噴孔結構對雙旋流氣泡霧化噴嘴噴霧特性的影響

裴 娜 ，楊 華 ，劉聯勝 ，張海洋 ，王 越 ，解 珺 ，田 亮 ，段潤澤

（1.河北工業大學 能源與環境學院，天津 300401；2.華北理工大學 輕工學院，河北唐山 063000；3.河北省熱科學與能源清潔利用技術重點實驗室，天津 300401；4.中國人民解放軍63837部隊，四川綿陽 621000）

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［1］，通過噴嘴內外壓差使氣泡在流出噴孔前后經歷變形、膨脹、破碎等過程，進而加速液體射流的破碎，從而使霧化顆粒平均直徑大幅減小［2］。氣液比、氣相壓力和液相壓力等工作參數對內混式氣泡霧化噴嘴霧化特性有很大的影響［3-9］，隨著氣壓、氣液比的增加，噴嘴的霧化粒徑減小，且氣壓為主要影響因素；隨著液相壓力的增大，霧化粒徑增大；液體黏度和表面張力對粒徑影響也很大。

氣泡霧化噴嘴是一種典型的內混式噴嘴，氣液兩相流體在噴嘴混合室內形成氣液兩相流，如何強化氣、液兩相流體之間的動量能量交換，是噴嘴結構設計的關鍵。文獻［10-12］重點研究了噴嘴混合室結構特征對噴嘴霧化特性的影響研究表明，混合室的結構、氣孔的數量與孔徑、水孔的孔徑、出霧口形式等均對兩相流噴嘴的霧化性能有很大的影響，文獻中采用的噴嘴從兩側注水和注氣，氣液兩相流體之間是環狀射流。若垂直注氣則為交叉射流，氣液兩相以交叉射流方式完成混合后，兩相之間仍存在交叉的滑移速度；為了實現氣液兩相形成均相流動，文獻［13-14］通過組織噴嘴內部氣相旋流流動來強化兩相混合，使噴霧顆粒平均直徑降低至30 μm以下。

噴孔結構也是影響噴嘴霧化質量的主要參數之一，文獻［15］以壓力霧化噴嘴為研究對象對比研究了圓形孔口、錐形孔口、異形孔口和雙異形孔口對噴嘴噴霧特性的影響，發現錐形孔和異形孔的霧化顆粒平均直徑更小。文獻［16］則分析了不同噴孔結構對氣泡霧化噴嘴壓降和流量系數的影響，研究結果表明異形孔的流量系數最高，圓柱孔的流量系數最小。但是該文未討論噴孔形狀對氣泡霧化噴嘴霧化特性的影響。

本文以一種氣液兩相交叉射流與旋流相耦合、具有兩級混合室結構的氣泡霧化噴嘴為研究對象，對其噴霧特性開展研究工作，重點探討異形噴孔（包括方形、橢圓形）對噴霧質量的影響規律。

1 試驗系統

1.1 試驗系統

圖1示出氣泡霧化的試驗系統，試驗系統分為供氣系統和供水系統。供氣系統由空氣壓縮機產生的壓縮空氣進入儲氣罐，通過氣體調節閥控制氣壓和進氣量；供水系統是壓縮空氣將儲液罐內的水壓縮到管道中，通過液體調節閥調節水的流量。氣體和水進入氣泡霧化噴嘴后，在混合室內形成氣液兩相流，然后經噴口噴出。采用馬爾文激光粒度分析儀對氣泡霧化噴嘴的顆粒直徑進行了診斷分析。測量過程中，噴嘴保持垂直向下噴射。試驗中液相工質為去離子水；測量位置設置在距噴嘴出口150 mm的噴霧主流中心線處。噴嘴流量特性的調節方法為控制氣體壓力保持一定，通過調節液體流量來獲得不同氣液比下的液體質量流量值，得到流量特性曲線。研究中利用馬爾文激光粒度分析儀和激光顆粒動態分析儀（PDI）對氣泡霧化噴嘴的噴霧特性進行了診斷分析。

