胡恒祥 劉 斌 畢麗森 曾 濤 李嘉偉

(天津商業(yè)大學(xué) 天津市制冷技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 天津 300134)

在北京冬奧會(huì)的推動(dòng)下,目前國(guó)內(nèi)人工造雪行業(yè)迅速發(fā)展,據(jù)統(tǒng)計(jì)2018年國(guó)內(nèi)滑雪人次達(dá)到2 000萬(wàn),截至2019年,我國(guó)滑雪場(chǎng)數(shù)量達(dá)到770個(gè)[1-2]。由于人工造雪對(duì)氣候環(huán)境依賴性較大,我國(guó)除東北以外大部分地區(qū)降雪量常年不足,滑雪場(chǎng)的正常運(yùn)行仍必須依靠人工造雪來(lái)完成,據(jù)統(tǒng)計(jì)我國(guó)約99%的滑雪面積需依賴于人工造雪。近年來(lái),氣象數(shù)據(jù)表明,全球氣候變暖,冬季降雪量隨之降低[3-4],滑雪場(chǎng)對(duì)人工造雪的依賴性更大且人工造雪的作業(yè)周期也隨之變長(zhǎng),這對(duì)滑雪行業(yè)是巨大的挑戰(zhàn)。與一些歐洲國(guó)家相比,我國(guó)人工造雪行業(yè)發(fā)展較晚,人工造雪機(jī)技術(shù)設(shè)備相對(duì)落后,產(chǎn)業(yè)普及率也相對(duì)較低[5],所以提高造雪質(zhì)量,進(jìn)一步推動(dòng)冰雪行業(yè)發(fā)展具有很大意義。

目前,國(guó)內(nèi)人工造雪一般可分為3種方式:1)空氣助力式。該方式需要壓縮空氣助力,采用氣液兩相流噴嘴對(duì)水進(jìn)行霧化,霧化后的液滴粒徑較小,在環(huán)境對(duì)流換熱、液滴自身蒸發(fā)及壓縮空氣膨脹過(guò)冷的共同作用下,液滴凝結(jié)成冰晶核[6],所以這種噴嘴也被廣泛稱為核子器。一般大型造雪機(jī)(如:雪炮)采用核子器與單相流噴嘴層嵌的方式進(jìn)行造雪,而小型造雪機(jī)通常僅采用氣液兩相流噴嘴(核子器)進(jìn)行造雪。對(duì)空氣助力式造雪而言,因氣液混合位置不同又可分為內(nèi)混合式和外混合式,內(nèi)混合式是氣液兩相在噴嘴內(nèi)混合腔進(jìn)行混合,外混合式則是氣液兩相在噴嘴出口外部進(jìn)行混合。2)風(fēng)扇式。該方式一般采用單相流噴嘴,無(wú)壓縮空氣助力,僅通過(guò)大功率風(fēng)機(jī)將單相流噴嘴霧化產(chǎn)生的液滴吹出,通常在相對(duì)較低的環(huán)境溫度下進(jìn)行造雪。3)削冰式。通過(guò)切割塊冰或破碎片冰形成小碎冰晶顆粒,經(jīng)傳送裝置輸出形成降雪的效果[7]。

