基于PDPA的雙流體撞擊式噴嘴霧化特性研究

陳 波 高殿榮 楊 超,2 毋少峰 王明哲

(1.燕山大學機械工程學院， 秦皇島 066004； 2.秦皇島首創思泰意達環保科技有限公司， 秦皇島 066004)

基于PDPA的雙流體撞擊式噴嘴霧化特性研究

陳 波1高殿榮1楊 超1,2毋少峰1王明哲1

(1.燕山大學機械工程學院， 秦皇島 066004； 2.秦皇島首創思泰意達環保科技有限公司， 秦皇島 066004)

使用自主搭建的一套基于相位多普勒粒子分析儀(PDPA)的開放式霧化試驗臺，開展了不同工況下雙流體霧化流場的測試試驗，研究了氣體流量和水流量對霧化特性(包括噴霧錐角、有效射程以及霧滴粒徑、速度、個數的分布)的影響。結果表明：隨著氣體流量的增大以及水流量的減小，噴霧錐角呈增大趨勢，霧滴的索特平均直徑(SMD)、速度以及個數均呈減小趨勢，而有效射程隨著氣體流量以及水流量的增大而增大；隨著軸向距離的增大，霧滴的SMD、速度以及個數均呈現增大的分布規律；隨著徑向距離的增大，霧滴的SMD呈增大的分布規律，而霧滴速度以及個數呈現先增大后減小的分布規律。氣體流量和水流量對噴嘴出口與振動頭之間區域的湍流程度、對沖現象有明顯影響，進而顯著影響霧化特性。當氣體流量為0.8 m3/h、水流量為35 L/h時，與優化前(氣體流量為0.95 m3/h、水流量為40 L/h)相比，SMD減小了21.50%，有效射程、霧滴速度、霧滴個數分別增加了10.26%、39.08%、61.54%，噴嘴霧化能耗降低的同時綜合霧化效果得到了提升。

霧化噴嘴； 雙流體； 相位多普勒粒子分析儀； 霧化特性

引言

雙流體霧化噴嘴作為超細水霧技術的載體之一，是眾多農機、環保等裝備的關鍵零部件，因具有適用范圍廣、霧化粒徑小、結構簡單可靠等優點越來越受到人們的重視[1-5]。由于雙流體之間存在著相互作用，使得霧化噴嘴在藥液噴灑、噴霧降塵的應用中面臨著諸多問題，如噴霧覆蓋范圍小、霧化量不穩定、霧化能耗高等。為了解決這些問題，目前國內外學者對雙流體霧化噴嘴展開了多方面的研究[6-15]。從目前的文獻資料分析，國內外對于雙流體噴嘴霧化特性方面的研究多圍繞直噴式和外混對噴式結構展開，關于撞擊式結構方面的研究較少。而雙流體撞擊式噴嘴在實際應用中也同樣存在著上述問題，掌握其霧化特性是提升霧化效果和降低能耗的一個關鍵所在。由于PDPA是目前世界上非接觸測量最先進的設備之一，已成為噴霧試驗的標準工具[16-17]，因此，筆者借助此先進設備自主搭建一套基于PDPA的開放式霧化試驗臺，進行關于雙流體撞擊式噴嘴霧化特性(包括噴霧錐角、有效射程以及霧滴粒徑、速度、個數的分布)的試驗，以期得到氣體流量和水流量對霧化特性的影響規律。

1 試驗設備及方法

1.1 試驗設備

搭建的雙流體撞擊式噴嘴霧化測試系統主要由噴霧控制系統和PDPA測量系統組成，如圖1所示。

圖1 霧化測試系統示意圖Fig.1 Schematic of atomizing test system1.空氣壓縮機 2、13.截止閥 3、11.減壓閥 4.蓄能器 5、10.流量計 6.雙流體噴嘴 7、9.壓力表 8.噴嘴固定座 12.穩壓罐 14.儲水箱 15.水泵 16.發射探頭 17.三維位移系統 18.氬離子激光器 19.接收探頭 20.分光器 21.PDPA信號處理器 22.計算機

噴霧控制系統主要用于雙流霧化試驗過程中工況的調節和監測。空氣壓縮機和水泵是系統的動力源，由截止閥控制管路通斷、減壓閥控制管路中的壓力，由壓力表和流量計監測管路中的壓力和流量。蓄能器和穩壓罐起吸收管路流體波動的作用。噴嘴固定座的兩側分別連接氣體管路和水管路并與雙流體霧化噴嘴連接。噴霧控制系統主要參數如表1所示。

