池保華，仲偉聰，楊國華，洪 流

（西安航天動力研究所，陜西西安710100）

0 引言

噴嘴是液體燃料燃燒裝置中不可缺少的一個關(guān)鍵組成部分，在液體火箭發(fā)動機(jī)和航空發(fā)動機(jī)中都有廣泛應(yīng)用。國內(nèi)外對霧化方法進(jìn)行了試驗(yàn)與理論研究，發(fā)展了各種不同類型的噴嘴。目前普遍應(yīng)用的噴嘴主要有機(jī)械式噴嘴、氣動噴嘴和旋轉(zhuǎn)式噴嘴等[1]。氣動噴嘴是采用空氣或蒸汽作霧化介質(zhì)，利用氣液兩相的作用力將工質(zhì)霧化，有高壓和低壓兩種類型。常見噴霧場形式有實(shí)心錐、空心錐和扇形等，噴霧場的霧化粒徑分布、流強(qiáng)的空間分布、霧化角度和噴射速度等直接影響燃燒效率、穩(wěn)定性和熱防護(hù)，研究其霧化特性對燃燒裝置的設(shè)計(jì)有重要指導(dǎo)意義[2-3]。

本文根據(jù)常用氣動噴嘴的設(shè)計(jì)基礎(chǔ)，結(jié)合扇形噴霧場的形成方法，設(shè)計(jì)加工了5種扇形噴嘴，研究了氣液比、臨界面積、噴口面積對扇形噴霧場流量系數(shù)和霧化粒徑分布的影響，并定性給出了噴嘴結(jié)構(gòu)對霧化特性的影響規(guī)律。

1 噴嘴設(shè)計(jì)

以氣動霧化理論為基礎(chǔ)，設(shè)計(jì)加工了5種噴嘴，噴嘴參數(shù)見表1，結(jié)構(gòu)見圖1。水和壓縮空氣分別從液體通道和氣體通道進(jìn)入，液體通道位于噴嘴中心位置，4路氣體通道呈中心對稱分布，液體通道和氣體通道夾角為45°。水和壓縮空氣相撞后，進(jìn)入混合室相互沖擊混合，并發(fā)生強(qiáng)烈的動量交換和能量交換，形成均勻的氣液混合物，最后從噴口噴出，完成霧化。

噴嘴的結(jié)構(gòu)參數(shù)主要包括：液孔直徑d1、氣孔直徑d2，臨界面積Acr，噴口面積Ae。噴口形狀為帶導(dǎo)流角的橄欖形噴口和矩形噴口，氣液混合物通過混合室出口后，受到整流槽限制而擠壓變形，形成角度和導(dǎo)流角近似的扇形噴霧場。

表1 噴嘴規(guī)格參數(shù)Tab.1 Parameters of nozzles

2 試驗(yàn)系統(tǒng)

霧化試驗(yàn)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖2所示，主要由液流試驗(yàn)系統(tǒng)和光學(xué)診斷系統(tǒng)組成。液流試驗(yàn)系統(tǒng)包括水儲箱、空氣儲箱、截止閥、流量計(jì)、孔板、壓力傳感器、電磁閥、霧化噴嘴等。光學(xué)診斷系統(tǒng)由激光光源、高速攝影機(jī)和圖像分析處理系統(tǒng)組成，能夠分辨最小40 μm的液滴，拍攝速度為4 500幅/秒。試驗(yàn)系統(tǒng)中以水為工作介質(zhì)，以壓縮空氣為霧化介質(zhì)。水流量由電磁流量計(jì)測量，空氣流量較小，用0.5 mm超音速孔板控制。試驗(yàn)前，對超音速孔板進(jìn)行標(biāo)定，流量特性為Q=0.5(p+0.1)，測量誤差在2%以內(nèi)。

試驗(yàn)前，調(diào)整好光學(xué)診斷設(shè)備，分別通入壓縮空氣和水，調(diào)節(jié)兩路控制閥達(dá)到試驗(yàn)工況，打開電磁閥，待流量穩(wěn)定后，記錄噴嘴工況參數(shù)，利用高速攝影相機(jī)進(jìn)行拍攝測量。同步調(diào)節(jié)液路流量及氣液比，重復(fù)上述試驗(yàn)。