圖1 試驗系統Fig.1 The experimental system

1.2 噴嘴結構

本文采用的雙旋流氣泡霧化噴嘴由內部構件和外部構件組成，內部構件為內芯，外部構件為外殼和噴頭，內外構件采用螺紋連接，內、外構件所形成的封閉空間構成噴嘴的混合室，不同噴頭的封閉端中心位置開有不同形狀的噴孔。進氣孔位于噴嘴頂部，進液孔位于噴嘴側部，氣液兩相流體在一級混合室完成混合后，經旋流槽進入二級混合室內，最后從噴頭噴口射出。噴嘴的材料為黃銅，其耐腐防銹性能好。該噴嘴在保留氣液兩相旋流混合的基礎上，采用了兩級混合室結構。這樣可進一步強化氣液兩相之間的動量交換，有助于形成均勻穩定的泡狀流型。

為了獲得良好的霧化效果，對噴嘴出口孔型進行了改進，在圓形孔的基礎上，設計了橢圓形孔噴嘴和正方形孔噴嘴，其中圓形孔噴嘴的直徑分別為1.0 mm，正方形孔邊長為1.0 mm，橢圓形孔長軸為1.2 mm、短軸為1.0 mm。噴孔形狀如圖2所示，試驗所用噴嘴參數見表1。噴嘴結構如圖3所示。

圖2 噴孔形狀Fig.2 Atomizer orifice shape

圖3 噴嘴結構和出口示意Fig.3 Schematic diagram of atomizer structure and outlet

表1 試驗所用噴嘴參數Tab.1 Parameter of the atomizers

2 試驗結果與分析

2.1 噴孔結構對流量特性的影響

圖4示出氣相和液相壓力為0.5 MPa時噴孔結構對流量特性的影響。為了使測試噴嘴的噴孔長度均為2 mm，圓形孔的出口截面積與橢圓形孔和正方形孔的出口截面積相差較大，因此本文引入噴嘴出口單位面積下的質量流量進行分析。從圖中可以看出，不同噴孔結構的噴嘴的流量特性曲線具有相同的趨勢，相同壓力下，隨著氣液質量流量比（ALR）的增大，噴嘴出口單位面積下噴霧流量呈現逐漸減小的趨勢。原因在于，隨著ALR增大，出口截面的含氣率越來越大、液體流通截面積越來越小，流量系數逐漸減小，最終導致噴霧流量降低。相同ALR時，異形孔噴嘴的流量增大，噴嘴S的流量最大。當ALR較小時，異形孔的流量明顯大于圓形孔噴嘴，隨著ALR的增加，流量的增加幅度變小，噴嘴E的流量趨近于噴嘴C，但是單位面積下噴嘴S的流量仍明顯高于噴嘴C和噴嘴E。

圖4 噴孔結構對流量特性的影響Fig.4 Effect of orifice structure on flow characteristics

2.2 噴孔結構對索特爾平均直徑的影響

圖5示出不同壓力下，噴孔結構對索特爾平均直徑（SMD）的影響。

圖5 噴孔結構對索特爾平均直徑的影響Fig.5 Effect of orifice structure on Salter mean diameter

氣相和液相壓力分別為0.4，0.5和0.6 MPa，氣液質量流量比分別為0.13，0.16和0.19。從圖中可以看出，3種不同形狀噴孔的噴嘴均可取得良好的霧化效果，但是異形噴孔的粒徑更小。相對與典型的圓形孔結構而言，橢圓形孔和正方形孔結構具有更加優良的霧化質量，當P=0.5 MPa，ALR=0.16時，其D32降幅分別為28.2%，35.8%。在相同壓力下，正方形孔的噴嘴的粒徑最小。說明異形噴孔的擾動強，在噴嘴出口下游，微小氣泡急速膨脹和破碎所導致的二次霧化現象使得噴嘴的粒徑更小。而影響氣泡破碎的主要因素包括氣泡內外壓差、氣泡尺度、表面張力系數、運動速度和外部擾動等等，在相同噴嘴內部結構和工作條件下，3種噴孔形狀所產生的氣泡，其內外壓差、尺度和運動速度相差不大，但是，相對于圓形孔和橢圓形孔，正方形孔可以產生更加劇烈的局部擾動，這將有助于促進微小尺度氣泡的破碎，從而使霧化顆粒平均直徑大幅減小。

