但卻極大增加了系統消耗的功率。因此考慮設計一種新型復合噴淋方式，即水幕水霧復合噴淋，并考慮以實驗的方式對比相同壓力下復合噴頭與傳統水膜噴頭對目標的紅外降溫速率。

1 霧化噴嘴設計

氣助式復合噴頭結構上由氣助式霧化噴嘴和水幕噴嘴組成，見圖1。

圖1 氣助式噴嘴實物

其中氣助式霧化噴嘴是其完成霧化功能的核心部件。氣助霧化過程是通過高速氣流和液體間的相互作用，使得液體碎裂的更加徹底從而獲得比單相噴射霧化更好的霧化效果。

氣助式噴嘴結構上主要由進氣管、進水管、氣液混合裝置及噴射孔等組成，液體與氣體在氣液混合裝置中相互擠壓、加速或剪切，然后從裝置端面孔口高速噴出，完成霧化[3]。噴嘴的結構參數會直接影響到氣液混和以及霧化過程。

氣助式霧化噴嘴結構上可以分為內混式和外混式兩種，內混式霧化噴嘴指的是氣液兩相先在噴嘴內部混合腔混和局部霧化后，再經噴射孔噴出完成繼續霧化，而外混式霧化噴嘴氣液兩相混和主要是在噴孔處或者是噴孔外[4-5]，兩種常見霧化噴嘴結構見圖2。

圖2 氣助式霧化噴嘴常見結構示意

氣助式霧化噴嘴的另一個重要設計參數是氣液流量比，該參數會直接影響到氣助式噴嘴的霧化效果。已有試驗考慮了氣液比、噴頭結構等對霧化質量的影響，結果表明，氣液比對霧化粒徑有較大的影響[6]。另有試驗研究表明：氣相壓力對霧化液滴粒徑影響最大，氣液比其次[7]。因此噴嘴設計需充分考慮氣液比對霧化結果的影響。

2 霧化噴嘴霧化性能測試

2.1 噴嘴性能試驗平臺

試驗裝置系統原理及組成見圖3。

圖3 噴嘴霧化性能測試系統原理

激光粒度儀測試系統、激光粒度儀測試原理以及高壓水動力源實物分別見圖4、5[8]。

圖4 激光粒度儀測試原理示意

圖5 高壓水動力源實物

通過調節節流閥開度調節噴嘴的工作壓力，溢流閥對實驗回路起保護作用。激光粒度儀發射器與接收器分別置于霧場兩側，發射器產生激光，穿過整個霧場時由于霧滴對激光具有散射作用，接收器接收到的激光信號將發生偏移，系統根據偏移量來測量霧場的霧滴直徑。

2.2 氣助式噴嘴性能試驗

搭建激光粒度儀測試系統測量氣助式霧化噴嘴霧粒的直徑，并以此作為依據來評價噴嘴霧化性能，測量現場見圖6。

圖6 氣助式噴嘴霧粒直徑測量現場

改變噴嘴的工作壓力，測繪氣助式噴嘴流量隨壓力的變化曲線，見圖7。為得到更為精準的霧滴尺寸及霧滴尺寸分布數據，采用激光粒度測試儀對噴霧進行測量。激光粒度儀自帶數據處理軟件，能對測試數據進行分析和計算，并用圖表形式表示出來。

圖7 氣助式噴嘴流量隨壓力的變化測試結果

通過調節節流閥開度控制噴嘴入口壓力，在試驗壓力為0.1～1.0 MPa條件下，測得的氣助式噴嘴霧滴粒徑分布數據，根據試驗數據繪制氣助式噴嘴工作壓力與霧滴直徑關系見圖8。

圖8 氣助式噴嘴霧滴直徑隨工作壓力變化測試結果

選取常用的參數D(V,0.50)、D(V,0.99)及SMD值用來表征霧滴的粒徑分布狀況和霧化質量。其中D(V,0.50)表示噴霧液滴總體積中50%的霧滴直徑小于該數值，D(V,0.99)表示噴霧液滴總體積中99%的霧滴直徑小于該數值，索泰爾平均直徑(SMD)用以衡量噴霧液滴的平均霧粒直徑。