成雪的機(jī)理是微小液滴在空中通過(guò)與環(huán)境進(jìn)行熱質(zhì)傳遞,自身蒸發(fā)進(jìn)一步加快溫度降低,進(jìn)而形成微小冰晶,冰晶吸收空氣中的水蒸氣進(jìn)一步長(zhǎng)大,最終生長(zhǎng)為雪花。在自然降雪過(guò)程中,空中懸浮的微小液滴下落至地面形成雪花之前,有足夠長(zhǎng)的降溫結(jié)晶生長(zhǎng)時(shí)間,但人工造雪過(guò)程中,霧化后液滴沒有足夠的生長(zhǎng)成核時(shí)間,這就需要我們更大程度上依賴環(huán)境因素,當(dāng)環(huán)境溫濕度較低時(shí),人工造雪的成功性更大。但對(duì)于整個(gè)行業(yè)而言,環(huán)境因素存在不可控等情況,這就需要我們?cè)谙鄬?duì)高溫高濕環(huán)境下,盡可能實(shí)現(xiàn)造雪并提高造雪質(zhì)量。若要在相對(duì)高溫高濕的環(huán)境下實(shí)現(xiàn)造雪,粒徑大小是直接決定液滴在造雪過(guò)程中能否實(shí)現(xiàn)凍結(jié)形成晶核的關(guān)鍵。當(dāng)環(huán)境溫濕度一定時(shí),大尺寸液滴僅通過(guò)自身蒸發(fā)和環(huán)境換熱實(shí)現(xiàn)自身溫度降低的能力有限,這一限度和直接決定最大液滴凍結(jié)尺寸的環(huán)境溫濕度是一一對(duì)應(yīng)的關(guān)系。同時(shí)要在相對(duì)較高溫高濕環(huán)境下提高造雪成功率或造雪量,降低霧化液滴的粒徑尺寸是最直接的方式,液滴粒徑越小,其比表面積越大,冷卻降溫時(shí)間越短,形成雪核更快[8]。

目前,人工造雪主要針對(duì)雪花生長(zhǎng)機(jī)理、雪晶形態(tài)、晶核形成條件[9-13]、雪的應(yīng)用[14]等方面展開研究。部分研究者通過(guò)實(shí)驗(yàn)和建立數(shù)學(xué)模型研究了液滴撕裂和破裂過(guò)程,分析了噴霧場(chǎng)中液滴平均直徑、數(shù)量分布和噴霧錐角的影響因素。O. G. Girin[15]描述了霧滴相質(zhì)量和數(shù)密度、平均直徑和霧滴多分散度于噴霧場(chǎng)中的瞬態(tài)空間分布。針對(duì)霧滴的產(chǎn)生和破碎進(jìn)行的研究主要包括霧滴的一般形態(tài)和大小分布,以及不同的霧化器對(duì)霧滴形成過(guò)程的影響[16-20]。上述研究主要是基于單一噴嘴下開展的研究,但實(shí)際造雪過(guò)程中噴嘴布置均為多噴嘴組合,而結(jié)合人工造雪多噴嘴工作過(guò)程的液滴粒徑分布開展的研究較少。在人工造雪過(guò)程中,噴嘴的氣液質(zhì)量混合比例直接影響霧化質(zhì)量,也決定液滴粒徑的分布,控制調(diào)節(jié)氣液混合比可以促進(jìn)液膜的破碎,提高霧化質(zhì)量[21-22]。基于多噴嘴的對(duì)稱性,以雙噴嘴為基礎(chǔ),本文研究了雙噴嘴間距及氣液質(zhì)量混合比例對(duì)造雪噴霧場(chǎng)液滴粒徑分布、噴霧形貌及輪廓寬度的影響,從而為結(jié)合氣液質(zhì)量混合比調(diào)節(jié)噴嘴間距獲得更適宜造雪的粒徑分布提供依據(jù),最終使人工造雪噴霧場(chǎng)液滴粒徑更小,更易形成冰晶,這對(duì)實(shí)現(xiàn)人工造雪及提高造雪質(zhì)量具有很大意義。

