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均勻液滴噴射性能的實(shí)驗(yàn)研究

2021-04-07 07:41薛松齡柴寶華王澤鳴朱錦新
核科學(xué)與工程 2021年5期
關(guān)鍵詞:孔深噴孔工質(zhì)

薛松齡,柴寶華,王澤鳴,朱錦新

均勻液滴噴射性能的實(shí)驗(yàn)研究

薛松齡,柴寶華,王澤鳴,朱錦新

(中國原子能科學(xué)研究院,北京 102413)

液滴式輻射器中液滴的噴射性能決定了液滴層中液滴的直徑、間距、速度等參數(shù),進(jìn)而決定了整個(gè)液滴層的輻射散熱性能。利用Rayleigh-Weber射流理論初步確定產(chǎn)生均勻液滴流的頻率范圍,完成了噴射實(shí)驗(yàn)裝置的設(shè)計(jì)。通過實(shí)驗(yàn)研究了工質(zhì)壓力、擾動(dòng)頻率、噴孔的直徑、噴孔長徑比對均勻液滴流產(chǎn)生的影響。

均勻液滴;噴射;擾動(dòng)頻率

液滴式輻射器(Liquid Droplet Radiator)是一種新型的空間散熱裝置,其設(shè)計(jì)構(gòu)想是由Mattick和Hertzberg[1]提出的。其工作原理是把熱工質(zhì)以細(xì)小液滴的形式向太空噴射,在行進(jìn)過程中向空間輻射熱量,工質(zhì)液滴冷卻后加以收集,由循環(huán)泵送回到換熱器中繼續(xù)進(jìn)行工質(zhì)循環(huán)。液滴式輻射器的散熱是通過以億計(jì)的小液滴組成的液滴層進(jìn)行的,所以液滴式輻射器具有極大的散熱面積。相同散熱功率下,采用不同工質(zhì)時(shí)液滴式輻射器的質(zhì)量約為熱管式輻射器質(zhì)量的10%~20%[2]。在太陽能動(dòng)力系統(tǒng)中如果使用液液滴式輻射器,整個(gè)動(dòng)力系統(tǒng)的比質(zhì)量與使用熱管式輻射器時(shí)相比低約27%[3]。因此液滴式輻射器存在極大的質(zhì)量優(yōu)勢。

液滴的噴射性能決定了液滴流中液滴的直徑、間距、速度,這些參數(shù)又進(jìn)一步?jīng)Q定了整個(gè)液滴層的輻射散熱性能。因此許多研究者對液滴的噴射性能進(jìn)行研究。White等人的研究發(fā)現(xiàn)噴射孔的形狀并不影響形成均勻液滴的實(shí)驗(yàn)條件范圍,形成均勻液滴流的實(shí)驗(yàn)條件的工作范圍是由工質(zhì)物性、擾動(dòng)頻率和液滴的速度等因素共同決定的[4]。日本的Tsuyoshi等在微重力條件下進(jìn)行了單條液滴流噴射試驗(yàn)[5,6],在微重力條件下驗(yàn)證了由質(zhì)量守恒導(dǎo)出均勻液滴直徑和間距的計(jì)算關(guān)系式。

國內(nèi)針對液滴噴射性能也進(jìn)行了很多研究,但主要的應(yīng)用背景是面向噴墨打印、燃燒噴嘴以及壓電潤滑系統(tǒng)以及激光慣性約束聚變研究中的靶丸研制等。劉文巍等[7]為研究液滴噴霧燃燒,研制了單液滴發(fā)生裝置,研究了不同電壓、頻率和噴口直徑等條件下的液滴發(fā)生特性。魏勝等[8]采用液滴法制備空心玻璃微球,根據(jù)Rayleigh流體不穩(wěn)定原理,確定了射流振蕩波頻率范圍,分析了充電偏轉(zhuǎn)過程,在不同的壓力及孔徑下,確定了最佳偏轉(zhuǎn)振蕩頻率與射流初始速率和充電環(huán)長度的關(guān)系表達(dá)式。

本文圍繞液滴式輻射器中液滴的噴射行為展開試驗(yàn)研究,分析了不同試驗(yàn)條件對均勻液滴流產(chǎn)生的影響。

1 液滴噴射原理

1990年Savart[9]對射流不穩(wěn)定性和斷裂機(jī)理進(jìn)行了系統(tǒng)研究,發(fā)現(xiàn)射流表面存在著不同程度的擾動(dòng),這些擾動(dòng)隨時(shí)間逐漸增長,最終導(dǎo)致射流斷裂而形成液滴。

