結冰風洞噴嘴霧化特性研究

符 澄, 彭 強, 張海洋, 王 超

(中國空氣動力研究與發展中心 設備設計及測試技術研究所, 四川 綿陽 621000)

結冰風洞噴嘴霧化特性研究

符 澄*, 彭 強, 張海洋, 王 超

(中國空氣動力研究與發展中心 設備設計及測試技術研究所, 四川 綿陽 621000)

結冰風洞試驗段中的云霧通常由安裝在穩定段的噴霧系統產生。噴霧系統霧化噴嘴的性能直接關系到結冰風洞試驗段平均水滴直徑(MVD)、液態水含量以及云霧均勻性等關鍵技術指標。在噴嘴試驗臺上分別使用PDI(相位多普勒干涉儀)及微流量計對小粒徑霧化噴嘴的平均水滴直徑(MVD)及水流量進行測量，得到了結冰風洞空氣輔助霧化噴嘴的流量-粒徑性能包線，同時，對噴嘴的供水、供氣壓力及其配比和水路節流管尺寸對噴嘴霧化性能的影響進行了研究。研究結果表明：噴嘴水、氣壓力差的大小和范圍決定了噴嘴的粒徑及調節比的范圍。壓差越大，粒徑和水流量越大，壓力差范圍越大，調節比越大。減小噴嘴水路節流管的直徑，可以增加噴嘴工作的水、氣壓力差范圍，擴展噴嘴的流量-粒徑包絡線。最終的測試結果表明，結冰風洞所使用噴嘴MVD范圍為7～70μm，水流量調節比為11.5，其參數調節范圍優于國外同類風洞所使用霧化噴嘴。

結冰風洞；噴嘴；MVD；PDI；霧化

0 引 言

飛機在以不同速度、不同高度穿越含有不同特性的過冷水滴的云層時，其機身表面會出現不同的積冰現象，從而嚴重影響飛行性能并導致飛行事故的發生。結冰風洞是研究飛機結冰的地面設備，其結冰云霧參數的模擬能力需要滿足FAR25部附錄C對溫度-粒徑-液態水含量的要求[1]。

噴霧系統是結冰風洞中進行云霧參數模擬的核心部件，其霧化噴嘴的性能直接關系到結冰風洞試驗段平均水滴直徑、液態水含量(LWC)以及云霧均勻性等關鍵技術指標。結冰風洞要求噴霧系統噴嘴出口的噴霧平均水滴直徑(MVD，即Dv0.5，中位數體積直徑)和霧化水流量穩定可控，同時供水和供氣壓力也不能過低，以免增加控制系統實現的難度。

意大利CIRA結冰風洞及美國格林中心IRT結冰風洞均使用內混式空氣輔助霧化噴嘴實現覆蓋MVD為10～50μm粒徑范圍的需求。其中，CIRA結冰風洞在常壓噴嘴測試平臺上使用PDPA(相位多普勒粒子分析儀)對霧化噴嘴的霧化特性進行了全面的測試工作，掌握了噴嘴供水及供氣壓力變化與MVD和水流量之間的關系，其使用的標準SUJ-12型噴嘴的調節比達到4左右，MVD范圍為15～50μm[2-3]。格林中心IRT結冰風洞對其霧化噴嘴進行了多次改進工作，通過改變水路節流管的直徑，拓展了噴嘴的粒徑-流量包線，改進后的MOD 1型噴嘴調節比達到6左右，MVD范圍為10～50μm[4-7]。在這2座典型的結冰風洞中，由于噴嘴的調節比較小，因此，需要以減少噴嘴開啟數量的方法來滿足低液態水含量的云霧模擬要求，從而導致試驗段截面的云霧均勻性變差。中國空氣動力研究與發展中心也曾對結冰風洞噴嘴的選型及霧化性能測試方法做過研究[8]。在結冰風洞之外的領域，霧化噴嘴的應用也非常廣泛，對其研究的重點主要集中于霧化角度、粒徑和水流量與節流管尺寸的關系及粒徑的截面均勻性和軸向的粒徑變化等，測試手段一般采用PDI(相位多普勒干涉儀)、PDPA或高速攝影等[9-11]。

本文使用PDI及微流量計對噴嘴霧化特性進行測試，對供水、供氣壓力及噴嘴水路節流管尺寸對內混式噴嘴的霧化特性的影響進行研究，并給出結冰風洞小粒徑(要求MVD范圍為10～55μm、調節比為11)噴嘴霧化特性測試結果。

