曹建明，李跟寶，朱 輝

（長安大學 汽車學院，西安 710064）

0 前 言

人造凍云是飛機強度全天候?qū)嶒炇业谋貍溲芯宽椖俊Ｔ诤洵h(huán)境（最低-54°C）下，大顆粒的水滴在降落過程中很難被凍結(jié)形成凍云，因為時間不夠。因此，形成凍云需要將水霧化。霧化能夠使連續(xù)的液體離散成大量的細小液滴，而較小水滴的面容比較大，傳熱迅速，小于一定尺寸的水滴才有可能在降落過程中被完全凍結(jié)而形成凍云。美國航空管理局FAA附錄C[1]中規(guī)定，噴霧的主要特征參數(shù)是液態(tài)水含量，即濃度Cv以及中值直徑D0.5。要求人造凍云特征參數(shù)需覆蓋的范圍：液態(tài)水含量Cv為0～3.0 g/m3，中值直徑D0.5為 15～50 μm。本文的研究目的是對我國飛機強度全天候重點實驗室形成人造凍云擬選用的內(nèi)混式空氣助力孔式噴嘴的霧化特性進行測量，研究不同噴嘴結(jié)構(gòu)參數(shù)、水流量和空氣助力壓力對宏觀和微觀噴霧特性及液態(tài)水含量的影響，提出改善霧化質(zhì)量以滿足人造凍云要求及優(yōu)選噴嘴的方法。

空氣動力對射流的碎裂和霧化有顯著的促進作用。噴嘴內(nèi)部設(shè)置有液體和空氣流道的噴嘴稱為兩相流噴嘴，其中之一是空氣助力噴嘴。高速氣流在噴嘴內(nèi)部（混合腔中）或外部（噴嘴出口處）與低速液體混合，極大地改善了液體的霧化效果[2-3]，內(nèi)部混合空氣助力噴嘴如圖 1所示。LI[4]理論研究了兩側(cè)不等速不可壓縮氣流對液膜不穩(wěn)定碎裂過程的影響，他的學生JAZAYERI[5]則進行了實驗研究；曹建明等[6]進一步理論研究了可壓縮氣流對液膜碎裂過程的促進作用，并進行了實驗研究[7-10]。LI等[11-13]、曹建明等[14]就內(nèi)外環(huán)不等速氣流對環(huán)狀液膜碎裂過程的促進作用進行了理論和實驗研究，并對空氣助力改善內(nèi)混式平孔噴嘴的霧化質(zhì)量進行實驗研究[3]。曹建明[15]根據(jù)最大熵原理和質(zhì)量守恒定律推導出了噴霧液滴尺寸數(shù)目分布和索特平均直徑（Sauter mean diameter, SMD）D32表達式，引入液滴蒸發(fā)碰撞模型，使之能夠用于對實際動力裝置中噴霧的研究。D32定義為假想一個液滴直徑均勻一致的噴霧場代替原本不均勻的噴霧場，該液滴的體積與面積之比即為索特平均直徑或者稱為體面比平均直徑。式中，D為液滴直徑，N為液滴數(shù)目。盡管學者們對空氣動力改善霧化質(zhì)量進行了大量的基礎(chǔ)研究工作，但如何改善霧化的宏觀和微觀特性以滿足人造凍云要求及優(yōu)選噴嘴方面的研究還不多見。本研究共選擇了109個工況點，進行了500余次實驗，對于各種型號的空氣助力圓孔噴嘴的霧化特性進行了比較研究，優(yōu)選出了能夠很好滿足人造凍云要求的最佳噴嘴。

圖1 內(nèi)部混合空氣助力噴嘴Fig. 1 Internal mixing air assistant nozzle

1 實驗裝置和實驗步驟

中國飛機強度研究所送試6個內(nèi)部混合空氣助力孔式噴嘴，分別為SU12、SU12A、SU26、SU26B、SU72、SU82。要求在空氣助力噴嘴噴霧實驗中，通過調(diào)節(jié)水流量和空氣助力氣壓，觀測噴霧的特征參數(shù)是否符合人造凍云的適航認證要求，記錄符合要求的霧化特性參數(shù)的流量值和氣壓值及其范圍，選出滿足要求的最佳空氣助力噴嘴，并給出其霧化特性參數(shù)隨氣壓和水流量變化的規(guī)律。各型號噴嘴水流量和所用4個水流量計和1個空氣流量計的量程范圍見表1。

表1 各型號噴嘴水流量和所用流量計量程Table 1 Water flow rate of various type nozzle and flow meter range

