葉麗華 ,李杰，施愛(ài)平

（1.212013 江蘇省 鎮(zhèn)江市 江蘇大學(xué) 汽車(chē)與交通工程學(xué)院；2.212013 江蘇省 鎮(zhèn)江市 江蘇大學(xué) 農(nóng)業(yè)工程學(xué)院）

0 引言

選擇性催化還原技術(shù)（Selective Catalytic Reduction，SCR）是柴油機(jī)動(dòng)車(chē)尾氣凈化環(huán)節(jié)中控制氮氧化物（NOX）排放最為關(guān)鍵的技術(shù)。在SCR系統(tǒng)中，核心部件是尿素噴射系統(tǒng)，尿素水溶液的噴霧特性直接影響尿素的分解及其與排氣的混合，從而影響NOX的轉(zhuǎn)化效率[1-6]。

根據(jù)尿素溶液的霧化方式可分為空氣輔助式和非空氣輔助式尿素噴射系統(tǒng)，許多研究表明，空氣輔助式噴射系統(tǒng)更有助于尿素溶液的霧化。趙英良[7]等分析了兩種噴射系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)、工作過(guò)程及整車(chē)匹配需求差異等技術(shù)差異，結(jié)果表明空氣輔助式系統(tǒng)優(yōu)勢(shì)明顯，尿素轉(zhuǎn)化效率高；華倫[8]等利用高速攝影技術(shù)和粒子動(dòng)態(tài)分析儀對(duì)這2 種SCR 尿素噴射系統(tǒng)進(jìn)行了比較，發(fā)現(xiàn)隨著尿素溶液噴射速率的提高，空氣輔助噴射系統(tǒng)的噴霧貫穿距增大，噴霧錐角變小，噴霧液滴粒徑明顯小于無(wú)空氣輔助噴射系統(tǒng)，因而具有良好的噴霧特性。

許多學(xué)者通過(guò)實(shí)驗(yàn)方法研究了尿素水溶液（Urea Water Solution，UWS）的噴霧特性，并且使用光學(xué)技術(shù)完成了相關(guān)研究。SPITERI[9]等使用陰影成像技術(shù)和PIV 系統(tǒng)，在不同試驗(yàn)條件下研究了壓力式噴嘴的噴霧霧化特性，并用PIV 分析的速度場(chǎng)表明噴射工況對(duì)噴霧的夾帶效果影響很大。PAYRI[10]等研究了UWS 噴射系統(tǒng)的液滴霧化過(guò)程，發(fā)現(xiàn)增加噴射壓力會(huì)產(chǎn)生軸向上具有較高速度的較小顆粒。

迄今為止，大部分的噴霧特性研究都基于圓形噴孔進(jìn)行，很少涉及非圓形噴孔。國(guó)內(nèi)外一些學(xué)者研究發(fā)現(xiàn)，非圓形噴孔在很大程度上能夠改善噴霧質(zhì)量。QUINN[11]通過(guò)實(shí)驗(yàn)比較了三角形和圓形噴孔的噴霧特性，測(cè)量了平均速度的3 個(gè)分量，從實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)中獲得了平均流向渦度，湍流動(dòng)能和平均流向速度中的局部剪切力，發(fā)現(xiàn)等邊三角形射流的能量要比圓形噴孔高，并且等邊三角形噴孔的近場(chǎng)混合速率比等腰三角形噴孔和圓形噴孔快。KASYAP等[12]通過(guò)實(shí)驗(yàn)方法研究了在靜止空氣條件下，橢圓形和圓形噴孔的液體噴霧行為。觀察到了橢圓形噴霧的軸切換現(xiàn)象，即在短軸平面內(nèi)噴射寬度較大，然后在下游的地方變成圓形，最終沿射流軸線反轉(zhuǎn)。綜上可知非圓形噴孔通常會(huì)有較好的噴霧特性，從而提供更好的混合質(zhì)量。而液滴速度影響尿素水溶液與尾氣的混合質(zhì)量，本文對(duì)空氣輔助式SCR 系統(tǒng)非圓形噴孔的噴霧速度場(chǎng)進(jìn)行研究。

1 試驗(yàn)材料與方法

考慮到影響噴霧特性的物理因素，特別是表面張力和粘度，對(duì)于純凈水和尿素水溶液是相似的，孟雪峰[13]等通過(guò)實(shí)驗(yàn)對(duì)尿素溶液以及純凈水進(jìn)行對(duì)比分析，發(fā)現(xiàn)用純凈水代替尿素溶液是可行的，所以本次實(shí)驗(yàn)中同樣以純凈水替代尿素溶液進(jìn)行噴霧試驗(yàn)，避免尿素水溶液對(duì)設(shè)備的污染。圖1 為試驗(yàn)所設(shè)計(jì)的噴嘴，為了控制誤差以及節(jié)約試驗(yàn)成本，在圓孔盤(pán)中心利用電火花加工技術(shù)進(jìn)行開(kāi)孔，所開(kāi)噴孔形狀以及尺寸如表1 所示。為了探究噴孔形狀對(duì)噴霧特性影響，非圓形噴孔出口截面積在誤差范圍內(nèi)認(rèn)為與圓形噴孔面積相同。

