引言

压力旋流式喷嘴结构简单、雾化性能好、成本低, 广泛应用于火箭发动机、航空发动机、燃气轮机等动力设备^[1].压力旋流式喷嘴的索特尔平均直径(Sauter mean diameter, SMD)、雾滴速度和喷雾锥角分别反映了雾滴的生成质量、雾滴的运动趋势以及雾滴在燃烧室中的分布范围, 是压力旋流式喷嘴研究中的重要参数. 测量和控制这些参数有利于提高燃烧效率、降低点火能量、减少碳化合物的排放, 对提升喷雾雾化特性具有重要意义^[2,3,4,5,6].

离心式喷嘴的旋流室和旋流式喷嘴旋流内芯是喷嘴主要的旋流发生结构, 其几何特征直接影响喷嘴的喷雾特性^[7,8,9].董星涛等^[10]数值模拟研究了低压旋流喷嘴的喷雾特性, 认为旋流室入口数量对喷雾介质出口速度的影响仅次于旋流室和出口直径. 刘娟等^[11,12]发现切向口个数越多, 雾化锥角越大, 液膜越薄.刘国库等^[13,14,15]研究发现增大旋流室长径比会增大液膜厚度, 减小喷雾锥角.Rashad 等^[16]在压力分别为0.8 MPa和1.2 MPa下通过实验发现: 旋流室长径比存在临界值, 小于临界值时增大长径比有助于稳定切向入口的来流, 喷雾锥角变化不大, SMD 小幅减小: 超过临界值时增大长径比增大了角动量损失, 减小了旋流室气核, 喷雾锥角减小, SMD 大幅增大.Kim 等^[17,18]研究了压力雾化喷嘴结构参数对内部气核及液膜厚度的影响, 认为适当的旋流室长径比或足够的切向入口质量流量有利于形成稳定气核.Xiao 等^[19,20]发现, 增大喷嘴切向入液口截面积会减小旋流强度增大液膜厚度及喷雾SMD.韩亚威等^[21]认为旋流槽的几何特征直接影响喷嘴的雾化效果.王国辉等^[22,23]通过研究发现压力旋流式喷嘴旋流槽的升角和数量对喷雾特性影响较大, 其中三旋流槽喷嘴的雾化效果最好.王瑾等^[24,25]通过数值模拟研究发现, 旋流槽数为4时, 喷嘴工作效果最佳.欧长劲等^[26]数值模拟了低压旋流喷嘴的流场特性, 发现旋流槽入口截面积对喷嘴速度及雾化锥角影响较大.

当前国内外关于旋流式喷嘴旋流内芯结构的研究多局限在旋流槽, 对加速段的分析相对不足.旋流内芯的加速段可使注入压力旋流喷嘴的喷雾介质进入旋流槽之前加速并产生初始周向速度, 提升旋流槽的工作效率.目前采用的平滑型加速段结构导流效率较低, 使喷雾介质在加速段能量损失较大, 产生的旋流较弱.为使喷嘴旋流内芯加速段对喷雾介质产生预旋效应, 减小能量损失, 增强旋流强度, 本文设计喷嘴旋流内芯加速段为阶梯型.实验对比研究采用平滑型和阶梯型加速段喷嘴的喷雾流量、雾场SMD、雾滴轴向速度以及喷雾锥角, 并对比分析SMD、雾滴轴向速度的轴向和径向分布特性, 确定喷嘴旋流内芯阶梯型加速段对SMD、雾滴轴向速度以及喷雾锥角等喷雾特性的影响规律.

1 实验设备

本文实验系统的结构装置如图1所示, 由实验喷嘴、粒子动态分析仪(particle dynamics analysis, PDA）、高速摄影系统、管路、测量仪表以及喷雾防护罩组成.其中, 利用PDA实现SMD、 雾滴速度的测量, 利用高速摄影系统分析不同几何特征喷嘴的雾化锥角.

采用Dyntec 3D FiberPDA动态粒子测试分析(PDA)系统, 基于BSA Flow Software v5.20软件对喷雾进行数据测量分析, 各测量点雾滴的采集数量为10 000, 采集时间为30 s, 满足其中一个条件即该点测试结束. width=7.5cmf1-a.jpg (a) PDA实验系统图选用的散射模型是折射模型, 接收器的焦距为500 mm, 灵敏度为1200 V.采用Keyence VW-9000高速数码显微系统配合VH-Z20R变焦镜头, 每秒保存150帧, 快门速度为125 μs, 图像分辨率为 640 × 480 .使用HSFN-60压力表测量喷雾过程中 width=7cmf2-a.png (a)喷嘴外壳(b)旋流内芯A (c)旋流内芯B的喷雾背压差, 压力表量程为 0 ~ 1.6 MPa, 精度为2.5 级.