圖2 恒壓水射流實驗臺Fig. 2 Water jet test device at constant pressure

為了測量噴霧錐角，成像系統(tǒng)為日本佳能EOS30D數(shù)碼單反照相機，800萬像素，高分辨率CCD。照相機鏡頭原配標準鏡頭。附件有照相機專用快門線，三腳架，黑色 PVC背景板，銀燕BY-450AFD型閃光燈等。若噴射為脈沖式，成像系統(tǒng)最好采用高速攝像機。由于本實驗噴嘴噴射是連續(xù)的，故采用高分辨率數(shù)碼單反照相機較好。照相機設(shè)置為“運動模式”，即照片不是瞬時定格的，而是動態(tài)的。這種照片經(jīng)過 Photoshop灰度拉伸，能夠產(chǎn)生邊緣非常清晰的噴霧液束圖像，可以直接讀取噴霧錐角數(shù)值。每種工況拍攝3幅照片，讀取的噴霧錐角重復性很好，相差不到1°，選擇任何一幅照片都可以作為該工況的樣片。圖3為“常規(guī)模式”定格照片、“運動模式”動態(tài)照片和將“運動模式”動態(tài)照片經(jīng)灰度拉伸處理后的噴霧錐角對比圖。可以看出，將“運動模式”動態(tài)照片經(jīng)灰度拉伸處理后的照片邊界十分清晰，可以對噴霧錐角進行直接判讀。

空氣助力噴嘴的常用特征參數(shù)包括：液滴尺寸數(shù)目分布圖、液滴尺寸累積體積分布圖、索特平均直徑D32、中值直徑D0.5、相對尺寸范圍、發(fā)散邊界液態(tài)水含量Cv等。D0.1、D0.5、D0.9、D0.999為特征直徑，定義為小于該直徑的液滴累積體積占整個霧化液滴總體積的10%、50%、90%、99.9%的液滴直徑。采用馬爾文Spraytec噴霧粒度分析儀進行測量，該儀器由英國馬爾文儀器有限公司制造。馬爾文Spraytec噴霧粒度分析儀的工作范圍：常用測量范圍為2～2 000 μm的粒子，最大可測量2 500 μm的粒子。激光發(fā)射和接收端的透鏡間距可大于1 m，采用750 mm透鏡，光源為632.8 nm、5 mW氦氖激光器。最大采樣速率為快速模式2.5 kHz。精確度為測量誤差小于±1%。該儀器能夠?qū)崟r、準確、高效地測量噴嘴的所有常用特征參數(shù)。

圖3 （a）“常規(guī)模式”定格照片、（b）“運動模式”動態(tài)照片和（c）經(jīng)灰度拉伸照片的噴霧錐角對比圖Fig. 3 Comparison figures of spray cone angle under regular mode (a), moving mode (b), and gray stretch (c)

測量在噴霧的穩(wěn)定段進行，即從距離噴嘴出口端面起40～60 cm的噴霧穩(wěn)定區(qū)域內(nèi)，選定一個截面進行噴霧的特征參數(shù)測量，如圖4所示。本研究選定的測量點位于噴嘴出口端面56 cm處。

圖4 噴霧的測量段Fig. 4 Measure region in a spray

本次實驗的主要內(nèi)容是對各工況下的空氣助力噴嘴噴霧的特性參數(shù)進行測量，觀察并記錄特性參數(shù)隨水流量和氣壓的變化規(guī)律。對于不同型號的噴嘴，其水流量和氣壓的調(diào)節(jié)范圍不同。如果實驗測量結(jié)果不符合FAA附錄C中提到的粒徑要求，則要求增大參數(shù)調(diào)節(jié)范圍，增加一定的工況點。實驗先采用馬爾文 Spraytec噴霧粒度分析儀測量液滴尺寸，以選定實驗工況點。選定工況點后，對符合要求的噴嘴進行幾到幾十個工況點的實驗數(shù)據(jù)采集，數(shù)據(jù)采集分兩步進行。第一步，以選定的實驗工況點，進行噴霧液束的閃光攝影拍攝，得到各個工況下的噴霧錐角，比較各種型號噴嘴的宏觀霧化特性。第二步，以選定的實驗工況點，采用馬爾文Spraytec噴霧粒度分析儀測量中值直徑D0.5、索特平均直徑D32、液滴尺寸數(shù)目分布圖、液滴尺寸累積體積分布圖、相對尺寸范圍Δs、發(fā)散邊界Δb、液態(tài)水含量Cv等參數(shù)，以比較各種型號噴嘴的微觀霧化特性。

