離心式壓力霧化噴嘴水力特性試驗

劉喜元，王　丹，劉銀水，陳　玲，王良武

(1.中國艦船研究設計中心，武漢 430064； 2.華中科技大學 機械科學與工程學院，武漢 430074)

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離心式壓力霧化噴嘴水力特性試驗

劉喜元1，王丹2，劉銀水2，陳玲1，王良武1

(1.中國艦船研究設計中心，武漢 430064； 2.華中科技大學 機械科學與工程學院，武漢 430074)

摘要：基于離心式壓力霧化原理設計4種霧化噴嘴，通過試驗對比分析不同幾何參數噴嘴在低壓條件下的流量、霧滴尺寸及其分布、出口速度和射程，獲得霧滴尺寸、霧滴出口速度和射程隨壓力、流量及噴霧角的變化規律。結果表明，離心式壓力霧化噴嘴在低壓條件下霧化性能良好、霧滴出口速度大、射程遠，可廣泛用于船舶滅火、隱身和降溫等領域。

關鍵詞：離心式壓力霧化噴嘴；幾何參數；水力特性；細水霧

通過噴嘴噴灑出水柱或水霧進行降溫、滅火、沖洗等在各行各業得到了廣泛的應用，特別是細水霧以其無環境污染、滅火迅速、耗水量低、對防護對象破壞性小等特點，在船舶消防領域展示出了廣闊的應用前景，已大量用于船舶機器處所和其他特定艙室的滅火，并且應用范圍在不斷擴大。根據供水壓力的大小將細水霧分為低壓、中壓和高壓細水霧3種，不同壓力下水霧的粒徑和水霧的覆蓋范圍有較大的區別。從本質上說，霧化是能量對液體作用的結果，但霧化過程中只有極少量的能量用于液體產生新的表面。對常用的壓力式霧化噴嘴而言，絕大部分壓力用于克服噴嘴內的摩擦阻力和轉化為霧滴的動能，用于克服液體表面張力而形成新表面的耗能不到15%[1]。對于不同的霧化機理，促使液體破碎分散的能量形式不同。根據霧化形式可分為離心力霧化、壓力霧化、氣流霧化、撞擊霧化、超聲波或靜電霧化等幾種，不同的霧化形式對噴嘴的結構有不同的要求。其中針對細水霧技術在船舶上的應用，一般采用離心力霧化、壓力式或氣流式霧化。離心力霧化也稱為圓盤霧化。當液體被送到高速旋轉的圓盤中心區時，在離心力作用下，液體伸展變為薄膜，并以不斷增長的速度向圓盤邊緣運動。液膜離開圓盤時與空氣摩擦，撕裂成霧滴。在圓盤霧化過程中，液膜是沿水平方向離開圓盤的，所得霧場形狀為空心的拋物面。

基于壓力式和離心式雙重霧化原理，設計系列離心式壓力霧化噴嘴。目前，對離心式壓力霧化噴嘴的研究大多針對高壓條件(通常為10 MPa)，而船舶液壓系統普遍在低壓條件(≤1.0 MPa)下工作，為了解離心式壓力霧化噴嘴在低壓條件下的水力特性，采用試驗的方法探討不同的幾何參數對噴嘴水力特性的影響，為離心式壓力霧化噴嘴的設計和應用提供試驗依據。

1噴嘴結構原理

離心式壓力霧化噴嘴霧化性能良好、結構簡單，被大量應用于高壓細水霧滅火系統、艦船紅外隱身系統及船舶降溫系統，其結構見圖1。

圖1　離心式壓力霧化噴嘴結構示意

離心式壓力霧化噴嘴主要由切向入口、流體旋轉室、軸向出口等組成，其基本特征在于噴嘴內有一個倒置的錐形旋轉室，切向入口、軸向入口分別位于錐形旋轉室大端和小端。

當流體以一定的初始速度沿切向進入錐形旋轉室后，根據旋轉流體運動動量矩守恒定律，旋轉速度與漩渦半徑成反比，因此，越靠近軸心，旋轉速度越大，靜壓力越小，結果在噴嘴中央形成一股壓力等于大氣壓的錐形氣芯，流體則變成繞氣芯旋轉的環形薄膜。在離心力作用下，噴嘴出口孔徑以內的流體靜壓能轉變為推動液膜向前運動的動能，從噴嘴高速噴出，液膜伸長變薄，最后分裂成小霧滴[2-3]。本文所討論的離心式壓力霧化噴嘴的噴霧效果見圖2。