(1)

式中：Ni為直徑Di的液滴數目。

圖8表明，霧滴直徑變化與水壓和氣壓均有關：當氣壓為0.36 MPa時，水壓從0.1 MPa上升到0.3 MPa，霧化噴嘴的霧粒直徑在40 μm左右波動，變化并不明顯；當氣壓為0.40 MPa時，水壓從0.4 MPa上升到0.6 MPa，霧化噴嘴的霧粒直徑略微減小，變化不大；隨著水壓逐漸增大，氣助式噴嘴的霧粒直徑反而呈增大趨勢。

影響氣助式噴嘴的霧化的因素多方面的，從試驗測量結果來看，當氣壓小于水壓時，空壓機提供的輔助氣體不足以霧化全部液體，因此表現出霧粒直徑隨水壓和氣壓差增大而增大的趨勢，此時影響霧滴直徑大小的主要因素是氣壓的大小和供氣量。當氣壓與水壓接近或者氣壓大于水壓時，氣助式噴嘴的霧粒直徑均在40 μm左右，液體得到了充分的霧化且霧化效果良好。由圖8可知，表征霧化質量的D(V,0.50)、D(V,0.99)、SMD3條曲線在氣壓大于或者稍小于水壓時比較接近，說明此時霧滴尺寸比較均勻，噴嘴噴射出的液滴絕大部分已得到霧化，霧化效果好。

3 試驗平臺設計及紅外降溫試驗分析

3.1 實驗模型示意圖及實驗平臺

為了探究不同動力參數對氣助式復合噴頭紅外降溫特性的影響，設計如圖9所示的試驗模型，搭建對應的試驗平臺和實驗裝置。

圖9 試驗模型示意

試驗對象為一塊5 m×5 m的鋼板，按面積等分為4塊，在噴頭安裝位置以下，4塊鋼板中心處布置熱電偶測點(共4個)，通過西門子S7-200smart型PLC及其擴展模塊和電子計算機采集系統可以實現實時的鋼板表面溫度數據讀取和存貯。同時使用紅外熱像儀對鋼板表面進行溫度實時監控，采集得到鋼板表面的二維溫度圖像。

3.2 等壓力條件下紅外降溫特性試驗

為了探究壓力對復合噴頭紅外降溫特性的影響，選取0.3、0.5、0.8 MPa作為試驗壓力點，通過控制軟件調節復合噴頭進口壓力，并通過熱電偶和紅外熱像儀分別記錄復合噴頭工作時目標鋼板的降溫值。

為了探究“水膜”以及“水膜+水霧”兩種不同噴淋方式對目標紅外降溫特性的影響，試驗同時使用溫度傳感器和紅外熱像儀測量目標鋼板的溫度變化情況。水膜噴頭(噴頭僅噴射水膜)工作時，傳感器和紅外熱像儀測得的目標鋼板溫度變化見圖10。紅外熱像儀測溫結果見圖11。

圖10 水膜噴頭工作時目標溫度變化

圖11 紅外熱像儀測溫結果

其測量方法為定時拍攝目標鋼板的降溫過程，通過紅外儀后處理軟件，對拍攝的紅外照片進行分析，計算鋼板的平均紅外溫度。

由圖10可知：在相同時刻用傳感器與紅外熱像儀對試驗模型進行測溫，溫度基本相同。復合噴頭工作時，會同時噴射“水膜+水霧”，此時用溫度傳感器和紅外熱像儀測溫，發現紅外熱像儀測得的溫度低于傳感器溫度，將該溫差定義為水霧帶來的紅外降溫的增益。

從紅外成像探測角度來說，一般在紅外偽裝設計時將目標與背景溫差控制在4 K以內，此時目標輻射信號淹沒在背景中，探測器無法很好地成像[9]。因此降溫耗時定義為目標鋼板從初始溫度降低至與冷卻水溫度不超過2 ℃，即認為目標達到降溫要求，該降溫過程的時間為目標的紅外降溫時長。

