結構參數對壓力式霧化噴嘴特性的影響

張雪淼 ，蔡學洋

(1.惠生工程(中國)有限公司北京分公司，北京 100102；2.中航油京津冀物流有限公司，天津 300300)

0 引言

目前為止，由于霧化過程的復雜性，結構的多樣性，研究者對噴嘴的理論與實驗研究依然處于不斷的探究和完善之中[1-6]。噴嘴結構的系統設計、霧化機理的研究以及得出更具說服力的理論體系仍然是未來學者的研究方向和目標。由于工業生產中的一些反應僅以液態物料為原料，本文針對這種情況設計了一種壓力旋流霧化噴嘴，并對其操作參數和結構參數進行了一系列的分析研究。

1 實驗研究

1.1 實驗內容

實驗內容主要由兩部分構成。一部分是探究原本的霧化噴嘴的壓降流量關系和流量與粒徑、分布指數的關系，具體試驗方法是通過改變流量大小，測量該噴嘴結構的壓降、粒徑。另一部分是通過改變噴嘴結構參數，探究哪一個結構參數是影響壓降流量關系以及流量與粒徑、分布指數的關系的主要因素。實驗平臺主要由以下四部分組成：管道系統、壓力流量等流量參數測控系統、噴嘴霧化觀測部分和殘液回收系統。

1.2 噴嘴的特性分析

對所設計的單相霧化噴嘴，分別在20 L/h、30 L/h、40 L/h、50 L/h、60 L/h的流量條件下進行了測試，測量了不同流量下的壓降和霧化液滴，獲得了噴嘴的流量壓力關系和流量與粒徑、分布指數的關系。

(1)流量特性分析。由實驗測量的不同流速下壓降的變化可以看出，對于設計的壓力旋流噴嘴，壓降隨流量的平方的增加而增加。噴嘴壓降的本質是液體流經噴嘴所消耗的能量，也就是單位質量流體的壓力能，這表明能量損失與速度(流速)的平方成正比，從而說明噴嘴中流體的狀態是位于湍流狀態中的阻力平方區。

(2)霧化特性分析。測量了液體流量增大時距離噴嘴300 mm處空間的霧化粒徑及分布指數的變化。 可以看出，隨著流量的增加，霧化粒徑SMD和MMD均顯示一個下降的趨勢，表明由于流速和流量的增加，液體在噴出后在周圍空氣的作用下加劇擴散，加快液滴的破碎， 呈現較好的霧化效果。實驗測得的霧化液滴的最小粒徑可達30 μm左右，說明該噴嘴具有良好的霧化效果。由實驗結果可以看出，五組液體流量下的霧化分布指數N在2～4之間，說明霧化分布較好。

2 結構參數的影響

2.1 改變結構參數

為了探究哪一項結構參數對噴嘴流量特性以及霧化效果影響最大，接下來將要研究分別改變壓力旋流霧化噴嘴的三個主要結構參數后，噴嘴特性的變化趨勢。

(1)改變切向入口中心到噴口內壁距離H

在恒定d=1.5 mm和恒定h=2 mm條件下，本小節分別研究了三種噴嘴結構(H=22 mm、H=24 mm、H=26 mm)的壓降-流量關系和粒徑-流量關系。從圖1(a)可以看出，三種結構的壓降變化趨勢基本相同，其中當H=22 mm時壓降-流量曲線趨勢最陡，當H=26 mm時壓降-流量曲線趨勢居中，當H=24 mm時壓降-流量曲線最平滑。然而，當QE大于80 L/h之后，H=22 mm結構中的SMD粒徑大于H=24 mm結構中的SMD粒徑。綜合之上的分析，當H=24 mm時結構最好，壓降隨流量的增加上升最為平緩。當流量較小時，SMD粒徑比H=22 mm的粗，但當流量較大時，粒徑最小。