实验喷嘴结构及其喷雾介质流动过程如图2和图3所示, 喷嘴由进液段、加速段、旋流段、收缩段组成.喷雾介质由进液段进入喷嘴, 在加速段受流通面积减小作用完成初始加速, 经旋流段获得足够的周向速度后注入收缩段形成稳定旋流, 最终从喷嘴出口喷出.实验采用水做喷雾介质, 出口为环境大气.

与旋流内芯A相比, 旋流内芯B的阶梯型加速段分为上下两段, 上段相对下段右旋15°, 中部所形成的断层做倒角处理, 倒角为45°, 形成阶梯状导流面.如图3所示, 阶梯型加速段在未改变整体的流通面积的条件下可使喷雾介质产生与旋流槽旋向相同的初始周向速度.实验喷嘴外壳的尺寸参数见表1, 旋流内芯的尺寸参数见表2.

2 结果与讨论

2.1 阶梯形加速段对喷雾SMD的影响研究

为研究背压差对喷嘴A和喷嘴B喷雾SMD的影响规律, 实验测量位于距喷嘴出口5 cm喷雾中心处测量点的SMD数据, 得到喷嘴A 和喷嘴B的SMD随背压差变化关系曲线如图4所示.背压差在0.08 MPa ~0.20 MPa范围内, 喷嘴A和喷嘴B的SMD随着背压差的增大而分别减小到45.8 μ m 和 80.8 μ m , 分别减小了84.5%和70.6%. 原因是喷雾介质的在喷嘴内产生的旋流效应随背压差的增大而增强, 中心气核的尺寸增大, 形成液膜的厚度减小, 更容易破碎;背压差的增大提升了喷雾介质的喷射速度, 增强了喷雾介质与空气的作用效果, 使生成雾滴的SMD 减小.背压差超过0.20 MPa 时, 喷嘴A和喷嘴B的SMD 减小速率放缓, 最终下降到32 μ m 左右;背压差超过0.32 MPa, 喷嘴A的SMD基本不再变化, 测量点的速度稳定在6.35 m/s至6.57 m/s 之间;背压差超过0.46 MPa, 喷嘴B的SMD 基本不再变化, 测量点的速度稳定在7.32 m/s至7.43 m/s 之间.由液滴在稳定气流中的破碎机理^[30]可知, 喷雾粒径随喷雾介质与环境空气流速差的增大而减小, 当流速差不再随背压差的增大而明显变化时, 雾滴基本不再发生碎裂, 可视为喷嘴A 在背压差0.32 MPa条件下, 喷嘴B在0.46 MPa 条件下形成稳定雾场, 即喷嘴A和喷嘴B的额定压力分别为0.32 MPa 和0.46 MPa.

背压差在0.08 MPa至0.48 MPa范围内, 喷嘴A和喷嘴B的SMD随背压差的变化趋势基本一致;相较于喷嘴B, 喷嘴A 的SMD达到稳定时压力更低.由于采用阶梯型加速段的喷嘴流量较大(如图5所示), 低背压差条件喷雾展开不充分, 因此形成的液膜较厚, 不利于较小粒径液滴的形成.

2.2 阶梯型加速段对喷嘴流量特性的影响研究

A、B喷嘴流量随背压差变化关系曲线如图5所示.在0.08 MPa至0.46 MPa背压差范围内, A、B喷嘴流量随背压差的增大而增长.喷嘴A的流量从150 mL/min增大到353 mL/min, 增长率为135.3%.喷嘴B的流量从222 mL/min增大到536 mL/min, 增长率为141.4%.相同背压差范围内, 喷嘴B的流量增量比喷嘴A高54.7%.相较于喷嘴A, 喷嘴B 的阶梯状加速段使注入喷嘴的喷雾介质产生初始旋流, 旋向与旋流槽旋向一致, 减小了喷雾介质进入旋流槽时的能量损失, 降低了阻力, 提升了喷嘴的流量特性.背压差从0.08 MPa上升至0.46 MPa, 喷嘴B相较于喷嘴A 的流量提升率从48%上升至51.8%.背压差越高, 阶梯型旋流段产生的旋流越强, 对流量特性的提升效果越明显.

2.3 阶梯型加速段对速度径向分布的影响研究

为研究喷嘴A和喷嘴B雾滴速度的径向分布规律, 选取捕获粒子数5000以上测量点进行分析, 径向分布测量截面距喷嘴出口距离分别为20, 40, 60, 80 mm.