1 實(shí)驗(yàn)設(shè)備及過(guò)程

1.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)備

實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)如圖1所示,包括人工造雪系統(tǒng)、噴霧場(chǎng)粒徑測(cè)量系統(tǒng)和噴霧場(chǎng)粒子圖像測(cè)量系統(tǒng)。人工造雪系統(tǒng)由圖1中1～6組成,其中,噴嘴類型為內(nèi)混合空氣助力式;噴霧場(chǎng)粒徑測(cè)量系統(tǒng)主要由粒度儀激光發(fā)射器和接收器組成;噴霧場(chǎng)粒子圖像測(cè)量系統(tǒng)又稱PIV(particle image velocimetry)系統(tǒng),主要由高速相機(jī)和光束發(fā)射器組成。實(shí)驗(yàn)臺(tái)實(shí)物如圖2所示,表1所示為實(shí)驗(yàn)設(shè)備詳細(xì)參數(shù)。人工造雪系統(tǒng)采用內(nèi)混合空氣助力噴嘴,通過(guò)霧化形成微小液滴,在此基礎(chǔ)上,通過(guò)粒徑測(cè)量系統(tǒng)和噴霧圖像測(cè)量系統(tǒng)對(duì)噴霧場(chǎng)的液滴粒徑分布和噴霧形態(tài)進(jìn)行檢測(cè),噴嘴結(jié)構(gòu)如圖3所示。當(dāng)氣液進(jìn)入噴嘴內(nèi)部混合腔時(shí),氣液的混合和撕碎過(guò)程直接影響一級(jí)霧化的質(zhì)量,此外,式(1)所示的氣液質(zhì)量混合比直接影響噴霧場(chǎng)中液滴的粒徑,對(duì)于粒徑則采用式(2)所示的索特平均直徑表示。

表1 實(shí)驗(yàn)設(shè)備關(guān)鍵參數(shù)

1空氣壓縮機(jī);2單向閥;3氣體渦街流量計(jì);4內(nèi)混合空氣助力式噴嘴;5液體流量計(jì);6變頻水泵;7粒度儀激光發(fā)射器;8粒度儀激光接收器;9計(jì)算機(jī);10高速相機(jī);11光束發(fā)射器;12液滴噴霧場(chǎng);13氣體管路;14液體管路。

圖2 實(shí)驗(yàn)臺(tái)

圖3 氣液內(nèi)混合噴嘴結(jié)構(gòu)

gglr=qm,a/qm,l

(1)

(2)

式中:gglr為氣液質(zhì)量混合比例;qm,a為壓縮氣體的質(zhì)量流量,kg/s;qm,l為水的質(zhì)量流量,kg/s;D32為索特平均直徑,μm;N是直徑為D的液滴數(shù)目;通常Dmin=0。

1.2 實(shí)驗(yàn)條件

噴嘴霧化特性主要受流體的密度、粘度和表面張力、氣液混合狀態(tài)及噴嘴結(jié)構(gòu)的影響[23]。實(shí)驗(yàn)所處環(huán)境溫度為2 ℃,相對(duì)濕度為25%,在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中液滴的蒸發(fā)會(huì)導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)所處環(huán)境濕度增大,進(jìn)而影響液滴與環(huán)境之間的傳熱傳質(zhì),但該過(guò)程對(duì)液滴粒徑分布的影響較小。壓縮空氣壓力范圍為0.5～0.7 MPa,通過(guò)控制氣液管路閥門開度對(duì)GLR進(jìn)行設(shè)定,設(shè)定值為0.05、0.10、0.15、0.20,由于氣壓的波動(dòng),gglr會(huì)圍繞設(shè)定值上下波動(dòng),波動(dòng)幅度為±0.01,此時(shí)波動(dòng)幅度符合實(shí)際造雪條件[7],兩噴嘴間距d分別為5、10、15、20 cm。為得到整個(gè)噴霧場(chǎng)粒徑分布,以噴嘴為中心截面檢測(cè)噴霧場(chǎng)不同區(qū)域液滴粒徑大小。在粒徑分布測(cè)量過(guò)程中,將氣液混合噴嘴固定在專用伺服移動(dòng)導(dǎo)軌上,通過(guò)調(diào)節(jié)導(dǎo)軌的運(yùn)動(dòng)來(lái)測(cè)量不同測(cè)點(diǎn)的粒徑分布值,使測(cè)量點(diǎn)與激光發(fā)射路徑一致。在噴霧場(chǎng)全貌測(cè)量過(guò)程中,對(duì)計(jì)算機(jī)信號(hào)控制的激光束進(jìn)行調(diào)整,以保證激光從側(cè)面照射噴霧場(chǎng),并垂直于高速攝像機(jī)。高速攝像機(jī)拍攝間隔設(shè)置為500 μs,對(duì)激光束照射下的噴霧場(chǎng)進(jìn)行采集。其中,粒徑分析儀利用光的衍射效應(yīng)計(jì)算粒徑,高速相機(jī)采集不同時(shí)刻下的噴霧場(chǎng)圖像,通過(guò)將拍攝的時(shí)間間隔前后圖像進(jìn)行對(duì)比,得到完整的噴霧分布圖像。