圖1 H對噴嘴特性影響

(2)噴孔長度h對噴嘴特性的影響

本小節分別研究了h=0.5 mm、h=2.0 mm和h=3.0 mm噴嘴在恒定H=22 mm和恒定D=1 mm時的壓降-流量關系和粒徑-流量關系。從圖2(a)可以看出，三種結構的壓降隨流量的增大而增大的趨勢基本一致。結構h=3.0 mm的壓降上升趨勢最陡，結構h=0.5 mm居中，結構h=2.0 mm最平緩。從圖2(b)可以看出，在相同的流速下，SMD粒徑隨著h的增加而變得更粗。但是，當QE=20 L/h到QE=30 L/H時，h=0.5 mm和h=2 mm的粒徑之間沒有顯著差異；當QE=45 L/h時，三種結構的粒徑沒有顯著差異。綜合之上的分析可得，h=2.0 mm為最佳結構，壓降隨流量增加緩慢增加，壓降小，節能。雖然在QE=30 L/h后，h=2.0 mm結構SMD粒徑要大于h=0.5 mm時的結構，但差異不顯著。另一方面，從現場加工制造的方向來看h=2.0 mm比h=0.5 mm要更加容易加工，而且能承受更高的壓力。

圖2 h對噴嘴特性影響

(3)噴孔直徑d對噴嘴特性的影響

在H=22 mm和h=2.0 mm恒定條件下，本小節研究了d=1.0 mm和d=1.5 mm兩種噴嘴結構下的壓降-流量關系和粒徑-流量關系。從圖3(a)中可以看出，d=1 mm結構下壓降隨流量增大而上升的趨勢最陡，d=1.5 mm結構則相對平坦；從圖3(b)中可以看出，在相同的流速下，隨著d的增大，SMD粒徑變厚。綜合之上的分析可得，在相同的壓降下，d=1.0 mm參數下的結構流量和SMD粒徑較小；當d=1.5 mm時，結構流量較大，SMD粒徑也較大。孔口直徑d可根據流經噴嘴的流體的黏度來選擇。如黏度大，可選用較大的孔口，不容易造成堵塞。

圖3 d對噴嘴特性影響

2.2 噴嘴流量經驗公式擬合

綜合之上實驗結果的分析，影響噴嘴流量Q的主要參數如下：(1)噴嘴的工作條件，包括入口壓力P和流體密 度ρ；(2)噴嘴的結構參數，包括切向進口中心到噴嘴內壁的距離H、噴嘴長度h和噴嘴直徑d。

圖4 結構圖

結合之上的分析，該噴嘴的流量Q與相關參數的關系可以由以下關系式表示：

首先將p、ρ和D作為基本物理量，式(1)可改寫為：

通過量綱分析法計算出各項指數的值，代入式(2)化簡為：

根據理論分析，式(3)可以用冪函數的形式表示：

式(4)兩邊取對數，可得：

根據最小二乘法，利用MATLAB軟件進行多元回歸分析，分別得到A,a,b,c的值為：A=3.665 5，a=0.282 2，b=0.048，c=1.686 8，由此求得k=eA=39.075 7，將各個系數的值代入式6可得：

最后整理可以得出表示噴嘴流量的經驗公式如下：

由MATLAB計算的結果可知，相關系數R2=0.965 4，與1相當接近，結果表明，回歸方程效果相對較好，誤差的精度較小。從公式(8)可以看出，包含直徑項的指數相對較高，表明噴嘴直徑對流量的影響大于噴嘴長度和噴嘴腔長度，這很好地驗證了實驗結果。同時，為了更好地驗證經驗公式，隨機選取10組實驗數據與公式數據對照，公式值與實驗值的相對誤差在±10%以內，滿足誤差要求。擬合公式能很好地表達噴嘴流量與各種結構參數之間的定量關系。

3 結論

(1)總結之上的實驗結果發現，從噴嘴的流量特性來看，壓力旋流霧化噴嘴的壓降-流量關系呈二次函數關系。從霧化特性來看，SMD粒徑和MMD粒徑隨著流量的增加，逐漸減小，其中最小可達30 μm左右，表明噴嘴具有良好的霧化效果；而且五組流量的霧化分布指數N均在2～4之間，表明霧化分布良好。

(2)通過MATLAB對噴嘴的流量和噴嘴的結構參數進行擬合，包括切向入口中心到噴嘴內壁的距離H、噴嘴的長度h和直徑d以及噴嘴的工作條件，包括入口壓力P和流體密度ρ之間的經驗關系。結果表明，噴嘴直徑對流量的影響大于噴嘴長度和噴嘴腔長度。