Rayleigh[10-12]對射流不穩(wěn)定性及其斷裂機(jī)理進(jìn)行了系統(tǒng)研究后提出,當(dāng)擾動(dòng)的增長速度最大時(shí),為射流斷裂的最優(yōu)條件,并給出擾動(dòng)增長率與無量綱波數(shù)的關(guān)系為:

Rayleigh射流理論中的射流的斷裂條件與Plateau[13]提出的射流斷裂條件一致。但Rayleigh理論只考慮了表面張力對射流斷裂的作用,未考慮流體黏性和射流半徑的影響。

Weber[14]對Rayleigh的擾動(dòng)理論進(jìn)行了完善和修正,考慮了液體的黏性和周圍環(huán)境介質(zhì)的密度,將射流不穩(wěn)定方程修正為:

Weber在推導(dǎo)射流不穩(wěn)定性方程的過程中僅考慮了環(huán)境介質(zhì)密度的影響,而忽略了環(huán)境介質(zhì)的黏度。

2 實(shí)驗(yàn)裝置設(shè)計(jì)

實(shí)驗(yàn)采用的工質(zhì)為DC704硅油,其工質(zhì)特性如表1所示。液滴發(fā)生器的設(shè)計(jì)壓力不高于0.5 MPa,液滴的設(shè)計(jì)直徑范圍為0.4~0.65 mm。

表1 DC704工質(zhì)特性

圖1 擾動(dòng)增長率與無量綱波數(shù)的關(guān)系

振源系統(tǒng)主要由壓電陶瓷、函數(shù)發(fā)生器和高壓放大器等組成。

液滴流的拍攝和分析通過成像與分析系統(tǒng)完成,該系統(tǒng)的主要組成部件為高速攝像機(jī)、面光源、圖像處理軟件以及相關(guān)附件組成。高速像機(jī)型號為PCO.dimax.HD,相機(jī)的最小曝光時(shí)間為1ms,可連續(xù)拍攝液滴的形態(tài)。利用Camware圖像處理軟件進(jìn)行圖像處理。為了確定圖像中液滴的尺寸,采用標(biāo)尺進(jìn)行對比測量,標(biāo)尺的最小刻度為0.1 mm,精度為0.005 mm。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

試驗(yàn)過程中針對不同的工質(zhì)壓力、擾動(dòng)頻率、噴孔直徑以及噴孔的長徑比進(jìn)行了噴射試驗(yàn),并對結(jié)果進(jìn)行了對比分析。液滴直徑的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)是每種試驗(yàn)工況下9個(gè)液滴樣本直徑的平均值。

3.1 不同工質(zhì)壓力及擾動(dòng)頻率的影響

當(dāng)噴孔的直徑為0.2 mm,孔深為1 mm時(shí),隨著工質(zhì)壓力的增加,產(chǎn)生均勻液滴流的擾動(dòng)頻率也隨之增加。

由圖2可知當(dāng)擾動(dòng)頻率在2.5 kHz時(shí),射流斷裂距離最短,液滴流呈現(xiàn)出相對均勻的液滴狀態(tài)。

圖2 0.2 MPa壓力下不同擾動(dòng)頻率的實(shí)驗(yàn)結(jié)果

圖3為0.3 MPa壓力下不同擾動(dòng)頻率的試驗(yàn)結(jié)果。從圖3中可以看到當(dāng)擾動(dòng)頻率在4.5~5 kHz時(shí),液滴流呈現(xiàn)出相對均勻的液滴狀態(tài)。

圖3 0.3 MPa壓力下不同擾動(dòng)頻率的實(shí)驗(yàn)結(jié)果

隨著工質(zhì)壓力的增加,產(chǎn)生均勻液滴的擾動(dòng)頻率也逐漸增加。產(chǎn)生的均勻液滴的直徑逐漸減小,結(jié)果如表2所示。

表2 不同壓力下0.2 mm噴孔的試驗(yàn)結(jié)果

3.2 不同噴孔直徑的影響

噴孔直徑分別為0.2 mm和0.3 mm(如表3所示),在不同工質(zhì)壓力下的噴射試驗(yàn)結(jié)果顯示,產(chǎn)生均勻液滴流的擾動(dòng)頻率范圍發(fā)生了明顯地移動(dòng)。