2 結(jié)果分析

2.1 噴霧場(chǎng)整體形貌結(jié)果分析

通過(guò)高速相機(jī)拍攝噴霧場(chǎng)粒子分布圖,并進(jìn)行灰度處理,在此基礎(chǔ)上進(jìn)行二值化處理并得到二值化圖像,通過(guò)對(duì)像素點(diǎn)拾取標(biāo)記處理得到輪廓邊界。圖4所示為gglr=0.05,噴嘴間距d=15 cm時(shí)的噴霧輪廓。

圖4 噴霧輪廓(gglr=0.05,噴嘴間距d=15 cm)

2.1.1 不同噴嘴間距下形貌分析

圖5所示為gglr=0.05時(shí)不同噴嘴間距下噴霧輪廓,隨著d的增大,噴霧交匯區(qū)逐漸向下發(fā)展,當(dāng)d較小時(shí),交匯區(qū)距離噴嘴更近,此時(shí)在近噴嘴處液滴碰撞發(fā)生的概率增大。不同噴嘴間距下輪廓最大寬度如圖6所示,噴霧輪廓軸向和徑向?qū)挾入Sd的增大而逐漸增大,在d較大的條件下,噴嘴間徑向干涉程度降低,碰撞區(qū)與噴嘴軸向距離也更遠(yuǎn),液滴飛行時(shí)碰撞概率降低且飛行距離更長(zhǎng),進(jìn)而使得徑向和軸向覆蓋寬度增大。相對(duì)而言,d較小時(shí)對(duì)應(yīng)的噴霧交匯區(qū)比間距更大時(shí)的噴霧交匯區(qū)沿軸向距離提前出現(xiàn),大量液滴匯集在近噴嘴附近,兩噴嘴間的干涉現(xiàn)象增大,也提高了近噴嘴處液滴碰撞的概率,同時(shí)縮短了液滴的飛行距離。

圖5 不同噴嘴間距下噴霧輪廓(gglr=0.05)

圖6 不同噴嘴間距下輪廓最大寬度(gglr=0.05)

2.1.2 不同氣液混合比下形貌分析

氣液質(zhì)量混合比表示兩相流噴嘴的氣液混合量的比值,當(dāng)gglr增大時(shí),噴嘴混合腔內(nèi)氣液擾動(dòng)更劇烈,促進(jìn)液滴的破碎和分離,也直接影響整體一級(jí)霧化效果。不同gglr下噴霧輪廓及輪廓最大寬度分別如圖7和圖8所示?？梢钥闯?隨著gglr的增大,霧化質(zhì)量受噴嘴自身結(jié)構(gòu)影響而受到限制,在gglr=0.15處可以看出,繼續(xù)增大氣液比只會(huì)降低參與混合液體的量,進(jìn)而呈現(xiàn)出整體輪廓軸向?qū)挾认仍龃蠛鬁p小的趨勢(shì)。隨著gglr增大,整體輪廓呈現(xiàn)徑向內(nèi)縮的趨勢(shì),這是由于隨著噴霧區(qū)高速氣體的流動(dòng),噴霧周圍環(huán)境與噴霧中心區(qū)存在氣壓差,且徑向內(nèi)縮愈發(fā)強(qiáng)烈。

圖7 不同氣液質(zhì)量混合比下噴霧輪廓(d=5 cm)

圖8 不同氣液質(zhì)量混合比下輪廓最大寬度(d=5 cm)