圖2　離心式壓力霧化噴嘴噴霧效果

2噴嘴水力參數性能試驗

噴嘴水力特性分析，主要是分析噴嘴的壓力、流量、霧滴粒徑以及霧滴出口速度等參數之間的關系。

根據細水霧技術在船舶上的實際應用工況，對流量不同而噴霧角相同和流量相同而噴霧角不同的8 L/min-30°、8 L/min-50°、12 L/min-50°及16 L/min-50°噴嘴(見圖3)的水力參數進行測試。以8 L/min-30°噴嘴為例，8 L/min為噴嘴每分鐘的額定流量，30°為噴嘴的額定噴霧角。

圖3　離心式壓力霧化噴嘴

2.1試驗系統

為了驗證噴嘴的水力特性，搭建了小型試驗系統，用淡水(自來水)進行試驗，試驗系統組成見圖4。

1-蓄水池；2-手動調節閥；3-過濾器；4-高壓水泵；5-溢流閥；6-手動控制閥；7-壓力表；8-電子流量計；9-電磁閥；10-激光發射器；11-噴頭；12-高速攝像機；13-激光探測器圖4　噴嘴試驗系統

試驗用水取自蓄水池，由于水池是開敞式結構，通過過濾器濾除水中的的雜質，高壓泵的性能參數(流量≥5 m3/h，揚程≥120 m)滿足單個噴嘴的供水需求，通過手動調節可以調節進入噴頭的水流量，流量和壓力通過管路系統中的電子流量計和壓力表進行測量，噴頭供水的開啟和停止由電磁閥或手動控制閥控制。噴頭出水后，由激光發射器和激光探測器來測量噴水在不同流量、壓力下的霧滴尺寸及其分布。試驗系統還設有數據采集、分析設備，用以適時記錄出水流量、壓力、霧粒直徑、霧粒分布狀態。通過連接高速攝像機，測出噴嘴霧滴出口速度。

基于以上試驗系統研究噴嘴的流量-壓力特性曲線，通過對比試驗數據，得出不同幾何參數噴嘴的水力特性的變化規律。

2.2流量-壓力特性

噴嘴流量是噴嘴最為關鍵的參數之一，噴嘴流量-壓力特性是指通過噴嘴流量與工作壓力之間的關系，然而噴嘴結構尺寸對噴嘴流量-壓力特性有決定性的影響。諸多學者對離心式壓力霧化噴嘴進行了大量的理論分析和實驗研究[3-4]，總結如下。

將噴嘴口作為一個節流口，其流量與工作壓力之間的關系可表示為

(1)

式中：Cq——流量系數；

A0——噴嘴出水孔截面積；

Δp——進出口壓差；

ρ——液體密度。

其中，流量系數Cq是一個與結構尺寸有關的量綱一的量。

由式(1)可見，噴嘴出水孔的面積和噴嘴進出口壓差直接決定了噴嘴的流量，在噴嘴結構設計完成后，噴嘴的流量僅受噴嘴進出口的影響。利用搭建的試驗系統，通過手動調節閥調節管路系統的供水壓力(0.3，0.5，0.8，1.0 MPa)，再測量不同壓力下的流量，從而得出各噴嘴的流量-壓力特性曲線，見圖5。

圖5　流量-壓力特性

由圖5可見，不同流量、不同噴霧角的噴嘴，隨著壓力升高，通過噴嘴的流量均增加，且噴嘴流量隨壓力緩慢增加，但不同流量、不同噴霧角的噴嘴的流量隨壓力變化的趨勢基本相同。在相同壓力下，額定流量相同而噴霧角不同的噴嘴的流量變化不明顯。