表1 噴霧控制系統主要技術參數

PDPA測量系統為丹麥Dantec公司的三維光纖型相位多普勒系統，主要包括6 W的水冷氬離子激光器、BSA P80型的PDPA處理器、HiDense接收探頭、發射探頭、分光器、三維位移系統、光電轉換器以及計算機。其中，發射探頭與接收探頭軸線之間的夾角為73°，粒徑和速度的測量范圍分別為0.5～13 000 μm和0～500 m/s，兩者的測量精度均為0.5%，三維位移系統的移動精度為0.1 mm。

在封閉實驗室中，搭建的雙流體霧化試驗臺如圖2所示。試驗主要研究氣體流量和水流量對噴嘴霧化特性的影響，試驗相關參數如表2所示。

圖2 雙流體霧化試驗臺Fig.2 Experimental bench of twin-fluid atomizing test1.噴嘴固定座 2.水泵 3.接收探頭 4.激光器 5.計算機 6.分光器 7.空氣壓縮機 8.噴霧控制柜 9.發射探頭

參數氣體流量/(m3·h-1)水流量/(L·h-1)溫度/℃相對濕度/%壓力數值0.65～1.0025～4025±160～65常壓

1.2 試驗方法

以空氣和自來水作為工作介質進行雙流體霧化試驗，對不同工況下的霧化有效射程和噴霧錐角進行測試，同時對不同工況、不同空間測點上的霧滴粒徑、速度以及個數分布進行測試，每個測點持續測量時間為30 s。試驗中所采用的雙流體撞擊式噴嘴如圖3所示，壓縮空氣和自來水分別通過氣體通道和水流通道進入閥芯混合霧化，大量霧滴從雙流體出口噴出并撞擊出口前端的振動頭，實現二次霧化以提高霧化效果。試驗時每個測點均進行3次數據采集并以這3次數據的平均值作為試驗結果，以確保試驗的可重復性以及數據精度。

圖3 雙流體噴嘴示意圖Fig.3 Schematic of twin-fluid atomizing nozzle1.振動頭 2.雙流體出口 3.水流通道 4.閥芯結構 5.氣體通道 6.水進口 7.氣體進口

2 測量結果及分析

2.1 雙流體噴霧錐角

噴霧錐角指霧化流場外邊界間的夾角[18]，可作為霧化流場覆蓋范圍的衡量指標之一。選取與噴嘴距離400 mm的平面作為測試基準面，定義30 s采樣時間內采集到的霧滴個數低于30時為霧化流場外邊界上的點[19]，將此點與噴嘴出口中心的連線作為霧化流場外邊界線，通過計算過噴嘴中心軸線的平面上兩條外邊界線的夾角以確定噴霧錐角。

不同氣體流量和水流量對噴霧錐角的影響規律如圖4所示。不同的水流量下，噴霧錐角隨氣體流量變化的規律基本相似，隨著氣體流量的增大，噴霧錐角呈先緩慢增大，隨后迅速增大，最后趨于穩定的規律。當氣體流量在0.7～0.9 m3/h時，噴霧錐角呈增大趨勢，并且增大迅速，變化幅度達38.3%～50.1%，可見在此范圍內氣體流量的增大能極大地增加噴霧錐角，原因為氣體流量的增大引起了氣流速度的增大，使得氣流攜帶的霧滴速度增大，當高速霧滴撞擊振動頭時反彈，并與前進的霧滴高速對沖，導致了霧滴徑向速度的增加，從而引起了噴霧錐角的增大。而當氣體流量在0.65～0.7 m3/h時，噴霧錐角表現出緩慢增加的現象，這是因為此時的氣流速度相對較小，噴嘴出口與振動頭之間的對沖程度較弱，對霧滴徑向速度的影響也較弱，故噴霧錐角變化較緩慢。當氣體流量在0.9～1.0 m3/h時，噴霧錐角表現出逐漸穩定甚至有所減小的現象，這是由于此時的氣體流量較大，噴嘴霧化能力較強，霧滴粒徑較小，霧滴徑向速度雖然有所增加，但由于霧滴粒徑的減小導致了氣體流量對霧滴動量的影響減弱，同時霧滴粒徑的減小還導致了霧化錐形容易出現坍塌、飄散等現象，各因素的綜合作用導致了噴霧錐角不再增大，甚至在水流量較低時，噴霧錐角出現了減小的現象。