3 試驗(yàn)結(jié)果及分析

試驗(yàn)中對5種扇形噴嘴分別進(jìn)行了3種氣液比條件下的霧化試驗(yàn)，其中1#，2#和3#噴嘴氣液比條件為1.0%，1.5%和2.0%，4#噴嘴氣液比為1.0%，1.4%和2.1%，5#噴嘴氣液比為1.0%，1.6%和2.0%。高速攝影相機(jī)拍攝區(qū)域位于噴口下游30 cm，拍攝方向與噴嘴軸線垂直，拍攝區(qū)域大小2 mm×2 mm。大噴霧角時拍攝橫向3個區(qū)域，小噴霧角時拍攝兩個區(qū)域，試驗(yàn)現(xiàn)場如圖3所示。根據(jù)試驗(yàn)參數(shù)，分析了工況條件、結(jié)構(gòu)尺寸對噴嘴霧化特性的影響。

3.1 流量特性

不同氣液比下混合物密度不同，計(jì)算得到的總流量系數(shù)不同。流量系數(shù)計(jì)算方法如下：

式中：ρl和ρg為液體、氣體密度；α為氣液比；Q為額定流量；A為噴口面積；Δp為噴前表壓。

圖4為噴嘴流量系數(shù)隨氣液比的變化曲線，橫坐標(biāo)為氣液比，縱坐標(biāo)為流量系數(shù)。從圖中可以看出，隨著氣液比的增加，噴嘴的流量系數(shù)隨之減小。同氣液比時流量系數(shù)較高的是2#噴嘴和4#噴嘴。決定扇形噴嘴出口流動損失的主要因素有導(dǎo)流角度、導(dǎo)流長度、橫截面形狀、速度分布、流動狀態(tài)等，流動損失越大，噴嘴流量系數(shù)越小[4]。試驗(yàn)條件下，從噴嘴流量系數(shù)變化可以看出：相同導(dǎo)流角度時，噴嘴流動損失隨著出口橫截面長寬比的增大而增大；相同出口長寬比下，噴嘴流動損失隨著導(dǎo)流角度的增大而增大。

3.2 霧化特性

3.2.1 氣液比影響

以索太爾直徑（D32）為霧化粒徑衡量標(biāo)準(zhǔn)，圖5給出了不同區(qū)域D32隨氣液比的變化曲線 (r為測量區(qū)域距噴嘴中心線的距離)。在氣液比1.0%～2.1%時，大流量扇形噴嘴（1#，2#，3#）霧化粒徑范圍74.2～90.5 μm，小流量扇形噴嘴（4#，5#）霧化粒徑范圍 70.9～91.6 μm。噴嘴的霧化特性取決于氣液的動量交換，在混合室一定的情況下，混合室入口的氣液動量比對氣液的混合起著決定性作用。分析不同工況條件下混合室的入口氣液動量比，動量比隨氣液比的增大而增大，1#噴嘴動量比0.034～0.088，2#噴嘴動量比0.038～0.096，3# 噴嘴動量比 0.034～0.088，4# 噴嘴動量比 0.044～0.116，5#噴嘴動量比 0.032～0.088。入口動量比越大，氣液混合越好，平均索太爾直徑呈減小的趨勢。

圖6給出了噴霧場不同位置處D32的變化情況。氣液比較低時，2#，3#，5#噴嘴中心和邊區(qū)位置SMD相差不大，1#，4#噴嘴中心和邊區(qū)位置SMD相差15 μm以上；氣液比較高時，1#～4#噴嘴中心區(qū)域SMD較小，邊緣均有不同程度的升高，4#噴嘴中心和邊區(qū)SMD相差12 μm以上，5#噴嘴霧化較均勻，D32隨位置變化不大。分析認(rèn)為：試驗(yàn)噴嘴氣液動量比相差較大，氣、液射流初始撞擊時僅能引起液束的變形、扭曲和局部剝離，部分工況下液核在混合室內(nèi)會偏離噴嘴中心，導(dǎo)致中心附近區(qū)域SMD反而偏大。

3.2.2 噴嘴結(jié)構(gòu)影響

在入口結(jié)構(gòu)和混合室一定的情況下，噴頭結(jié)構(gòu)的變化主要是臨界面積和出口面積的變化。臨界面積指混合室出口面積，它主要決定著混合室壓強(qiáng)的高低和扇形噴霧場流強(qiáng)分布，出口面積主要決定霧化粒徑分布、霧化角度和噴射速度。