2.1.3 不同氣液混合比下噴霧錐角分析

噴霧角是過(guò)噴嘴中心,沿輪廓邊界切線的夾角,也稱出口噴霧角[24],如圖4(c)所示,主要衡量液滴霧化擴(kuò)散狀態(tài)。出口噴霧角α1和α2主要用來(lái)判斷兩噴嘴噴霧狀態(tài)的差異性,噴霧角α3為α1和α2在交匯區(qū)的夾角,主要衡量噴嘴間干涉程度。不同氣液質(zhì)量混合比下噴霧角如圖9所示,α1和α2角度差僅約為1°,說(shuō)明兩噴嘴的霧化擴(kuò)散程度一致,此時(shí)氣液分配不均及噴嘴的差異性對(duì)霧化擴(kuò)散的影響較小?？梢园l(fā)現(xiàn),α1和α2隨著gglr的增大而增大,這是由于霧化擴(kuò)散寬度隨gglr的增大而增大所致,此外,α3的增大主要受α1和α2的影響。當(dāng)gglr<0.15時(shí),α3均大于α1和α2,而當(dāng)gglr>0.15時(shí),α3均小于α1和α2,是因?yàn)閷?shí)際噴霧狀態(tài)非完全對(duì)稱分布,對(duì)單側(cè)噴嘴噴霧而言,由于周圍氣流卷吸作用使得α1和α2與理想對(duì)稱狀態(tài)下噴霧角切線存在偏差,當(dāng)單側(cè)噴霧角切線向內(nèi)偏移會(huì)使α3大于理想狀態(tài)下的噴霧角,同時(shí)大于α1和α2,當(dāng)單側(cè)噴霧角切線向外偏移則結(jié)果相反。對(duì)于單個(gè)噴嘴而言,出口噴霧角的增大代表其霧化擴(kuò)散更寬,同時(shí)增大了兩噴嘴的交匯區(qū),液滴碰撞區(qū)距離噴嘴出口更近,兩噴嘴干涉程度也更大。隨著gglr增大,對(duì)于噴嘴混合腔而言,gglr的增大導(dǎo)致參與混合氣體的量隨之變大,此時(shí)氣液擾動(dòng)作用更強(qiáng),噴霧角相對(duì)增大。同時(shí),gglr的增大會(huì)導(dǎo)致混合腔內(nèi)參與混合液體量相對(duì)減少,雖然此時(shí)對(duì)應(yīng)噴霧角增大,霧化徑向擴(kuò)散更寬,但液滴數(shù)目及噴霧厚度降低,雖然噴霧邊緣區(qū)存在液滴,但液滴數(shù)目相對(duì)較少,這與圖7及圖8中輪廓徑向?qū)挾入Sgglr增大而減小的結(jié)果一致。

圖9 不同氣液質(zhì)量混合比下噴霧角(d=5 cm)

2.2 噴霧場(chǎng)粒徑分布結(jié)果分析

2.2.1 不同噴嘴間距對(duì)粒徑分布的影響

噴嘴間距大小直接影響噴嘴間的干涉程度,當(dāng)d減小時(shí),噴霧區(qū)徑向距離x隨之減小,同時(shí)干涉交匯區(qū)與噴嘴軸向距離y也更近。不同噴嘴間距下索特平均直徑如圖10所示,當(dāng)d=5 cm時(shí),兩噴嘴正下方(x=-25、25 mm)處索特平均直徑最小(Dmin=20.5 μm),但位于噴嘴間干涉區(qū)域(x=0)處的索特平均直徑最大(Dmax=34.9 μm),該現(xiàn)象是由于噴嘴出口速度相同條件下,大液滴具有更大的動(dòng)能,徑向飛行距離更大,因d較小,干涉區(qū)距離噴嘴軸向距離僅為60.74 mm,使得大液滴匯聚在中心交匯區(qū),進(jìn)而導(dǎo)致此處索特平均直徑最大。

圖10 不同噴嘴間距下索特平均直徑(gglr=0.05,y=150 mm)