氣助式復合噴頭在壓力分別為0.3、0.5、0.8 MPa時的降溫及降溫耗時測試結果見圖12。

圖12 復合噴頭紅外降溫試驗結果

圖12中，比冷卻水溫高2 ℃的等溫線與各降溫曲線的交點即為目標的降溫耗時，可以看出，隨著復合噴頭入口壓力的升高，兩種不同噴淋技術的降溫耗時均減小。氣助式復合噴頭采用“水膜+水霧”方法在0.3、0.5、0.8 MPa下所需的降溫耗時分別為：73、55、30 s；而只采用“水膜”方法的降溫耗時分別為148、85、66 s。

根據試驗結果整理得到氣助式復合噴頭的降溫時長對比見表1。

從表1分析對比可以看出，“水膜+水霧”的復合噴淋方式在壓力分別為0.3、0.5、0.8 MPa時的流量相比于只采用“水膜”噴淋方式增加了17%、24%、26%，其中水霧占比分別為14%、19%、21%，而復合噴淋方式的紅外降溫時間縮短的比例分別達到了50.7%、35.3%、54.5%，即在水膜流量增加比例不大的情況下，使得紅外降溫時間縮短明顯。

表1 復合噴頭紅外降溫耗時對比

從氣助式復合噴頭紅外降溫試驗結果來看，復合噴淋技術采用“水膜+水霧”的噴淋方式，在水膜流量增加不大的情況下，大大縮短了目標的紅外降溫時長。在壓力分別為0.3、0.5、0.8 MPa時復合噴淋方式的紅外降溫時間縮短的比例分別達到了50.7%、35.3%、54.5%。

3.3 水霧對紅外降溫性能的增益性分析

氣助式復合噴頭工作時同時噴射水膜和水霧，其中水膜沿著目標鋼板壁面流動給鋼板表面降溫，水霧則形成霧狀區域覆蓋在目標鋼板前。由于水霧顆粒對紅外線具有散射和吸收作用，因此對目標的紅外降溫起促進作用。如圖13所示，有水霧覆蓋的鋼板區域，紅外溫度要明顯小于無水霧覆蓋的區域，這就是水霧遮蔽作用對目標紅外降溫的增益性的體現。

圖13 紅外儀測量水霧遮蔽增益性測試結果

為研究氣助式復合噴頭噴射出的水霧對目標紅外降溫性能的增益性，分別測量記錄粘貼在鋼板表面的傳感器溫度及有水霧覆蓋區域的紅外熱像儀實測紅外溫度。測量在不同工作壓力下，氣助式復合噴頭在試驗開始前、水霧形成瞬間、降溫穩定后的傳感器溫度及紅外溫度。

在水霧形成瞬間，傳感器測量得到的鋼板溫度與紅外熱像儀測量得到的鋼板紅外溫度對比見圖14。

圖14 水霧形成瞬間傳感器與紅外儀溫度對比

由圖13、14可知，水霧顆粒的吸收和散射作用對目標的紅外遮蔽效果比較顯著，在工作壓力為0.3、0.5、0.8 MPa時，水霧噴射帶來的紅外遮蔽降溫效果要比只有水膜覆蓋的紅外降溫效果分別低13.5 ℃、10.72 ℃、21.32 ℃。

4 結論

隨著壓力增大，復合噴頭的紅外降溫耗時從0.3 MPa的73 s逐漸降低到0.8 MPa的30 s。

在壓力相同的情況下，復合噴頭由于能夠產生水霧，其紅外降溫效果明顯優于傳統的水膜噴頭，在試驗壓力點下復合噴頭紅外降溫耗時至少可縮短35.3%。

試驗中水霧在噴出瞬間能夠極大降低紅外熱像儀測得的目標紅外溫度，水霧遮蔽效果對目標紅外降溫的增益明顯，在各個試驗壓力點下水霧噴出瞬間紅外溫度相較于傳感器溫度至少降低了10.72 ℃。

復合噴淋技術紅外降溫效果優于水幕噴淋技術，在試驗壓力點下，其紅外降溫耗時至少縮短了35.3%。