小流量噴嘴工作時，噴霧場角度與噴嘴導(dǎo)流角度基本一致，相同區(qū)域粒徑分布對比如圖7和圖8所示。從圖中可以看出，氣液比較高時，5#噴嘴液滴直徑分布更趨近于正態(tài)分布，其小液滴更多、霧化效果更好；氣液比較低時，4#噴嘴液滴直徑分布更均勻，其霧化效果更好。4#與5#噴嘴具有相同的導(dǎo)流角度和導(dǎo)流長度，但5#噴嘴平均流量系數(shù)（0.276）小于4#噴嘴平均流量系數(shù)（0.346），說明矩形截面造成的流動損失要大于橄欖型截面。進(jìn)一步地，可以定性認(rèn)為，矩形截面對兩相流的擾動隨氣液比的增大而增大。

大流量噴嘴工作時，噴嘴出口導(dǎo)流角對噴霧場角度的影響各不相同，1#噴嘴噴霧場角度與噴嘴出口導(dǎo)流角基本一致，2#噴嘴噴霧場角度比噴嘴出口導(dǎo)流角小約5°，3#噴嘴噴霧場角度比噴嘴出口導(dǎo)流角小約10°。不同噴嘴相同區(qū)域粒徑分布對比如圖9和圖10所示。

從圖中可以看出，氣液比較高時，3#噴嘴平均SMD最小，霧化特性最好；氣液比較低時，2#噴嘴液滴直徑分布更均勻，霧化效果更好。隨著噴嘴導(dǎo)流角由30°增加到100°，流量系數(shù)先增加后減小，流動損失也呈拋物線變化。這說明在設(shè)計(jì)工況下，橄欖型噴口導(dǎo)流角小于60°的范圍內(nèi)，存在一個導(dǎo)流角最佳值，既能滿足噴霧場角度與導(dǎo)流角一致，又能達(dá)到最好霧化效果。

4 結(jié)論

設(shè)計(jì)并加工了5種不同的扇形霧化噴嘴，搭建了試驗(yàn)臺架系統(tǒng)，進(jìn)行了噴嘴的霧化特性試驗(yàn)研究，從流量特性和霧化特性方面對試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了對比和分析，得到如下結(jié)論：

1）隨氣液比增加，扇形噴嘴流量系數(shù)隨之減小。相同導(dǎo)流角時，扇形噴嘴流動損失隨出口橫截面長寬比的增大而增大；相同出口長寬比下，扇形噴嘴流動損失隨導(dǎo)流角的增大而增大。

2）扇形噴嘴結(jié)構(gòu)一定時，氣液混合動量比越大，氣液混合越好，噴霧場平均索太爾直徑愈小。

3）矩形截面造成的流動損失要大于橄欖型截面，矩形截面對兩相流的擾動隨氣液比的增大而增大。

4）設(shè)計(jì)工況下，橄欖型噴口導(dǎo)流角小于60°的范圍內(nèi)，存在一個最佳值，既能滿足噴霧場角度與導(dǎo)流角一致，又能達(dá)到最好的霧化效果。

[1]SRIDHARA S N,RAGHUNANDAN B N.Studies on the performance of airblast atomizer under varying geometric and flow conditions,AIAA 99-2460[R].USA:AIAA,1999.

[2]龔景松,傅維鑣.一種新型噴嘴的提出及其流量特性的研究[J].工程熱物理學(xué)報,2005,26(3):507-510.

[3]RIZK N K,LEFEBVRE A H.Influence of airblast atomizer design features on mean drop size,AIAA 82-1073[R].USA:AIAA,1982.

[4]章梓雄,董曾南.粘性流體力學(xué)[M].北京:清華大學(xué)出版社,1998.

[5]石玉文.氣動噴嘴霧化特性的數(shù)值研究[J].汽輪機(jī)技術(shù),2007,49(4):294-295.

[6]徐行,郭志輝,顧善建.新型氣動霧化噴嘴噴霧特性的實(shí)驗(yàn)研究[J].航空動力學(xué)報,1997,12(3):295-334.

[7]REITZ R D,BRACCO F V.Mechanism of atomization of a liquid jet[J].Phys.Fluids,1982,25(10):1730-1742.

[8]CROESLER T,LEFEBVRE A H.Studies on aeratedliquid atomization[J].International J.of Turbo and Jet Engines,1989(6):221-229.