噴霧交匯點(diǎn)距噴嘴軸向距離如圖11所示。沿噴嘴下方,隨x的增大,索特平均直徑也隨之增大,這是由于此處位于噴嘴交匯區(qū)外側(cè),小液滴自身動(dòng)能較小,而大液滴具有更大的動(dòng)能,徑向飛行距離更遠(yuǎn)所呈現(xiàn)的結(jié)果。隨著d的變化,索特平均直徑沿徑向變化總體趨勢(shì)為“m”型分布,d=10、15 cm時(shí),干涉交匯區(qū)的索特平均直徑出現(xiàn)最小值(Dmin=24.67、31.42 μm),之后粒徑隨x的增大而增大。在gglr不變的條件下,噴霧角不會(huì)隨d的變化而變化,在此基礎(chǔ)上,間距增大會(huì)導(dǎo)致噴嘴交匯區(qū)向下發(fā)展,同時(shí),噴霧交匯點(diǎn)沿y逐漸增大。當(dāng)d=5、20 cm時(shí),在x=0 mm處,索特平均直徑出現(xiàn)峰值,這是干涉交匯區(qū)隨d的增大而下移所導(dǎo)致。當(dāng)d=5 cm時(shí),交匯點(diǎn)(y=60.74 mm)位于y=150 mm上方,交匯點(diǎn)距離噴嘴軸向距離較近,對(duì)于單側(cè)噴霧而言,大液滴具有更大動(dòng)能,徑向飛行距離更大且匯集在中心交匯區(qū),進(jìn)而增大了出現(xiàn)大液滴的概率。相反,d=20 cm時(shí),交匯點(diǎn)(y=290.5 mm)位于y=150 mm下方,測(cè)點(diǎn)位于交匯區(qū)域上方,此處為單噴嘴邊緣飛濺的大液滴匯聚區(qū),所以在x=0 mm處d=5、20 cm時(shí)索特平均直徑出現(xiàn)峰值。由圖10還可知,d不同時(shí),兩側(cè)邊緣處的索特平均直徑最小接近0,這是由于邊緣處激光透過(guò)率接近100%,無(wú)法有效捕捉液滴所導(dǎo)致。

圖11 噴霧交匯點(diǎn)距噴嘴軸向距離

2.2.2 不同氣液混合比對(duì)粒徑分布的影響

不同氣液質(zhì)量混合比下索特平均直徑如圖12所示。隨著gglr增大,索特平均直徑總體呈現(xiàn)逐漸增大的趨勢(shì),雖然較大gglr對(duì)應(yīng)的噴霧角較大,但混合腔參與混合的液體量較低,實(shí)際噴霧覆蓋主流區(qū)寬度較小,在近噴嘴(y=150 mm)處,較大gglr的主流噴射區(qū)仍在噴嘴正下方,大液滴匯集增大了液滴聚合的概率,導(dǎo)致gglr較大時(shí),對(duì)應(yīng)索特平均直徑也增大。由于噴霧厚度(數(shù)目)沿徑向逐漸降低,大液滴動(dòng)能大飛行距離更遠(yuǎn),進(jìn)而呈現(xiàn)出在兩噴嘴徑向外側(cè)的索特平均直徑增大的趨勢(shì)。在兩噴嘴正下方(x=-25、25 mm)索特平均直徑最小,隨著gglr的增大,最小值存在沿噴嘴徑向向兩端移動(dòng)的現(xiàn)象,這是由于噴霧角的增大,使得噴霧液滴擴(kuò)散范圍增大,但索特平均直徑最小值仍然分布在噴嘴下方。粒徑分布沿徑向總體仍然呈“m”型分布,由于液滴擴(kuò)散范圍受噴霧角及噴嘴間距限制,邊緣處(x=-200、200 mm)液滴可近似忽略不計(jì)。

圖12 不同氣液質(zhì)量混合比下索特平均直徑(d=5 cm,y=150 mm)

