高背壓對氣泡霧化霧化錐角的影響

李若燦（華中科技大學煤燃燒國家重點實驗室，湖北　武漢　430074）

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高背壓對氣泡霧化霧化錐角的影響

李若燦
（華中科技大學煤燃燒國家重點實驗室，湖北武漢430074）

摘要：在背壓0.4MPa～4.1MPa的條件下進行氣泡霧化試驗，研究了氣泡霧化的霧化角在噴射速度20m/s～27m/s、氣液質量比（GLR）4%～10%、背壓0.4MPa～4.1MPa范圍內的變化規律。試驗結果顯示：噴射速度和GLR的增大都能使得霧化角增大，背壓不同時也一樣。在背壓較低時，隨著背壓的增大霧化角變小，而當背壓增加到一定程度以后出現拐點，隨著背壓的增大霧化角也增大，拐點大概是在1.1MPa左右。

關鍵詞：高背壓；霧化錐角；氣液質量比

0. 前言

氣泡霧化的思想最早在20世紀80年代末由Lefebvre等人首先提出，在氣泡霧化中被壓縮的霧化氣體以某種適當的方式注入到液體中，液體和氣體在混合室內形成泡狀流，在離開噴嘴出口之后由于壓力的劇烈變化，氣泡的體積發生變化促使液滴發生破碎來達到良好的霧化效果。氣泡霧化的優點是它在低負荷時也能達到很好的霧化效果。

霧化角的大小是噴嘴噴霧特性的一個重要的指標，一些研究者也開始研究氣泡霧化在帶壓環境下的霧化角變化規律。Chen［2］等人對背壓在0.101MPa～0.791MPa范圍氣泡霧化角的研究表明：在背壓低于0.5MPa時，霧化角隨GLR的增大而增大，在背壓高于0.5MPa時趨勢是降低的。Sovani［3］等人將背壓范圍擴大到0.27MPa～5.5MPa，他的實驗結果表明：在其他條件不變的情況下，背壓在0.27MPa～0.78MPa時霧化角隨背壓的增大而減小，背壓繼續上升到1.5MPa時，霧化角基本保持不變，而當背壓高于1.5MPa時，霧化角開始隨著背壓的增大而增大。

目前國內關于氣泡霧化的噴霧特性研究主要集中在噴霧粒徑等方向，對霧化角的關注度相對較少。本文主要研究高背壓下背壓和GLR對噴嘴霧化角的影響。

圖1　GLR對霧化角的影響

1. 實驗系統及裝置

實驗系統包括供水系統、高壓系統、供氣系統和數據采集系統四部分。實驗所用氣泡霧化噴嘴氣體從槍中心管進入，液體走管外，二者在混合室內混合形成氣液兩相流動，經過出口孔噴出并完成霧化，噴嘴孔徑1.0mm，孔厚度為7mm。

本實驗使用水作為被霧化的液體，壓縮空氣作為霧化氣體，實驗在常溫下進行，水的主要物性參數為：密度r=998.2kg/m3，粘度h=100.5×10-5Pa·S，表面張力s=72.6×10-3N/m。實驗過程中通過控制水流量的方法控制水的噴射速度在20m/s～27m/s，通過氣體質量流量計和液體質量流量計控制GLR從4%變化到10%，背壓范圍0.4MPa～4.1MPa（本實驗所有壓力均為絕對壓力）。對霧化角的測量方法是依據拍攝的照片描繪出噴霧的外部輪廓，然后再計算霧化角的大小，為了減小誤差，取多幅照片的平均值。

圖2噴射速度對霧化角的影響

2. 實驗結果與分析

本實驗中采用了3個氣液比GLR=4%、7%、10%，兩個噴射速度20m/s和27m/s以及10個背壓0.4MPa、0.6MPa、0.8MPa、1.0MPa、1.6MPa、2.1MPa、2.6MPa、3.1MPa、3.6MPa和4.1MPa，得到了50組實驗工況下的噴霧照片。將這些照片處理后得到的噴霧霧化角數據如圖1和圖2所示。

2.1GLR對霧化角的影響

圖1給出了GLR與霧化角的關系曲線，可以看出，在本實驗中當射流速度和背壓一樣時霧化角隨著GLR的增大有明顯增大。出現這種現象的原因是當液體的流量保持不變時，GLR的增大意味著在兩相流內有更多的氣泡產生，越多的氣泡隨著液體噴出噴嘴氣泡破裂的總能量就越大，使得液體被氣泡的能量破碎得更細，送得更遠，所以使霧化角隨著GLR的增大而增大。

2.2噴射速度對霧化角的影響

圖2給出了噴射速度與霧化角的關系曲線，可以看出噴射速度對霧化角的影響較小，在兩種速度下霧化角的差別不是太大，但總體上霧化角隨著射流速度的增大也略有增大，這主要是因為氣泡在高速的流體中更加容易破裂，高流速下氣泡破裂的數量比低流速下要多，從而能夠把液體炸開得更加發散一些，使得霧化角變大。

2.3背壓對霧化角的影響

圖1和圖2都反映出了背壓對霧化角的影響，可以看出：在低背壓的條件下，大概是1.1MPa以下時，霧化角是隨著背壓的增大而減小的；而背壓到了1.1MPa以上時，霧化角的變化規律發生了變化，正相反，霧化角又隨著背壓的增大而增大。在低背壓時，隨著背壓的增大，噴嘴出口處的壓降相對減小，這抑制了氣泡破裂的動力，氣泡破裂的數量減少從而導致霧化角的減小；而到背壓高到一定程度后霧化角的變化曲線產生拐點，可能是因為背壓的增大導致了噴嘴內部氣液兩相流動流型的變化，由于氣體的可壓縮性遠遠高于液體，所以隨著背壓的升高氣體的通流面積越來越小，使得液體往中間集中而氣體包裹在液體的外邊，氣體的擴散性要高于液體，所以導致了噴嘴出口的霧化角的增大。

結論

（1）在其他條件不變時，霧化角會隨著GLR的增大和噴射速度的增大而增大；其中GLR對霧化角的影響比較大，噴射速度對霧化角的影響較小。

（2）在低背壓的條件下，霧化角是隨著背壓的增大而減小的，到高背壓的條件時，霧化角又隨著背壓的增大而增大。發生這種先減小后增大的規律的變化的拐點值在1.1MPa附近。

參考文獻

［1］LefebvreAH，WangXF，MartinCA. Spraycharacteristicsofaerated-liquidpressure atomizers［J］.JournalofPropulsionandPower，1988，4（4）：293-298.

［2］ChenSK，LefebvreAH.Sprayconeangles ofeffervescentatomizers［J］.Atomizationand sprays，1994，4（3）：291-301.

［3］SovaniSD，ChouE，SojkaPE，etal.High pressureeffervescentatomization：effectof ambientpressureonsprayconeangle［J］.Fuel，2001，80（3）：427-435.

中圖分類號：S491

文獻標識碼：A