Y型噴嘴穿透特性的實驗和模型研究

池保華，洪 流，楊國華，仲偉聰

（西安航天動力研究所，陜西西安710100）

0 引言

Y型噴嘴是一種多單元內(nèi)混式氣動噴嘴，具有出力大、氣耗低、調(diào)節(jié)比寬等優(yōu)點，在大型實驗臺架和工業(yè)燃燒設(shè)備上都有廣泛的應(yīng)用。氣動噴嘴在保證霧化細(xì)度的前提下，具有足夠的穿透深度，能夠保證氣液的充分混合，提高霧化摻混效率。對于火箭發(fā)動機(jī)和航空發(fā)動機(jī)來說，能夠保證推進(jìn)劑的良好霧化和快速蒸發(fā)，從而提高推進(jìn)劑的化學(xué)反應(yīng)速度，提高發(fā)動機(jī)的工作性能。目前，國內(nèi)外學(xué)者在這方面也開展了很多的研究。M.Y.Leong研究了射流在橫向氣流下的穿透深度，得到了環(huán)境壓力和復(fù)合動量對穿透深度影響的經(jīng)驗公式；Steven J.Beresh研究了超聲速射流在亞音速橫向氣流中的穿透特性，分析了射流速度對穿透距離和霧場粒徑的影響；劉靜研究了湍流度和附面層厚度對超聲速射流液霧穿透深度的影響。本文在Y型噴嘴的理論設(shè)計基礎(chǔ)上，通過調(diào)整噴口形狀和尺寸，得到了霧化好、高穿透距離的一種新型Y型噴嘴，定義了新型的無量綱復(fù)合動量，并提出了這類噴嘴設(shè)計的相關(guān)經(jīng)驗公式。

1 噴嘴設(shè)計

1.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計

圖1為所設(shè)計噴嘴的結(jié)構(gòu)示意圖，水和壓縮空氣分別從液體通道和氣體通道進(jìn)入。液體通道位于噴嘴的中心位置，4個氣體通道呈中心對稱分布，液體通道和氣體通道呈45°夾角。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，最后經(jīng)過噴口噴出，完成霧化。借鑒Y型噴嘴設(shè)計的經(jīng)驗公式，該噴嘴的設(shè)計液流量為216 kg/h；噴嘴的流量系數(shù)μ取0.9；β推薦值為0.98。

圖1 噴嘴結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Structure of spray atomizer

1.2 氣液比設(shè)計

射流的穿透距離不僅受到霧場液滴粒徑和速度的限制，也受到垂直高度的限制，本實驗中以0.5 m的垂直高度為基準(zhǔn)計算霧場的穿透距離。參考M.Y.Leong上、下邊緣經(jīng)驗公式

式中：X為穿透距離；D為噴口當(dāng)量直徑；Z為垂直高度；q為無量綱復(fù)合動量。以X=3.0 m為例進(jìn)行反算，得到氣液比α為3.2%（上邊緣）和86.6%（下邊緣）?？梢?，要達(dá)到高的穿透距離，要么氣液比較低，要么氣液比很高。一方面，由于經(jīng)驗公式中沒有考慮氣動阻力影響，當(dāng)氣液比很高時，噴霧場SMD很小，氣動阻力相應(yīng)很大，此時計算得到的穿透深度誤差很大；另一方面，氣液比大于10%時，霧化粒徑將趨于穩(wěn)定，過高的氣液比對霧化效果沒有明顯的提高。對于所設(shè)計的Y型噴嘴，選擇較低的氣液比，取值范圍為2%～4%。

2 噴霧實驗

2.1 實驗系統(tǒng)

霧化實驗臺系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖2所示。主要由空氣儲箱、水儲箱、截止閥、電磁閥、流量計、孔板、壓力傳感器和管道附件等組成。實驗系統(tǒng)中以水為工作介質(zhì)，以空氣為霧化介質(zhì)。水流量用流量計控制，空氣流量較小，用超音速孔板控制。實驗前，對超音速孔板進(jìn)行標(biāo)定，流量特性為Q=0.5(p+0.1)，誤差在5%以內(nèi)。