圖13所示為單噴嘴下索特平均直徑隨gglr的變化,可以看出隨著gglr的增大,索特平均直徑呈先減小后增大的趨勢(shì),此時(shí)造成索特平均直徑減小的原因有:1)gglr的增大導(dǎo)致噴嘴混合腔內(nèi)氣液混合質(zhì)量發(fā)生變化,同時(shí)氣液相對(duì)速度也發(fā)生變化,粒徑大小隨著液體與氣體的相對(duì)速度增大而減小。2)當(dāng)gglr較低時(shí)(gglr<0.15),霧化質(zhì)量受噴嘴內(nèi)部結(jié)構(gòu)的影響,所以隨著gglr的增大,索特平均直徑出現(xiàn)減小的趨勢(shì)。但隨著gglr的繼續(xù)增大(gglr>0.15),索特平均直徑出現(xiàn)再增大的趨勢(shì),此時(shí)造成索特平均直徑再增大的原因是:1)隨著gglr的增大,噴嘴的霧化能力有限,其霧化效果隨著混合狀態(tài)及氣液壓的變化而達(dá)到極限。2)此時(shí)液體參與混合量較低,造成混合腔內(nèi)氣液混合不良,進(jìn)而導(dǎo)致霧化效果降低,索特平均直徑變大[25-27]。當(dāng)gglr一定時(shí),隨x的增大,索特平均直徑也隨之增大,這是由于隨著x增大,存在二級(jí)霧化,液滴突破穩(wěn)定狀態(tài)的極限,進(jìn)一步發(fā)生破碎,隨x的繼續(xù)增大,液滴動(dòng)能降低,大液滴聚合的概率增大,故呈現(xiàn)出索特平均直徑隨x增大而增大的趨勢(shì)。

圖14所示為雙噴嘴下索特平均直徑隨氣液混合比的變化,對(duì)比圖13可知,單噴嘴gglr=0.10～0.15時(shí),粒徑最小值為13.2 μm,而兩噴嘴干涉時(shí),gglr=0.10～0.15時(shí)的粒徑反而變大為34 μm。這是因?yàn)殪F化效果與噴嘴結(jié)構(gòu)密切相關(guān),當(dāng)gglr過(guò)小或過(guò)大均會(huì)導(dǎo)致霧化效果變差,gglr過(guò)小會(huì)造成氣液混合不充分,gglr過(guò)大會(huì)導(dǎo)致氣液混合量相差較大造成混合不良,所以在單噴嘴條件下,中間gglr對(duì)應(yīng)粒徑較小。在雙噴嘴干涉條件下,gglr=0.10～0.15時(shí)對(duì)應(yīng)粒徑比gglr=0.05時(shí)更大,這是由于d不變時(shí),gglr增大的同時(shí)噴霧角也隨之增大,從而導(dǎo)致噴霧場(chǎng)重疊交匯更劇烈,同時(shí)加大了液滴間的碰撞聚合概率,所以粒徑較單噴嘴條件更大。結(jié)合圖13和圖14可知,雙噴嘴的干涉現(xiàn)象較為明顯,隨著gglr的增大,在gglr=0.15時(shí)出現(xiàn)轉(zhuǎn)折點(diǎn),同單噴嘴條件下粒徑出現(xiàn)轉(zhuǎn)折現(xiàn)象一致。

圖14 不同氣液質(zhì)量混合比下雙噴嘴索特平均直徑(x=25 mm)

3 結(jié)論

本文通過(guò)粒徑分布實(shí)驗(yàn)及噴霧場(chǎng)全貌形態(tài)測(cè)量實(shí)驗(yàn)對(duì)氣液混合式人工造雪噴霧場(chǎng)的粒徑分布及噴霧全貌圖像進(jìn)行研究,分析了gglr和噴嘴間距對(duì)人工造雪中粒徑分布及噴霧區(qū)整體形貌的影響,得到如下結(jié)論:

1)噴霧擴(kuò)散寬度隨噴嘴間距的增大而增大,隨氣液混合比的增大而減小,噴霧錐角隨氣液混合比的增大而增大,擴(kuò)散寬度受噴嘴間距的影響更大。

2)當(dāng)gglr=0.15時(shí),呈現(xiàn)最佳粒徑分布,通過(guò)軸向粒徑分布可以得出,噴霧二級(jí)霧化區(qū)位于軸向距離300～450 mm處。

3)粒徑徑向呈現(xiàn)“m”型分布,且隨軸向距離的增大而增大,兩噴嘴干涉程度隨噴嘴間距的減小而增大,最佳噴嘴分布間距受氣液混合比的變化而變化,當(dāng)gglr=0.05時(shí),對(duì)應(yīng)最佳噴嘴間距在5～10 cm之間,可為人工造雪機(jī)噴嘴間距的布置提供參照,同時(shí)對(duì)實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量造雪具有較大意義。