喷嘴A和喷嘴B雾滴轴向速度的径向分布关系曲线如图6所示.与文献[27‒29]的研究结果相同, 雾滴在靠近喷嘴出口处具有较大的初始速度, 在距离喷嘴出口较近的20 mm 截面上轴向速度具有比较明显的双峰分布特征, 径向分布在距离轴线20 mm 至25 mm区域内.在距离喷嘴出口20 mm 至60 mm 范围内, 随着喷雾的展开, 雾滴轴向速度逐渐转变为三峰分布, 径向分布范围增大至40 mm 至45 mm区域内, 雾锥边缘的喷雾介质与周围空气摩擦作用加强, 雾滴动能急剧减小, 雾滴轴向速度峰值快速衰减近50%并远离雾场轴线;雾锥轴线附近区域由于径向和切向速度分量较小, 雾滴轴向速度衰减不明显, 虽轴向距离的增加逐渐形成新的峰值.在距离喷嘴出口60 mm 至80 mm 范围内, 由于雾滴速度的减小, 空气对雾滴的阻力减小, 雾滴速度仅小幅衰减, 分布曲线较为平滑, 分布范围增长不明显.

喷嘴A和喷嘴B雾滴径向速度的径向分布关系曲线如图7所示.与轴向速度相比, 各测量点雾滴的径向速度数值较小, 正反向峰值位置与轴向速度的峰值位置基本一致. 测量截面距离喷嘴喷口从20 mm增加到80 mm, 径向速度正反向峰值受环境空气摩擦衰减60%左右, 峰值位置逐渐远离雾场轴线.

背压差0.32 MPa时, 喷嘴A达到额定压力, 与相同压力条件下喷嘴B相比, 轴向速度峰值减小19.3%至22.9%, 20 mm截面径向速度增大44.7%,80 mm截面径向速度增大7.7%; 径向分布范围更广.喷嘴A 和喷嘴B的轴向速度在距离出口20 mm截面上均有较明显的双峰分布特征, 在距离出口40 mm截面上喷嘴A轴向速度的双峰分布特征消失, 喷嘴B轴向速度依然为双峰分布.背压差0.46 MPa时, 喷嘴B达到额定压力, 雾场雾滴轴向速度的最大值与最小值分别比喷嘴A 增大32.8%与31.4%, 20 mm截面径向速度增大1.6%, 80 mm截面径向速度增大16.8%;雾场径向分布范围与喷嘴A 相比较小, 轴向速度在距离出口20 mm和40 mm截面上有较为明显的双峰分布特征.离心作用使喷雾发散成空心锥形, 在喷雾中轴线及附近区域形成负压区, 负压区抽吸小粒径雾滴进入此区域并使雾滴向喷嘴出口处回流, 部分液滴因回流产生负向速度, 使轴线及附近位置的测量点平均速度较低, 因此在喷雾的回流区域喷雾轴向速度会呈现双峰分布.相比于喷嘴A, 喷嘴B的阶梯型加速段除使喷雾介质获得初始加速外还起了导流作用, 喷雾介质以与旋流槽旋向相同的流向注入旋流槽, 提升了旋流的强度, 使雾滴的径向速度衰减放缓, 旋流作用距离加长. 背压差为0.46 MPa时, 喷嘴B径向速度更大且衰减较慢, 轴向速度的双峰效应保持至距离喷嘴出口40 mm 截面, 对雾滴的抽吸作用更明显, 回流区面积更大.

2.4 阶梯型加速段对喷雾锥角的影响研究

喷雾锥角反映了喷雾离开喷嘴以后分布的范围, 是评估喷雾质量的重要参数.较大的喷雾锥角有更强的气液两相作用效果, 有利于燃油雾滴与空气混合, 燃烧效率更高.不同背压差下的喷雾锥角如图8所示.

靠近喷嘴出口处气液两相边界线的夹角即为喷雾锥角.喷雾介质受气流紊流及压差的耦合作用形成液膜.背压差在0.08 MPa 至0.12 MPa范围内, 由于喷射压力低, 环境作用力小于喷雾介质表面张力, 液膜未发生破碎并收缩成液泡, 液泡下游破碎成大粒径液滴;背压差增大, 液膜扩展趋势更明显, 液泡体积增大.背压差在0.12 MPa至0.28 MPa范围内, 随着喷射压力的提升, 喷雾介质旋流强度加强, 外力克服喷雾介质表面张力, 液泡下端破裂, 喷雾锥角逐渐展开;背压差增大, 喷雾锥角增大, 雾滴粒径减小.背压差高于0.28 MPa 时, 随着喷射压力的增大, 喷嘴内部摩擦损失增大, 切向速度增幅下降, 喷雾锥角不再随背压差的增大产生明显变化.实验现象与文献^[30]的实验结果趋势一致.