圖1 噴嘴裝配結(jié)構(gòu)尺寸Fig.1 Model of nozzle assembly

表1 噴孔參數(shù)Tab.1 Orifice parameters

圖2 為實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)示意圖，系統(tǒng)由空氣輔助式尿素噴射系統(tǒng)和PIV 測(cè)量系統(tǒng)組成。使用空氣壓縮機(jī)提供噴射壓力，壓縮機(jī)可提供的最大壓力為0.8 MPa。水泵流量范圍為100～7 000 ml/h，水流量由計(jì)算機(jī)通過(guò)USB-CAN II 適配器精確控制。通過(guò)調(diào)壓閥將壓縮空氣的壓力控制在一個(gè)恒定值，然后在壓縮空氣的幫助下將水輸送到噴嘴，水和空氣在噴嘴內(nèi)部相互作用后同時(shí)從噴孔噴出。

圖2 試驗(yàn)系統(tǒng)圖Fig.2 Diagram of experiment setup

PIV 測(cè)量系統(tǒng)主要由雙脈沖摻釹釔鋁石榴石（Nd：YAG）激光器、同步控制器、CCD 相機(jī)和圖像處理分析軟件。激光波長(zhǎng)為532 nm，CCD 相機(jī)用于圖像采集，為了更清晰準(zhǔn)確地獲取數(shù)據(jù)，將熒光顆粒添加到水中。激光束通過(guò)L 形圓柱棱鏡組擴(kuò)展，以形成厚度為1 mm 的光片?？梢孕D(zhuǎn)片狀光學(xué)器件以調(diào)整光的方向，以更好地照亮測(cè)試流場(chǎng)。為了在光片區(qū)域捕獲數(shù)據(jù)，應(yīng)將CCD 相機(jī)垂直于光片光學(xué)器件放置。同步控制器同步控制激光和CCD 攝像機(jī)的觸發(fā)。同步控制器同時(shí)生成周期性的脈沖觸發(fā)信號(hào)和多個(gè)延遲的觸發(fā)信號(hào)，這些信號(hào)使激光器、CCD 相機(jī)和圖像采集軟件協(xié)同工作。通過(guò)高分辨率 CCD 相機(jī)連續(xù)兩次（t1、t2時(shí)刻，時(shí)間間隔Δt）拍攝記錄示蹤粒子在流場(chǎng)空間的瞬時(shí)位置，經(jīng)過(guò)圖像處理識(shí)別出兩幀圖像上對(duì)應(yīng)的示蹤粒子，利用互相關(guān)分析方法，求出時(shí)間間隔Δt 內(nèi)噴霧的速度場(chǎng)，最后分別提取粒子軸向和徑向速度進(jìn)行分析。

2 試驗(yàn)結(jié)果

2.1 噴射工況對(duì)軸向速度場(chǎng)的影響

噴射速率為3 000 ml/h 時(shí)，不同噴射壓力下3種噴孔出口平均速度沿軸向變化的情況如圖3 所示。對(duì)于圓形噴孔，測(cè)量平面是長(zhǎng)軸所在平面，對(duì)于三角形噴孔，測(cè)量平面是三角形高度所在的平面。對(duì)于3 種噴孔，可以看出噴霧速度沿噴射軸線先增大然后減小。這是由于霧化的液滴離開(kāi)噴嘴后，由于缺乏外力，并受到空氣阻力和液滴間相互作用的影響，液滴的加速度逐漸減小，從而導(dǎo)致液滴速度先增大然后減小。

圖3 噴霧軸向速度隨噴射壓力變化情況Fig.3 Variation of axial velocity under a constant injection at different air pressure