實驗開始時，分別通入壓縮空氣和水，調(diào)節(jié)兩路控制閥使噴嘴達(dá)到預(yù)定工況，記錄噴嘴工況參數(shù)，測量噴霧場在0.5 m垂直距離上的穿透深度。反復(fù)開關(guān)電磁閥，多次測量穿透深度后取平均值。調(diào)節(jié)空氣路控制閥，改變氣液比后重復(fù)上述實驗。

圖2 實驗系統(tǒng)示意圖Fig.2 Schematic diagram of experimental system

2.2 實驗結(jié)果分析

2.2.1 穿透特性

噴嘴不同工況下的穿透深度見表1。可以看出，在液流量不變的情況下，噴嘴的穿透深度并不是隨著氣液比單調(diào)增大或者減小，而是存在一個極大值。分析認(rèn)為，噴嘴所形成的扇形噴霧場，中間粒徑粗，四周粒徑細(xì)，決定穿透深度的主要是霧場中間粒徑的速度和大小。隨著氣液比增加，一方面混合室壓力增大，霧場液滴的速度越來越大，穿透距離增大；另一方面，混合室內(nèi)液體和氣體的相互作用越強(qiáng)，湍流波動破碎和氣動破碎作用越強(qiáng)，霧場SMD減小，液滴受到的氣動阻力越來越大，穿透距離減小。穿透深度隨氣液比的變化趨勢是氣動阻力和液滴速度相互作用的結(jié)果。

表1 不同工況下的穿透深度Tab.1 Penetration depth under different working conditions

由于M.Y.Leong關(guān)于穿透深度的計算公式?jīng)]有考慮氣液比的影響，在估算穿透深度過程中存在較大誤差。因此，對其進(jìn)行改進(jìn)時，添加氣液比的影響，構(gòu)造穿透深度的經(jīng)驗公式形式為

式中：X為穿透距離；α為氣液比；D為噴口當(dāng)量直徑；Z為垂直高度；q為新型無量綱復(fù)合動量。根據(jù)實驗結(jié)果，擬合得到經(jīng)驗公式參數(shù)如下：a=-3.983，b=9.382，c=-20.137。該經(jīng)驗公式僅適用于氣液比在2%～4%的工況條件。

PCCPL、SP采用無溶性特加強(qiáng)級環(huán)氧煤瀝青噴涂，干膜厚度600 μm；DIP管外噴涂金屬鋅 （含鋅量不小于99.99%），重量不少于 130 g/m2，再涂敷瀝青漆或環(huán)氧樹脂漆，涂層干饃平均厚度≥70μm，局部最小厚度不小于50μm，最大干膜厚度<250 μm。

2.2.2 數(shù)學(xué)模型

通過分析液滴的運動來研究噴嘴的穿透特性。作出如下假設(shè)：1）液滴始終保持球形；2）液滴互不碰撞；3）僅考慮重力和阻力影響，忽略液滴所受其它力作用；4）環(huán)境中大氣保持靜止。建立水平方向上液滴動量方程

式中：t為時間；u為液滴速度；m為單液滴質(zhì)量；fD為液滴所受阻力，計算方法如下

式中：ρl和ρc分別為液滴和大氣密度；d為液滴直徑；Cd為阻力系數(shù)，按照如下公式計算

利用上述公式對液滴運動方程進(jìn)行推導(dǎo)，可得

表2 最大液滴的穿透深度Tab.2 Penetration depth of maximal droplets

由表2中結(jié)果可以看出，最大液滴的穿透深度隨氣液比的變化趨勢和試驗結(jié)果保持一致。隨著氣液比增大，計算結(jié)果誤差在1.3%～13.7%范圍內(nèi)變化。決定噴嘴穿透距離的關(guān)鍵因素是液滴的最大粒徑與速度，與噴霧場平均粒徑和均勻度無關(guān)。

3 結(jié)論

設(shè)計并加工了一種新型的扇形霧化噴嘴，搭建了實驗臺架系統(tǒng)，并對其進(jìn)行了穿透特性研究。通過實驗測量和擬合，分析了氣液比對穿透深度的影響規(guī)律；在提出了一種新型無量綱復(fù)合動量的基礎(chǔ)上，改進(jìn)了M.Y.Leong穿透深度經(jīng)驗公式,擬合了實驗條件下的經(jīng)驗參數(shù)。進(jìn)一步地，以液滴運動的數(shù)學(xué)模型為基礎(chǔ)，對噴霧場的穿透距離進(jìn)行了計算和分析。

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