如图9可知喷嘴A和喷嘴B喷雾锥角随背压差的变化规律.背压差在0.12 MPa至0.28 MPa 范围内, 喷嘴A和喷嘴B 的喷雾锥角随背压差的增加而增大, 喷嘴A的雾化锥角从75.14° 增至78.20°, 喷嘴B的雾化锥角从68.57°增至73.99°, 与文献[31]的研究成果一致.当背压差超过0.28 MPa时, 喷嘴A和喷嘴B的喷雾锥角稳定在78°至79°之间, 喷嘴B的喷雾锥角稳定在73°至74° 之间.实验中喷嘴A和喷嘴B的喷雾介质喷射进入静止的空气环境中; 与喷嘴A相比, 喷嘴B采用阶梯型加速段, 内部阻力更小, 流量特性更好, 喷雾介质喷射速度更快, 使其下游的环境空气密度相对更大, 导致喷嘴B喷雾液束产生较大程度的收缩而更紧密.因此在相同背压差条件下, 喷嘴A 的喷雾锥角比喷嘴B 大6.6% 至9.6%. 这与文献^[30,32]的研究结果基本一致.

2.5 加速段几何特征对SMD轴向和径向分布的影响研究

为研究喷嘴A和喷嘴B喷雾SMD的径向分布规律, 选取捕获粒子数5000以上测量点进行分析, 径向分布测量截面距喷嘴出口距离分别为20, 40, 60, 80 mm.

由图10可知, 不同截面上, SMD的径向分布均为双峰分布;测量截面距离喷嘴出口20 mm 时, SMD峰值距离喷雾轴线10 mm 至15 mm, 测量截面距离喷嘴出口增大到80 mm时, SMD峰值距离喷雾轴线增大至45 mm;随截面轴向距离增大, 喷雾SMD峰值逐渐远离雾场轴线.分布特点与文献^[33]的研究结果基本一致.

各测量截面SMD峰值与相同截面轴向峰值位置基本重合, SMD大的雾滴动能更大, 可沿初始喷射方向运动更长距离, 较小SMD 雾滴受雾场回流区抽吸作用影响, 主要向雾场中心区域运动.

由图11可知, 喷嘴A和喷嘴B各截面SMD随截面轴向位置增大而减小.背压差为0.32 MPa 时, 喷嘴A达到额定压力, 平均SMD 在距离喷嘴出口10 mm截面为133.9 μ m , 在100 mm 截面为65.1 μ m , 减幅为51.4%;喷嘴B的平均SMD在距离喷嘴出口10 mm截面的为129.7 μ m , 在100 mm截面为81.8 μ m , 减幅为36.9%.背压差为0.46 MPa 时, 喷嘴A的平均SMD 在距离喷嘴出口30 mm 截面达到最大值91.57 μ m , 在100 mm 截面为66.28 μ m ; 喷嘴B达到额定压力, 平均SMD 在距离喷嘴出口10 mm截面的为125.2 μm, 在100 mm 截面为59.8 μ m , 减幅为52.2%. 背压差为0.32 MPa条件下, 喷嘴A各截面平均SMD均小于喷嘴B.背压差为0.46 MPa条件下, 喷嘴A 已经超过其额定压力, 在50 mm至100 mm范围内的平均SMD 与0.32 MPa条件下的数值相当.采用阶梯型加速段的喷嘴B 下游雾场回流区面积更大, 抽吸作用更明显, 较小的SMD雾滴受抽吸作用影响逐渐靠近喷雾中心区域, 使位于雾锥边缘测量点的测量数值偏大.喷嘴B 的平均SMD在距离喷嘴出口10 mm 至80 mm范围内比喷嘴A 大2.68 μ m 至58.31 μ m , 但在80 mm 至100mm 范围内, 由于喷嘴B 的旋流效应更强, 雾滴轴向和径向的速度衰减较少, 雾滴与环境空气的作用更剧烈, 平均SMD 比喷嘴A 小2.38 μ m 至6.53 μ m .

3 结 论

(1)相同背压差条件下, 与平滑型加速段相比, 阶梯型加速段使喷雾介质产生与旋流槽同向的初始周向速度, 减小了喷雾介质进入旋流段时的能量损失, 降低了对喷雾介质的阻力, 使得喷嘴的流量在0.08 MPa至0.46 MPa范围内提升了48% 至51.8%.

(2)采用阶梯型加速段的喷嘴流量增大, 喷雾介质的喷射速度更快, 其环境空气密度相对较大, 使喷雾液束展开受阻.背压差0.08 MPa至0.40 MPa范围内, 阶梯型加速段喷嘴的喷雾锥角比平滑型加速段喷嘴的小4.21°到6.57°.

(3)相较于平滑型加速段, 阶梯型加速段对喷雾介质具有周向运动导向作用, 使喷雾介质进入旋流段前产生与之旋向相同的预旋, 增强了旋流强度.在较高背压差条件下, 阶梯型加速段使喷嘴喷雾下游的SMD减小了9.8%, 轴向速度最大值与最小值分别提高了32.8%与31.4%, 径向速度提高了1.6%至16.8%, 提升了雾化质量.

The authors have declared that no competing interests exist.

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参考文献

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