對(duì)比各個(gè)噴孔噴霧的峰值速度，可以發(fā)現(xiàn)圓形噴孔噴霧的軸向速度隨著噴射壓力的增加先升后降。具體為：當(dāng)壓力小于0.5 MPa 時(shí)，噴霧速度隨著噴射壓力的增加而增加，速度最大值約為17.5 m/s；當(dāng)噴射壓力達(dá)到0.6 MPa 時(shí)，噴霧速度會(huì)下降。三角形噴孔噴霧具有與圓形噴孔相同的現(xiàn)象，速度最大值約為17.5 m/s。KIM[14]等發(fā)現(xiàn)在試驗(yàn)工況下，噴嘴中存在環(huán)狀流動(dòng)，液體碎裂成軸向運(yùn)動(dòng)的液線和液滴，氣體在噴嘴的中部形成氣柱，液相則繞噴孔內(nèi)壁一周形成環(huán)形液膜。在噴射氣體和液體之前，混合過(guò)程伴隨著劇烈的相互作用，從而增加了液體的表面能。當(dāng)氣體到達(dá)噴嘴出口時(shí)，壓力高于環(huán)境壓力，氣體進(jìn)一步膨脹和加速，然后在氣體和液體之間產(chǎn)生更高的相對(duì)速度。因此，當(dāng)液體噴射速率恒定時(shí)，隨著噴射壓力的增加，空氣和水的相互作用變得更加強(qiáng)烈。在這一階段，空氣的強(qiáng)烈運(yùn)動(dòng)加強(qiáng)了水與空氣的混合過(guò)程，導(dǎo)致水和空氣間的相對(duì)速度隨噴射壓力的升高而升高。但是氣體和液體在霧化器的密閉空間中混合，當(dāng)噴射壓力達(dá)到0.6 MPa 時(shí)，流體的流動(dòng)阻力增加。另外，由于空氣的快速流動(dòng)，水和空氣的混合物在沒(méi)有充分混合的情況下從噴孔噴出，壓縮空氣不能為水提供足夠的能量，因此圓形和三角形噴孔的噴霧速度下降。相比之下，橢圓噴孔的噴霧速度隨噴射壓力的增加而增加，當(dāng)噴射壓力為0.6 MPa 時(shí)，速度達(dá)到最大值21.3 m/s,要比圓形噴孔和三角形噴孔的噴霧速度大21.7%。這可以解釋為，橢圓噴孔造成的軸轉(zhuǎn)換現(xiàn)象使界面處的流動(dòng)不穩(wěn)定性增加,同工況下液滴粒徑更小，這可以使氣液混合質(zhì)量得到顯著改善[15-16]，但實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中，速度過(guò)大容易造成噴霧碰壁現(xiàn)象。

如圖4 所示為在0.4 MPa 噴射壓力下，噴霧軸向速度隨噴射速率的增加而變化的趨勢(shì)。如圖4（a）所示，圓形噴孔的噴霧速度隨噴射速率的增加而增加，直到噴射速率為4 000 mL/h。如前文所述，當(dāng)氣體和液體移動(dòng)到噴嘴出口時(shí)，增加噴射速率還可以提高氣液之間的相對(duì)速度，相對(duì)速度的增大會(huì)使得液膜表面的擾動(dòng)振幅增大，片狀液體會(huì)碎裂形成更細(xì)小的液滴。因此，在一定范圍內(nèi)增大噴射速率，噴霧速度會(huì)增加，但是當(dāng)噴射速率達(dá)到5000 mL/h時(shí)，液體便占據(jù)更多的空間，而0.4 MPa 的噴射壓力無(wú)法完全霧化那么多的水，最終導(dǎo)致射流發(fā)生，從而平均速度降低。對(duì)于橢圓噴孔，在3 000，4 000，5 000 mL/h 的噴霧速度非常接近，這說(shuō)明在恒定噴射壓力下，增加噴射速率不能使橢圓噴孔噴霧速度大幅度提高。還可以發(fā)現(xiàn)，橢圓形噴孔的噴霧速度大于圓形和三角形噴孔的噴霧速度。如前所述，這是由于橢圓噴孔軸轉(zhuǎn)換現(xiàn)象的存在所導(dǎo)致。圖4（c）表明，3 000 mL/h 的噴射速率時(shí)三角形噴孔能夠得到最大速度。此外，與圓形噴孔和橢圓形噴孔相比，三角形噴孔噴霧最快達(dá)到最大值，速度衰減率高于其他噴孔速度衰減率，因此混合效率更高，這一結(jié)論同樣可以從圖3 中得出。

圖4 噴霧軸向速度隨噴射速率變化情況Fig.4 Variation of axial velocity under a constant air pressure at different liquid injection rates