1 測試設備及方法

1.1 測試設備的介紹

結冰風洞所使用的空氣輔助霧化噴嘴如圖1所示。決定噴嘴出口MVD和流量的是水路直徑d、水壓pw及氣壓pa。為增強噴嘴的霧化效果，水和氣在噴出之前首先在混合室進行預混，從而可獲得更細微的水滴顆粒。

圖1 結冰風洞所使用的空氣輔助霧化噴嘴

噴嘴安裝在一套噴嘴試驗平臺上，平臺主要包括以下幾部分：供水、供氣系統、噴嘴低壓測試平臺、PDI和流量計等，如圖2所示。

圖2 噴嘴測試平臺

試驗使用一臺離心泵噴嘴供應去離子水，使用氮氣瓶組噴嘴供氣，水壓和氣壓均可自動調節，水壓及氣壓調節范圍為0.03～1.2MPa，壓力調節精度0.005MPa。

低壓試驗臺由試驗臺本體、真空抽氣系統及控制系統組成。其主要性能如下：試驗臺容積為2m3，由水環真空泵配合一個補氣閥門精確控制真空度，真空泵抽速為40L/s，壓力調節范圍為30～100kPa，壓力控制精度為0.5kPa。

使用PDI對云霧粒子的粒徑、速度及分布進行測量。PDI是PDPA基礎上的新一代相位多普勒顆粒分析系統，可以在不同的應用環境中實現對單個顆粒粒徑大小以及三維速度的實時無接觸測量。系統構成主要包括：光學發射探頭、光學接收探頭、ASA信號處理器以及自動設備管理系統。PDI可測量的粒徑尺寸范圍為0.5～2000μm。

水流量測量采用BURKERT-8471型微流量計，流量范圍1.5～100L/h，量程內讀數精度0.5%。

1.2 測試方法

在進行噴嘴的粒徑特性(MVD)測量時，測點位置位于距噴嘴出口約200mm的中心線上。在距噴嘴出口200mm至更遠的距離上，霧化顆粒隨距離的變化已不再明顯，說明在這一距離上，水滴已經完全霧化。在噴霧橫截面上，徑向測點與中心測點上的霧化顆粒的直徑差別約為5.5%～7.5%，粒度分布較為均勻，如圖3所示。同時，從邊緣到中心點上，霧化水滴的液態水含量也呈現逐漸升高的趨勢，因此，選擇中心點作為衡量噴嘴霧化特性的測量點具有較強的代表性。

圖3 噴嘴MVD截面分布

PDI采用的鏡頭組合為500mm(發射)×400mm(接收)。采用前向散射原理對霧化顆粒進行測量，發射和接收鏡頭的安裝方法和相對位置如圖4所示。對于水滴這樣的透明介質來說，采用前向散射的測量方法獲得的信噪比高，因此更易獲得較高的粒子通過率和有效粒子數量，能有效的提高粒徑的測量準確度。

2.利用案例創設問題情境。在教學中應用案例教學，源于現實，學生易于接受，從而提高學生學習的興趣。如：在學習第四章“溝通協調”有關“組織內部的公共關系”時，出示“富士康跳樓”案例；學習“組織外部的公共關系”時，出示“三鹿奶業的發展、覆滅”案例。讓學生在對現實中熱點事例的分析中，更深入的理解教材內容。

圖4 PDI鏡頭的安裝方法

測試過程中，在每個水、氣壓力條件下，分別記錄MVD和水流量值，并對數據進行分析。噴嘴的工作及霧化性能測試環境壓力均為100kPa。

2 測試結果及分析

2.1 PDI測量結果及分析

采用前向散射方法測量時，高供氣壓力狀態下有效粒子數量和粒子通過率分別可以達到20000個以上和80%左右，在低氣壓條件下，有效粒子數量和粒子通過率分別可以達到30000個以上和90%～95%左右。可以看出，由于高氣壓時測試平臺內懸浮的液滴不能及時排出，光路能量損失增加，造成有效粒子數量和通過率下降。

圖5給出了MVD=11.9μm時，采用前向散射測得的霧化水滴的直徑、數量、體積及軸向速度之間的分布關系圖。從圖中可以看出，PDI采集獲得的有效粒子數量達到50000個以上，并呈現出較好的正態分布狀態。通過對15、20和40μm 3個典型粒徑狀態的粒徑進行重復性測量，MVD測試誤差分別為1.8%、2.5%和1.8%。由此可見，使用前向散射測得的霧化水滴直徑誤差很小，完全滿足噴嘴霧化性能分析的需要。

(a)