圖4 流量對噴霧錐角的影響Fig.4 Effect of flow on spray cone angle

此外，當水流量在25～40 L/h范圍內時，噴霧錐角隨著水流量的減小而增大，其原因為同等氣體流量下，水流量的減小使得霧化所消耗的氣流動能減少，導致噴嘴出口與振動頭之間的反彈對沖更劇烈，引起了霧滴徑向速度的增加，從而表現出噴霧錐角增大的現象。

2.2 雙流體霧化有效射程

根據2.1節中流場邊界的測量方法確定霧滴沿噴嘴軸線運動的最遠邊界，將此邊界與噴嘴出口的距離定義為霧化有效射程。不同氣體流量和水流量對霧化有效射程的影響規律如圖5所示。在不同的水流量下，氣體流量對霧化有效射程的影響規律基本相似，當氣體流量小于0.85 m3/h時，有效射程隨氣體流量增大而增大，當氣體流量大于0.85 m3/h時，其反而隨著氣體流量的增大而減小。由前面分析可知，氣體流量較大時，霧滴粒徑較小，導致霧滴軸向沖量不足，另一方面，由于粒徑較小，遠離噴嘴的霧滴沖量不足，更容易受空氣阻力的影響而沿徑向發散，從而導致軸向距離的減小。

圖5 流量對霧化有效射程的影響Fig.5 Effect of flow on atomizing range

另外，隨著水流量的增大，有效射程表現了增大的趨勢。假設水流量的增大能引起霧滴粒徑的增大，從而導致霧滴質量的增大，則在同等氣體流量的作用下，大粒徑霧滴所具有的動能更大，霧化的有效距離更遠。

噴霧錐角和有效射程均可作為流場覆蓋范圍的衡量指標，噴霧錐角越大，有效射程越遠，其霧化流場覆蓋范圍越大。綜合兩者考慮認為，氣體流量在0.85～0.9 m3/h、水流量在30～35 L/h時，噴嘴的霧化流場覆蓋范圍較大，額外增加氣體流量不僅對其影響不大，反而會導致噴霧系統的功耗以及維護成本增加。

2.3 雙流體霧化流場粒徑特性

霧化后，噴嘴噴出的霧呈圓錐形，為了更好地捕捉霧化空間中的霧滴，提高流場的空間測試效率，采用平面測點的信息近似替代空間信息的測量方法。根據所測不同工況下的噴霧錐角的最大值設定平面測量點，如圖6所示。為了更直觀地呈現霧化特性的空間分布情況，采用二維等高線形式表示霧化特性的分布[20-21]。其中采用索特平均直徑(SMD)作為噴霧持續期內測量點的霧滴平均粒徑測量值。

圖7 氣體流量對霧化粒徑空間分布的影響Fig.7 Effect of air flow on atomizing droplets diameter distribution

圖6 測量點布置示意圖Fig.6 Schematic of measurement points arrangement

以水流量35 L/h為例，研究了氣體流量分別為0.8、0.9、1.0 m3/h時SMD空間分布的規律，如圖7所示。

圖7中的x、y分別對應于噴嘴的徑向和軸向。不同氣體流量下，SMD空間分布規律基本一致，以圖7b為例進行分析可知，靠近噴嘴出口處的SMD最小，隨著軸向距離的增大(對應圖6中y的減小)，SMD呈增大趨勢，同時隨著徑向距離的增大(對應圖6中x方向)，SMD也呈增大趨勢，尤其是邊緣區域的SMD較大，沿噴嘴中軸線兩側SMD的變化規律較一致。出現這一現象的原因為靠近噴嘴處雙流體湍流極其劇烈，霧化作用強烈，表現為SMD較小，而霧滴遠離噴嘴的過程中會與自身和環境發生傳熱、傳質現象并同時伴隨著碰并、凝聚等物理過程，導致了SMD的增大。另外，靠近噴嘴處的小霧滴由于動量較小，難以到達兩側邊緣，因此也會導致出現噴霧邊緣SMD增大的現象。圖7a與圖7c也呈現了同樣的規律。