2.2 噴射工況對(duì)徑向速度場(chǎng)的影響

圖5 給出了在3 000 mL/h 噴射速率和不同噴射壓力下，距噴嘴44 mm 處橫截面的噴霧速度分布。由圖5 可見(jiàn)，最大速度出現(xiàn)在軸線附近，但不完全在軸線上，而且曲線不是完全對(duì)稱的，這是因?yàn)橐旱问芸諝馔牧鞯挠绊懖⒃谶\(yùn)動(dòng)過(guò)程中蒸發(fā)，并且液滴之間的碰撞將導(dǎo)致液滴繼續(xù)破裂或聚集。對(duì)于橢圓噴孔，在遠(yuǎn)離軸線處，不同工況下的速度分布曲線幾乎重疊，這是由于在徑向上距離噴嘴越遠(yuǎn)的區(qū)域中，液滴速度越低，液滴在徑向上的擴(kuò)散能力越弱。同位置處，三角形噴孔和圓形噴孔噴霧速度要大于橢圓噴孔噴霧速度，表明噴霧能夠與尾氣混合更充分。由圖5 還可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)噴射壓力低時(shí)，噴射壓力的增加帶來(lái)了明顯的速度變化，當(dāng)噴射壓力較高，速度大小僅在軸線附近發(fā)生變化。以圓形噴孔為例，當(dāng)壓力從0.2 MPa 增加到0.3 MPa 時(shí)，曲線上幾乎所有的點(diǎn)都向上移動(dòng)，但是，當(dāng)壓力從0.4 MPa 增加到0.5 MPa 時(shí)，只有靠近軸的點(diǎn)才會(huì)改變。可以看出，噴射壓力的增加將削弱沿徑向的擴(kuò)散，液滴將被帶到下游。對(duì)于橢圓孔的長(zhǎng)軸面，當(dāng)壓力為0.3 MPa 時(shí)，速度達(dá)到18 m/s，然而，增加噴射壓力并沒(méi)有明顯的變化。作為對(duì)比，橢圓噴孔的短軸面，在噴射壓力為0.5 MPa 時(shí)速度達(dá)到最大值20.7 m/s，依然要高于圓形噴孔和三角形噴孔噴霧的速度峰值，這也進(jìn)一步證實(shí)了軸轉(zhuǎn)換現(xiàn)象的存在。從圖5（d）中可以發(fā)現(xiàn)，三角形噴孔橫截面的速度比圓形噴孔和橢圓形噴孔的速度更混亂，這可能歸因于三角形噴孔的銳角使得液滴破碎沒(méi)有圓形噴孔和橢圓噴孔均勻[15]。

圖5 徑向速度隨噴射壓力變化情況Fig.5 Variation of radial velocity under constant liquid injection rate at different air pressure

圖6 給出了在0.4 MPa 的噴射壓力和不同的噴射速率下，距離噴嘴44 mm 處的橫截面處的噴霧速度的分布。從圖6 可以看出，噴射速率為1 000～4 000 mL/h 時(shí)，隨著噴射速率的增加，峰值速度也就是靠近軸線的速度增加，繼續(xù)增大噴射速率到5 000 mL/h，峰值速度下降，并且只有橢圓噴孔長(zhǎng)軸面下降不明顯，這與圖4 中顯示的結(jié)果一致。此外可以發(fā)現(xiàn)，每種工況相對(duì)應(yīng)的曲線之間會(huì)出現(xiàn)相交，尤其是在噴射速率為2 000，3 000，4 000 mL/h 時(shí)，在與每種條件相對(duì)應(yīng)的曲線之間會(huì)出現(xiàn)相交，尤其是在液體注入速度為2 000，3 000，4 000 mL/h時(shí)，說(shuō)明在霧化效果好的情況下，增加噴射速率對(duì)增加噴霧速度沒(méi)有顯著影響。

圖6 徑向速度隨噴射速率變化情況Fig.6 Variation of radial velocity under constant air pressure at different injection rates

3 結(jié)論

（1）對(duì)于軸向速度，改變噴射壓力時(shí)，三角形和圓形噴孔在0.5 MPa 時(shí)速度達(dá)到最大值17.5 m/s，橢圓形噴孔在0.6 MPa 時(shí)達(dá)到最大值21.3 m/s，表明橢圓噴孔的軸轉(zhuǎn)換現(xiàn)象能夠促進(jìn)氣液的混合；

（2）改變噴射速率時(shí)，圓形和橢圓噴孔噴霧速度在4 000 mL/h 時(shí)分別達(dá)到最大值，三角形噴孔3 000 mL/h 時(shí)噴霧速度達(dá)到最大值，圓形噴孔噴霧峰值速度約為16.6 m/s，橢圓噴孔噴霧峰值速度比圓形噴孔大15%，表明橢圓噴孔噴霧初始動(dòng)能更大，但實(shí)際應(yīng)用中可能會(huì)造成噴霧碰壁現(xiàn)象；

（3）三角形噴孔噴霧峰值速度比圓形噴孔小11.4%，但是三角形噴孔噴霧最快達(dá)到峰值速度，表明三角形噴孔噴霧能與尾氣更快地混合；

（4）霧化良好的工況下，所選取截面上改變工況對(duì)徑向速度影響不明顯，僅在靠近軸線處有較大影響。噴射壓力的增大會(huì)削弱沿徑向的擴(kuò)散，液滴被帶到下游。