2.2 水、氣壓力對霧化性能的影響

對于一般空氣輔助霧化噴嘴來說，水、氣的壓力差決定了噴嘴的粒徑和流量特性。一般來說，供氣壓力越高，水、氣的壓差越大，霧化效果越好，獲得的平均水滴直徑也就越小。通常可以通過減小水、氣速度差(即水、氣壓力差pw-pa)及減小噴嘴的調節比來降低噴嘴的霧化顆粒。

圖6給出了不同氣壓條件下，水、氣壓力差變化對MVD的影響；圖7給出了不同氣壓條件下，水、氣壓差變化對水流量的影響。從圖中可以看出，隨著水、氣壓力差pw-pa的增加，MVD值及水流量均逐漸增加。供氣壓力越高，MVD越小，MVD變化的范圍越小：當供氣壓為0.1MPa(表壓，下同)時，MVD變化范圍為27.9～56.6μm；當供氣壓為1.0MPa時，MVD變化范圍為7.0～9.9μm。供氣壓力越高，水的調節比越小：當供氣壓為0.1MPa時，調節比為5.63；當供氣壓為1.0MPa時，調節比為4.04；在氣壓0.05～1.0 MPa的變化范圍內，噴嘴最大水流量與最小水流量之比(整體調節比)為11.5。在最低的供水壓力條件下，噴嘴沒有出現噴射不連續的現象。在各個供氣及供水壓力條件下，噴嘴的霧化角度始終保持在19°～20°之間。

圖6 水、氣壓差與MVD的關系

圖7 水、氣壓差與水流量的關系

從上述測試及分析結果可以看出，對內混式霧化噴嘴來說，受供水、供氣設備壓力上限及噴嘴水、氣壓力差下限的共同影響，不可能通過簡單的提高氣壓、降低水壓來達到增大壓力差范圍，從而達到減小霧化水滴的粒徑，同時增大調節比的目的。

圖8 不同氣壓下的水、氣壓差下限

2.3 節流管直徑對霧化性能的影響

適當的改變噴嘴內部水路節流管直徑及優化噴嘴內部水、氣流量的配比是拓展噴嘴粒徑及調節比范圍的有效方法。

圖9給出了供氣壓力為0.5 MPa時，不同節流管直徑條件下MVD的變化曲線，圖10則為流量變化曲線。從圖中可以看出，當節流管直徑從0.40mm減小為0.35mm時，噴嘴霧化水滴的MVD降低，水流量也隨之減小。

圖9 節流管直徑與MVD的關系

圖10 節流管直徑與水流量的關系

水、氣壓力差越大，節流管直徑變化引起的粒徑、流量的變化也越大，即當節流管直徑為0.35mm時，粒徑、流量隨水、氣壓差改變而產生變化速率放緩，這有利于在限制最高水流量的情況下，拓寬水、氣壓力差的變化范圍，對于拓寬粒徑和調節比的范圍是極其有利的。

在相同氣壓和壓差條件下，MVD的變化率明顯高于水流量的變化率，這對于拓寬MVD-流量包絡線也是有利的。圖11給出了節流管直徑分別為0.40和0.35mm時的MVD-流量包絡線。圖中綠色實線為噴嘴設計所要求的包線范圍。從圖中可以看出，節流管直徑為0.4mm噴嘴的MVD在50μm以上、小流量狀態時明顯有所缺失，且整體流量偏大，調節比約為9.0。而節流管直徑為0.35mm時，粒徑的上限和下限均得到拓展，最小粒徑達到7.0μm，同時噴嘴的水流量整體減小，最小水流量和最大水流量分別為1.0L/h和11.5L/h，噴嘴水流量的調節比提高到11.5，遠高于意大利1WT和美國IRT 2座結冰風洞所使用噴嘴的調節比[2-7]。

圖11 節流管直徑對Q-MVD包線的影響

Fig.11 The MVD-flow mass performance with different throttle pipe diameters

3 結 論

在自行設計、搭建的噴霧實驗臺上，使用PDI及高精度微流量計對冰風洞小粒徑霧化噴嘴的性能進行測試，對水、氣壓力配比及水路節流管直徑對噴嘴霧化性能的影響進行了研究，得到以下結論：

(1) 在使用PDI測量霧化水滴參數時，采用前向散射的方法能獲得很高的粒子通過率及有效粒子數量，從而保證了測試數據的可靠程度；

(2) 對內混式霧化噴嘴來說，噴嘴水、氣壓力差的大小和范圍決定了噴嘴的粒徑及調節比的范圍：壓差越大，粒徑越大，流量越大；壓差范圍越大，調節比越大；

(3) 適當減小噴嘴水路節流管的直徑，可以增加噴嘴工作的水、氣壓力差范圍，擴展噴嘴的流量-粒徑包絡線，與節流管直徑為0.40mm的情況相比，節流管直徑為0.35mm的噴嘴性能更優；

(4) 結冰風洞所使用的噴嘴MVD范圍為7.0～70.0μm，噴嘴的調節比達到11.5，其參數調節范圍優于國外結冰風洞中使用的同類型噴嘴。

[1] Leone G, Vecchione L. The new CIRA icing wind tunnel spray bar system development[R]. AIAA 2000-0629.