2 實驗結(jié)果及其分析與討論

無論哪種空氣助力噴嘴，如果不施加空氣助力，液體都不會碎裂成大量的離散液滴，霧化質(zhì)量極差。施加的空氣助力壓力越高，則空氣動力對液體的撕裂作用越強，霧化離散的液滴顆粒就會越??；水流量越小，則水/空氣的體積比越小，空氣與水接觸的表面積越大，空氣撕裂水的概率密度就會增加，霧化形成的水滴顆粒就會越小[3]；噴嘴尺寸越大，則噴嘴內(nèi)部的混合腔也就越大，空氣在混合腔內(nèi)部的行程就會越長，形成的渦流強度和湍流強度越強，霧化水滴顆粒越小。此外，還應(yīng)該指出的是，隨著噴霧液束貫穿距離的增大，液滴之間要相互碰撞，粘合成較大顆粒的液滴[13]。因此貫穿距離越大，液滴尺寸數(shù)目分布曲線的峰值會向大顆粒方向偏移，索特平均直徑和中值直徑都會變大。也就是說，盡管噴霧穩(wěn)定測量段的中值直徑可能小于50 μm，但在實際到達試件的擴散段，其中值直徑未必就會滿足FAA附錄C中對于凍云的要求。影響液滴之間相互碰撞，粘合成較大顆粒的液滴的主要因素是噴霧錐角和貫穿距離。噴霧錐角越大，霧滴撒布就會越分散，液滴之間就越不容易相互碰撞；貫穿距離越小，液滴之間相互碰撞而形成的大顆粒液滴尺寸越小。因此，大的噴霧錐角和小的貫穿距離對于減輕液滴碰撞粘合成較大顆粒的液滴的影響至關(guān)重要。盡管空氣助力壓力會減小噴霧液滴的中值直徑，但也會加大貫穿距離。因此，選擇噴嘴和所用工況點的原則應(yīng)為：（1）大的噴霧錐角；（2）滿足D0.5＜ 50 μm的工況點中，盡量選擇水流流量小的工況點，這樣才能使得液態(tài)水含量Cv減少，同時減小液滴之間的緊密程度，減小液滴之間發(fā)生相互碰撞的概率；（3）滿足D0.5＜ 50 μm的工況點中，盡量選擇空氣助力壓力小的工況點，這樣才能縮短貫穿距離，使液滴之間相互碰撞而粘合成大顆粒液滴的尺寸不至于過大。

送試空氣霧化噴嘴共有6個，其中小孔徑單孔噴嘴2個，為SU12A、SU12；大孔徑單孔噴嘴2個，為SU72、SU82；小孔徑六孔噴嘴2個，為SU26、SU26B。

2.1 噴霧錐角θ

不論小孔徑還是大孔徑，單孔噴嘴在各個工況點的噴霧錐角都較小，通常只有20°左右，最大水流量和最大空氣助力壓力工況點的噴霧錐角要大一些，可達50°左右。而六孔噴嘴的液束為六孔液束集合而成的一個液束，噴霧錐角較大。SU26的噴霧錐角普遍為67±5°?？梢娏讎娮斓膰婌F錐角要遠大于單孔噴嘴的噴霧錐角?；谶x擇噴嘴和所用工況點的原則（1），首先排除了4個單孔噴嘴。

下面就SU26和SU26B小孔徑六孔噴嘴的微觀噴霧特性做具體比較分析與討論。

從現(xiàn)階段來看，學前兒童體育游戲創(chuàng)編仍然存在著資源匱乏，課程設(shè)置不太合理，教學手段單一等問題，難以發(fā)揮較好的教育作用?；诖耍處熢趯W前兒童體育游戲創(chuàng)編活動設(shè)計與創(chuàng)新過程中應(yīng)結(jié)合學前兒童心理特點和教學目標，把握好體育游戲?qū)敕绞?，以準確的導入方式，提高體育游戲創(chuàng)編活動設(shè)計效果，讓幼兒掌握更多技術(shù)要領(lǐng)，學習到一些體育知識。

2.2 中值直徑D0.5和索特平均直徑D32

小孔徑六孔噴嘴 SU26和 SU26B的中值直徑D0.5和索特平均直徑D32實驗數(shù)據(jù)如表2和表3所示?？梢钥闯?，除了個別工況以外，中值直徑D0.5和索特平均直徑D32普遍隨著空氣助力壓力的增大而減小，隨著水流量的增大而增大，隨著噴嘴尺寸的增大而減小。SU26B的多數(shù)工況點均不能滿足D0.5≤50 μm的要求，而SU26的多數(shù)工況點均能夠滿足要求，并且只要空氣助力壓力能夠維持在0.7 MPa以上，不論水流量為何（量程范圍以內(nèi)），都能夠保證使D0.5＜ 50 μm。