2.3霧化質量分析

細水霧由于顆粒非常小、比表面積大，同水流相比更容易汽化，發生相變，從而吸收大量的熱量，降低物體表面的溫度[5]，其對船舶滅火、隱身和降溫都有著至關重要的影響。細水霧主要是通過噴嘴霧化水而產生的，噴嘴霧化是噴嘴的主要特性之一，因此，提高噴嘴霧化性能、實現均勻細小的霧滴粒徑是噴嘴研究的主要方向之一。

對離心式壓力霧化噴嘴，霧滴粒徑與噴嘴結構尺寸、工作參數均有直接關系，并且是個復雜的函數關系，許多學者也都建立了相應的經驗公式。其中有學者在綜合考慮液滴的粘度、密度、表面張力、結構尺寸、工作參數等情況下提出了霧滴平均粒徑SMD的關系式[6]，見式(2)，并與實際情況較為吻合。

(2)

式中：σ——液體表面張力系數，dyn/cm；

P——壓力，MPa；

μ——液體粘度系數，cP；

ρ——液體密度，g/cm3；

vd——流量，L/min；

KN——傅維標，無量綱(一般KN<1)；

d0——出口孔直徑，mm。

SMD隨壓力變化情況見圖6。

圖6　SMD隨壓力的變化情況

由圖6a)可見，霧滴粒徑隨噴嘴壓力增加而減小，隨噴嘴流量增加而增大。圖6a)中噴嘴平均粒徑SMD隨壓力增加而減小，這是由于壓力的增加，噴嘴出口速度增大，氣流對液滴的擾動增強，因此在較高的氣液速度下，霧滴粒徑更小；并且在壓力較低時，霧滴粒徑有較為明顯的區別。流量越小，霧滴粒徑越小，這是由于同樣的能量將更少的水霧化成霧滴，霧滴粒徑有所減小。

不同噴霧角的噴嘴平均粒徑SMD隨壓力的變化見圖6b)。在低壓時，霧滴粒徑有明顯的區別，噴霧角越大，霧滴粒徑越小，這是由于增大噴霧角，噴嘴出口直徑增大，霧滴軸向速度減小、徑向速度增大，氣液相對速度增大，霧滴粒徑減小，這與文獻[7-8]等的研究結論一致。

由圖6可見，霧滴粒徑隨壓力的增大而減小，并且霧滴粒徑在壓力較低時減少的速率比較快，在壓力大于0.5 MPa后減少的速率比較緩慢。

以美國國家消防委員會標準NFPA 750對細水霧的定義和分級[9]，本文討論的離心式壓力霧化噴嘴的霧滴尺寸在額定壓力下均處于細水霧范疇，且均為第二級細水霧，在壓力為1.0 MPa時，均能達到一級細水霧標準。

2.4霧滴出口速度分析

在船舶滅火、隱身和降溫過程中，霧滴速度是影響滅火、隱身和降溫效果的直接因素，速度越大，單位時間內通過的霧滴數量越多，在滅火時可供汽化的液滴越多，在冷卻時液體的表面積越大，所以其滅火、隱身和降溫的能力越好。

通過高速攝像機攝像并計算得出噴嘴霧滴出口速度，霧滴出口速度隨壓力的變化情況見圖7。

圖7　霧滴速度

噴嘴霧化是能量對液體作用的結果，壓力能通過克服摩擦阻力、液體表面張力、粘性力后轉換成液滴動能。在壓力較低時，霧滴出口速度小，這是由于低壓時表面張力克服了慣性力，液膜收縮成液泡，但在空氣動力作用下破碎成大液滴。因此，低壓狀態液滴出口速度小；隨著壓力的增加，慣性力增大，液膜在慣性力的作用下逐漸失穩，破裂成絲狀或帶狀，并與空氣相對運動劇烈，表面張力及粘性力的作用減弱，液膜長度縮短并扭曲，在氣動力作用下破碎成小霧滴，見圖8。因此，高壓時霧滴出口速度大。

圖8　離心式壓力霧化噴嘴霧化過程(壓力逐漸增加)