2.3 噴孔結構對粒徑分布的影響

圖6示出了氣相和液相壓力為0.5 MPa，氣液質量流量比為0.16時噴孔結構對粒徑分布的影響。從圖中可以看出，噴嘴粒徑的微分分布呈現單峰形式，液滴粒徑數目分布呈現先增加后減少的趨勢。噴嘴C和噴嘴E的粒徑峰值均出現在30 μm左右，噴嘴S的粒徑峰值為20 μm左右。隨著截面面積的增加，噴嘴E和噴嘴S的曲線向左移動，但是噴嘴S的曲線移動較多。說明增加噴嘴出口截面面積，液滴的霧化質量得到改善，大顆粒液滴減少，小顆粒液滴所占比例增大。噴嘴E的霧滴體積的頻率峰值最小，粒徑分布范圍變寬，說明霧滴粒徑更分散。累積分布顯示，隨著噴孔截面積的增加，曲線變陡，小顆粒液滴增多。上述數據同樣說明，異形噴孔可以產生更加劇烈的局部擾動，有助于促進微小尺度氣泡的破碎，從而使霧化顆粒平均直徑大幅減小。

圖6 噴孔結構對粒徑分布的影響Fig.6 Effect of orifice structure on particle size distribution

2.4 噴孔結構對粒子速度的影響

圖7示出氣相和液相壓力為0.5 MPa，氣液質量流量比為0.13～0.19時噴孔結構對粒子速度的影響。從圖中可以看出，3種噴嘴在同一壓力不同氣液比下，粒子速度變化不明顯，說明氣液比對粒子速度的影響較小。但是相同氣液比時，噴孔形狀影響了粒子速度的大小，異形噴嘴的速度大于圓形孔噴嘴的速度，正方形孔噴嘴的速度最大。相對于圓形孔噴嘴，噴嘴E的粒子速度平均增加了14.8%，噴嘴S的粒子速度平均增加了24.4%。說明異形噴孔的強烈擾動對氣相產生了一定的加速作用，增大了噴口位置氣液兩相的剪切作用，同時提高了局部擾動，增大了粒徑的速度。異形噴孔速度的增加，氣體擾動增強，下游的噴霧二次破碎作用也會更強，導致液滴更容易破碎，形成更小粒徑的噴霧。

圖7 噴孔結構對粒子速度的影響Fig.7 Effect of orifice structure on particle velocity

3 結論

（1）不同噴孔形狀的噴嘴的流量特性曲線具有相同的趨勢。相同壓力下，隨著氣液質量流量比的增大，噴嘴出口單位面積下的噴霧流量呈現逐漸減小的趨勢。相同氣液質量流量比時，異形噴孔噴嘴的流量增大，正方形孔噴嘴的流量最大。

（2）3種不同形狀噴孔的噴嘴均可取得良好的霧化效果。相同工況條件下，橢圓形孔和正方形孔對比圓形孔的噴嘴具有更佳優良的霧化效果，當P=0.5 MPa，ALR=0.16時，其D32降幅分別為28.2%，35.8%。在相同壓力下，正方形孔的噴嘴的粒徑最小。

（3）當噴孔形狀不同時，正方形孔噴嘴的微分分布曲線向左移動，累積分布曲線變陡，大顆粒液滴減少，小顆粒液滴所占比例增大，液滴的霧化質量得到改善。

（4）噴孔形狀是影響粒子速度的重要因素。異形噴嘴的速度大于圓形孔噴嘴的速度，橢圓形孔噴嘴和正方形孔噴嘴的粒子速度分別平均增加了14.8%和24.4%。異形噴孔速度增加，氣體擾動增強，下游的噴霧二次破碎作用增強，導致液滴更容易破碎，形成更小粒徑的噴霧。