表3 不同壓力下0.3 mm噴孔的試驗(yàn)結(jié)果

注:工質(zhì)壓力為0.2 MPa時(shí),液滴的平均直徑出現(xiàn)最大偏差為0.018 mm。

由表3和表2的結(jié)果對比可知,同樣的工質(zhì)壓力條件下,孔徑越小,噴射阻力越大,相應(yīng)的射流噴射速度會減小,產(chǎn)生均勻液滴流的擾動(dòng)頻率也降低了。均勻液滴流中的液滴的直徑也相應(yīng)的減小。

3.3 不同噴孔長徑比的影響

設(shè)定工質(zhì)壓力為0.2 MPa,噴孔直徑為0.3 mm,孔深分別為0.5 mm、1 mm、2 mm、3 mm時(shí)進(jìn)行噴射試驗(yàn)。

圖4展示了當(dāng)噴孔直徑為0.3 mm,孔深為0.5 mm時(shí)不同擾動(dòng)頻率下的射流斷裂情況。

圖4 0.2 MPa壓力下不同擾動(dòng)頻率的實(shí)驗(yàn)結(jié)果(孔徑0.3 mm—孔深0.5 mm)

當(dāng)孔深為0.5 mm時(shí),隨著擾動(dòng)頻率的增加,射流逐漸從非均勻液滴流到均勻液滴流再到非均勻液滴流的變化非常明顯。擾動(dòng)頻率在2.5~3.5 kHz的頻率范圍內(nèi)可以得到均勻的液滴流。

由圖5可知,當(dāng)孔深為1 mm時(shí),產(chǎn)生均勻液滴流的擾動(dòng)頻率范圍在4.5~6.5 kHz。由圖6可知,當(dāng)孔深為2 mm時(shí),產(chǎn)生均勻液滴流的擾動(dòng)頻率范圍在1~1.25 kHz。當(dāng)孔深為3 mm時(shí),擾動(dòng)頻率在0.5~2.25 kHz的范圍內(nèi),未出現(xiàn)均勻液滴流,如圖7所示。原因是噴孔的阻力過大,過低的流速導(dǎo)致無均勻液滴流的出現(xiàn)。

圖5 0.2 MPa壓力下不同擾動(dòng)頻率的實(shí)驗(yàn)結(jié)果(孔徑0.3 mm—孔深1 mm)

圖6 0.2 MPa壓力下不同擾動(dòng)頻率的實(shí)驗(yàn)結(jié)果(孔徑0.3 mm—孔深2 mm)

由于產(chǎn)生均勻液滴流的擾動(dòng)頻率隨著射流速度的增加而增加,由上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知,當(dāng)孔深為1 mm時(shí),射流速度最大。

當(dāng)噴孔的長徑比約為3時(shí),通過噴孔的流量達(dá)到最大值。

圖7 0.2 MPa壓力下不同擾動(dòng)頻率的實(shí)驗(yàn)結(jié)果(孔徑0.3 mm—孔深3 mm)

4 結(jié)論

通過噴射實(shí)驗(yàn),得到如下結(jié)論:

(1)當(dāng)工質(zhì)射流的噴射速度變化時(shí),產(chǎn)生均勻液滴的擾動(dòng)頻率也隨之變化。當(dāng)工質(zhì)射流噴射速度增加時(shí),產(chǎn)生均勻液滴流的擾動(dòng)頻率會隨之升高。

(2)產(chǎn)生的均勻液滴的直徑大小與噴孔直徑有關(guān),并隨著頻率的增加而減小。

(3)噴孔存在最優(yōu)長徑比,使得通過噴孔的工質(zhì)流量最大。

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Experimental Study on Injection Performance of Uniform Droplets

XUE Songling,CHAI Baohua,WANG Zeming,ZHU Jinxin

(China Institute of Atomic Energy,Beijing 102413,China)

Diameter,space,velocity and other parameters of droplets,and then the heat radiation performance of the whole droplet layer,are determined by the droplet injection performance of liquid droplet radiator. Utilizing the Rayleigh-Weber jet theory,the frequency range at which uniform liquid droplet flow are output was preliminarily figured out,and the design of this experimental injection device. Through tests,the effects of working medium pressure,disturbance frequency,jet orifice diameter and length-diameter ratio on uniform droplet flow were verified.

Uniform droplet;Injection;Disturbance frequency

V41

A

0258-0918(2021)05-1042-05

2021-04-00

薛松齡(1981—),女,內(nèi)蒙古赤峰人,高級工程師,碩士,現(xiàn)從事空間散熱方面研究

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