由圖8可見，霧滴速度隨噴霧角減小而增大，這是由于噴嘴出口主要起節流作用，噴霧角越小，噴嘴出口越小，流體徑向速度減小，軸向速度增加。

2.5射程分析

霧滴經噴嘴霧化生成后，在大氣中運動，其射程決定了噴嘴在船舶不同應用場合的配置、安裝位置以及實施效果。噴嘴射程隨壓力的變化情況見圖9。

圖9　射程變化

在霧滴運動中，霧滴受空氣阻力影響，速度會減小，其受力方程為：

(3)

式中：Cd為阻力系數；ρa為空氣密度；Aw為霧滴的截面面積；vd為霧滴速度。

阻力系數Cd是一個與雷諾數Re密切相關的系數，二者關系[10]見圖10。

圖10　液滴阻力系數與雷諾數的關系

分析可知，壓力增大，霧滴粒徑減小，霧滴速度增大，因此霧滴射程增大。從圖9a)可以看出，霧滴射程隨噴嘴的流量變化不明顯，這是因為壓力相同的情況下，噴嘴流量增加，霧滴粒徑增大，霧滴速度減小，霧滴所受阻力有所減小，因此霧滴射程隨流量變化不大。另外，從圖9b)得出，噴霧角越小，射程越大。由上述分析可以看出，噴霧角越小，霧滴軸向速度越大，霧滴粒徑也有所增大，因此霧滴射程也有所增大。

3結論

1)離心式壓力霧化噴嘴在低壓條件下霧化效果良好；霧滴粒徑隨壓力的增大而減小，并且霧滴粒徑壓力較低下降比較快，壓力大于0.5 MPa后變化較為緩和；當噴霧角相同時，流量越小，霧滴粒徑越小，且在低壓時區別較為明顯；當噴嘴流量相同時，低壓狀態中噴霧角越大，霧滴粒徑越小，高壓狀態霧滴粒徑隨噴霧角的變化不大。

2)離心式壓力霧化噴嘴霧滴速度大，并且壓力越大，霧滴速度越大；當噴霧角相同時，霧滴出口速度隨噴嘴流量增加而減小；當噴嘴流量相同時，噴霧角越小，霧滴速度越大。

3)壓力越大，霧滴射程越大，射程隨噴嘴流量變化不明顯。在噴嘴流量相同的情況下，噴霧角越小，射程越大。

試驗結果表明，在低壓條件下，離心式壓力霧化噴嘴水力特性優良，可廣泛用于船舶滅火、隱身和降溫等領域。

參考文獻

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[10] 章梓雄,董曾南.粘性流體力學[M].北京：清華大學出版社,1998.

Experimental Study on the Hydraulic Properties of Centrifugal Pressure Spray Nozzle

LIU Xi-yuan1, WANG Dan2, LIU Yin-shui2, CHEN Ling1, WANG Liang-wu1

(1 China Ship Development and Design Center, Wuhan 430064, China;2 School of Mechanical Science and Engineering, Huazhong University of Science and Technology, Wuhan 430074, China)

Abstract:Based on the principle of centrifugal pressure atomization, four kinds of spraying nozzle are designed. Through the tests the flow of nozzles with different geometric parameters, the size of mist drop and its distribution, the exit speed and the range are comparatively analyzed, so as to obtain the size and exit speed of mist drop, varied regulation of the range with pressure, flow and spray angle. The results showed that the centrifugal pressure spraying nozzle has the better atomization performance, the faster exit speed and the longer range of mist drop, it could be widely used in the fire fighting, stealth and cooling of the ship.

Key words:centrifugal pressure spraying nozzle; geometric parameter; hydraulic property; water mist

中圖分類號：U664.5

文獻標志碼：A

文章編號：1671-7953(2016)02-0100-05

第一作者簡介：劉喜元(1965-)，男，學士，研究員E-mail:364574447@qq.com

收稿日期：2016-01-06

DOI:10.3963/j.issn.1671-7953.2016.02.026

修回日期：2016-01-21

研究方向:船舶輔助系統總體技術