D32隨空氣助力壓力和水流量的變化趨勢與D0.5的基本相同，普遍隨著空氣助力壓力的增大而減小，隨著水流量的增大而增大，隨著噴嘴尺寸的增大而減小。通常，索特平均直徑D32的數(shù)值要小于D0.5，當D0.5= 50 μm 時，D32約為 35 μm。SU26 的D32普遍小于40 μm，而SU26B的普遍大于40 μm。

表2 SU26噴嘴噴霧水滴的D0.5和D32Table 2 D0.5 and D32 of spray water droplets from a SU26 nozzle

表3 SU26B噴嘴噴霧水滴的D0.5和D32Table 3 D0.5 and D32 of spray water droplets from a SU26B nozzle

2.3 水滴尺寸數(shù)目分布和累積體積分布

為比較霧化水滴尺寸隨水滴直徑D的數(shù)目分布PDF（%）和霧化水滴累積體積隨水滴直徑D的分布Vc（%），根據(jù)空氣助力氣壓、水流量和噴嘴型號（結(jié)構(gòu)尺寸）的不同，分別選取2個工況點進行比較分析。

2.3.1 不同空氣助力氣壓對霧化水滴尺寸的影響

選取SU26噴嘴、水流量為15 L/h、空氣助力氣壓為0.2 MPa和0.9 MPa 兩個工況點進行比較分析。圖5a是水滴尺寸數(shù)目分布圖，圖5b是水滴尺寸累積體積分布圖。

圖5 不同氣壓下水滴尺寸的數(shù)目分布（a）和累積體積分布（b）Fig. 5 Water droplet size number distribution (a) and accumulate volume distribution (b) under different air pressures

從圖5a中可以看出，分布曲線先升后降。與氣壓為0.2 MPa的曲線相比，氣壓0.9 MPa曲線的峰值明顯升高，并且向小顆粒方向偏移，位于4～5 μm處；0.2 MPa的水滴直徑大多分布在45 μm以內(nèi)，而0.9 MPa的水滴直徑則大多分布在20 μm以內(nèi)。說明0.9 MPa工況點的霧化特性明顯優(yōu)于0.2 MPa的，霧化質(zhì)量極佳。從圖5b中可以看出，分布曲線先陡升后緩升，累積體積到達75%時，水滴直徑不到50 μm。大于50 μm的大顆粒水滴所占體積不足25%，由于大顆粒水滴所擁有的體積遠大于小顆粒，因此可以判斷大顆粒水滴的數(shù)目非常稀少。比較兩條曲線，0.2 MPa的曲線位于0.9 MPa的上方。說明盡管0.2 MPa的霧化質(zhì)量不如0.9 MPa，但由于0.2 MPa的霧化水滴動量較小，水滴之間發(fā)生碰撞粘合的幾率較小，因此大顆粒水滴所占體積反而較小。

2.3.2 不同水流量對霧化水滴尺寸的影響

選取SU26噴嘴、空氣助力氣壓為0.9 MPa、水流量為15 L/h和35 L/h兩個工況點進行比較分析。圖6a是水滴尺寸數(shù)目分布圖，圖6b是水滴尺寸累積體積分布圖。

圖6 不同水流量下水滴尺寸的數(shù)目分布（a）和累積體積分布（b）Fig. 6 Water droplet size number distribution (a) and accumulate volume distribution (b) under different water flow rates

從圖6a中可以看出，分布曲線先升后降。兩條曲線的峰值幾乎相當，位置相差無幾，曲線近乎重合，大多數(shù)水滴尺寸分布在23 μm以內(nèi)，霧化質(zhì)量極佳。只是水流量為15 L/h曲線與水流量為35 L/h的曲線相比，其下降段略向小顆粒方向偏移。說明15 L/h工況點的霧化特性要優(yōu)于35 L/h的。從圖6b中可以看出，分布曲線先陡升后緩升，累積體積到達75%時，水滴直徑不到25 μm；大于25 μm的大顆粒水滴所占體積不足25%，大顆粒水滴所占比例數(shù)目非常稀少。比較兩條曲線，35 L/h的曲線位于15 L/h的上方。說明盡管35 L/h的霧化質(zhì)量比15 L/h的略差，但由于空氣助力壓力恒定，全部霧化水滴的總動量守恒，35 L/h的霧化水滴動量較小，水滴之間發(fā)生碰撞粘合的幾率較小，因此大顆粒水滴所占體積反而較小。