[2] Ludovico Vecchione. An overview of the CIRA icing wind tunnel[R]. AIAA 2003-900.

[3] Imperato L, Leone G, Vecchione L. Spray nozzles experiment comparison in laboratory and icing wind tunnel testing[R]. AIAA 2000-0487.

[4] Thomas B Irvine, John R Oldenburg. New icing cloud simulation system at the NASA Glenn research center icing research tunnel[R]. AIAA-98-0143.

[5] Robert F Ide. Icing cloud calibration of the NASA Glenn icing research tunnel[R]. AIAA-2001-0234.

[6] Robert F Ide. Comparison of liquid water content measurement techniques in an icing wind tunnel[R]. NASA /TM-1999-209643.

[7] Robert F Ide. 2006 icing cloud calibration of the NASA Glenn icing research tunnel[J]. NASA/TM-208-215177.

[8] 符澄. 結冰風洞霧化噴嘴的性能初步研究[C]//第四屆近代試驗空氣動力學會議論文集, 2013.

Fu Cheng. Preliminary performance research for icing wind tunnel spray nozzle[C]//The 4th Session of the Experimental Aerodynamics Conference, 2013.

[9] Wonho Kim, Hyungmin Kim Woongsup Yoon. Experiments on atomization characteristics of the flash swirl spray[R]. AIAA 2012-0176.

[10] Madan Mohan Avulapati, Ravikrishna Rayavarapu Venkata. Experimental studies on air-assisted impinging jet atomization[J]. International Journal of Multiphase Flow, 2013, 57: 88-101.

[11] Sanghoon Lee, Sungwook Park. Experimental study on spray break-up and atomization processes from GDI injector using high injection pressure up to 30MPa[J]. International Journal of Heat and Fluid Flow, 2014, 45: 14-22.

(編輯：楊 娟)

The atomization characteristics research for spray nozzle of icing wind tunne

Fu Cheng, Peng Qiang, Zhang Haiyang, Wang Chao

(Facility Design and Instrumentation Institute, China Aerodynamics Research and Development Center, Mianyang Sichuan 621000, China)

The icing cloud inside the icing wind tunnel test section is generated by the Spray Bar System (SBS) which is located at the wind tunnel settling chamber. The icing conditions such as the icing cloud liquid water content (LWC) and the water droplet size (MVD) are determined by the spray nozzle performance of SBS. In this paper, the droplet size distribution and the water flux of the small droplet spray nozzle used in the icing wind tunnel are measured on a spray testing platform by Phase Doppler Interferometer(PDI) and low flow rate flow-meter. The forward scattering method was used to optimize the quality of the PDI signal and the reliability of the result. The influence of the water pressure, the air pressure, their difference and the throttle pipe diameter on the atomization characteristics of the spray nozzle are investigated. The results show that: when the pressure difference between water and air increases, the MVD and water flow-mass also increases; as the diameter of throttle pipe of water is reduced from 0.4mm to 0.35mm, the range of pressure difference between water and air increases, and the coverage of the water practical size and flow mass can exactly meet the icing wind tunnel operation requirements. The water flow-mass ratio of the spray nozzle can reach 11.5 and the droplet diameter range can vary from 7μm to 70μm, which are better than the other similar icing wind tunnel spray nozzles in the world.

icing wind tunnel;spray nozzle;MVD;PDI;atomization

1672-9897(2015)02-0032-05

10.11729/syltlx20140058

2014-05-20;

2014-08-08

國家自然科學基金(11172314)

FuC,PengQ,ZhangHY,etal.Theatomizationcharacteristicsresearchforspraynozzleoficingwindtunnel.JournalofExperimentsinFluidMechanics, 2015, 29(2): 32-36. 符 澄, 彭 強, 張海洋, 等. 結冰風洞噴嘴霧化特性研究. 實驗流體力學, 2015, 29(2): 32-36.

V233.2+2; V211.74

A

符 澄(1982-)，男，江蘇如東人，工程師。研究方向：風洞氣動設計。通信地址：四川綿陽二環路南段6號(621000)。E-mail:fucheng111@sina.com

*通信作者 E-mail: fucheng111@sina.com