2.3.3 不同噴嘴結(jié)構(gòu)尺寸對霧化水滴尺寸的影響

選取空氣助力氣壓為0.9 MPa、水流量為15 L/h、SU26和SU26B兩個噴嘴進行比較分析。圖7a是水滴尺寸數(shù)目分布圖，從圖中可以看出，分布曲線先升后降。與SU26B噴嘴的曲線相比，SU26曲線的峰值明顯升高，并且向小顆粒方向偏移，位于4～5 μm處；SU26B的水滴直徑大多分布在37 μm以內(nèi)，而SU26的水滴直徑則大多分布在20 μm以內(nèi)。說明SU26噴嘴的霧化特性明顯優(yōu)于SU26B。由于SU26噴嘴的流量調(diào)節(jié)范圍比SU26B的大了近乎一倍，其結(jié)構(gòu)尺寸也必然越大。因此噴嘴的結(jié)構(gòu)尺寸越大，霧化質(zhì)量越好。

圖7 不同噴嘴結(jié)構(gòu)尺寸的水滴尺寸的數(shù)目分布（a）和累積體積分布（b）Fig. 7 Water droplet size number distribution (a) and accumulate volume distribution (b) under different nozzle sizes

圖7b是水滴尺寸累積體積分布圖，從圖中可以看出，分布曲線先陡升后緩升，累積體積到達75%時，水滴直徑不到40 μm。大于40 μm的大顆粒水滴所占體積不足25%，大顆粒水滴的數(shù)目非常稀少。比較兩條曲線，SU26B的曲線位于SU26的上方，說明盡管SU26B的霧化質(zhì)量不如SU26，但大顆粒水滴的數(shù)目卻較少。由于 SU26噴嘴的霧化質(zhì)量優(yōu)于SU26B，因此最終選定 SU26噴嘴作為我國飛機強度全天候重點實驗室生成人造凍云的噴嘴。

2.4 相對尺寸范圍Δs和發(fā)散邊界Δb

相對尺寸范圍 Δs和發(fā)散邊界 Δb反映了噴霧液滴的均勻度。由于送試噴嘴都屬于同一類內(nèi)部混合空氣助力噴嘴，因此SU26與單孔噴嘴相比，Δs和Δb并沒有明顯的優(yōu)越之處，其值都是幾到幾十。

2.5 液態(tài)水含量Cv

FAA附錄C中要求的液態(tài)水含量Cv為0～3 g/m3。實驗工況點的液態(tài)水含量為8～419 g/m3，即所有實驗工況點的液態(tài)水含量都超出了要求。這是由于測量點位于56 cm噴霧液束的穩(wěn)定段，如果測量點后移至噴霧液束的擴散段，液態(tài)水含量值將會下降。液態(tài)水含量對于水流量的敏感度要高于對空氣壓力的敏感度。通常水流量越大，液態(tài)水含量就會越多。與單孔噴嘴相比，SU26的液態(tài)水含量普遍較低，接近于FAA附錄C中的要求。而實際飛機強度全天候?qū)嶒炇倚纬扇嗽靸鲈频囊红F下落距離遠遠大于56 cm，液霧將會明顯擴散，因此可以肯定 SU26完全能夠滿足FAA附錄C中對液態(tài)水含量Cv的要求。

3 結(jié) 論

本文對我國飛機強度全天候重點實驗室擬選用的6個型號內(nèi)混式空氣助力孔式噴嘴的霧化特性進行了測量。研究了不同空氣助力壓力、不同水流量和不同噴嘴結(jié)構(gòu)尺寸對宏觀和微觀噴霧特性及液態(tài)水含量的影響。結(jié)論如下：（1）空氣助力壓力越高，水流量越小，噴嘴尺寸越大，則霧化水滴顆粒越小，霧化質(zhì)量越好。（2）選擇大的噴霧錐角；在滿足中值直徑小于 50 μm的工況點中，盡量選擇水流流量較小、空氣助力壓力較小的工況點，可以盡可能滿足人造凍云液態(tài)水含量的要求。根據(jù)對109個工況點、500余次實驗研究，選擇SU26噴嘴作為”國家飛機強度全天候重點實驗室”生成人造凍云的適用噴嘴。