隨著氣體流量的增加，流場中的SMD分布總體呈現出減小的趨勢，小粒徑的區域在向著遠離噴嘴的方向擴散，SMD為10 μm以下的區域面積逐漸增大，表明噴嘴的整體霧化效果在提升，粒徑分布得到一定程度的改善。這是因為氣體流量的增大引起了噴嘴內部雙流體湍流加劇，同時也加劇了噴嘴出口與振動頭之間的霧滴對沖現象，兩者共同促進了霧滴的破碎，提高了霧化效果。可見氣體流量的增大，在一定程度內有利于SMD的減小，對霧化效果的提升具有積極作用。

圖8 水流量對霧化粒徑空間分布的影響Fig.8 Effect of water flow on atomizing droplets diameter distribution

以氣體流量0.8 m3/h為例，研究了水流量為30、35、40 L/h時SMD空間分布的規律，如圖8所示。不同水流量下，SMD空間分布規律類似，表現出靠近噴嘴出口的SMD小，而遠離噴嘴出口的SMD大的現象。另外，從圖中還能看出大粒徑的霧滴更容易向徑向偏移，徑向粒徑變化梯度大，而軸向的粒徑變化梯度相對較小，這是由噴嘴出口與震動頭之間區域的對沖現象造成的，水流量較大時，SMD較大，對沖使得霧滴碰撞后的徑向速度增大，呈“擠壓擴散”狀，從而引起大粒徑霧滴的動能增加，更容易運動到外側，由此出現上述現象。

對比圖8a、8b、8c可以看出，隨水流量的增大，流場中的SMD分布總體呈現增大的趨勢，噴嘴的霧化效果在惡化，尤其是當水流量為40 L/h時，空間中接近一半區域的SMD均超過了60 μm。這與2.1節關于噴霧錐角隨水流量變化的分析一致，證明了上述假設的正確性。造成這一現象的原因為氣流動能一定時，水流量的增大造成了霧化能力的不足，霧滴破碎、分裂變得困難，霧化速度變得緩慢，從而導致了霧化粒徑的增大。

2.4 雙流體霧化流場速度特性

由于雙流體噴嘴結構中的振動頭對軸向速度影響較大，因此本節重點分析流場中霧滴的軸向速度在空間中的變化規律，以下分析中的速度均指軸向速度。以水流量35 L/h為例，研究了氣體流量分別為0.8、0.9、1.0 m3/h時霧滴軸向速度空間分布的規律，如圖9所示。可以看出速度沿中心軸線遠離噴嘴的方向逐漸減小。兩側的速度分布規律較明顯，從中心到外側的徑向方向上的霧滴速度呈現出

先增大后減小的變化規律，在噴霧的邊緣和遠離噴嘴的下游，軸向速度衰減較大。綜合以上現象分析其原因為，雖然噴嘴出口處的振動頭對霧化具有積極作用，但同時也對霧滴的軸向速度造成一定的影響，引起了中軸線附近區域的霧滴軸向速度受阻減小，從而表現出中軸線附近速度小的現象。由于噴霧過程中，邊緣處的霧滴所受空氣阻力最大，速度的衰減也最快，而介于中軸線與邊緣之間的區域由于只受到霧滴之間的相互阻礙，因此速度衰減較緩，另外，越靠近邊緣的霧滴所受到的影響越大，故形成了從中心到邊緣的梯度減小的變化。

對比圖9a、9b和圖9c可以看出，隨氣體流量的增加，流場中的霧滴速度分布總體呈現減小的趨勢，結合SMD隨氣體流量變化的規律分析可知，氣體流量的增大會引起SMD的減小，同時，氣體流量的增大也會加劇噴嘴出口與振動頭之間的霧滴對沖現象，造成霧滴流場的湍流更加劇烈，霧滴之間的摻混現象嚴重，加之霧滴粒徑較小，極容易受到流場波動的影響，霧滴的速度衰減更快，因此造成氣體流量大霧滴速度小的現象。

圖9 氣體流量對霧滴速度空間分布的影響Fig.9 Effect of air flow on droplets velocity distribution

以氣體流量0.8 m3/h為例，研究了水流量分別為30、35、40 L/h時霧滴軸向速度空間分布的規律，如圖10所示。不同水流量下，霧滴速度的空間分布規律類似，呈現出沿中心軸線遠離噴嘴的方向逐漸減小且沿徑向先增大后減小的變化規律，此現象的原因已在前面進行了分析。

圖10 水流量對霧滴速度空間分布的影響Fig.10 Effect of water flow on droplets velocity distribution

對比不同的水流量可以明顯看出，水流量的增大引起了流場中霧滴速度總體的增大。此現象的原因可能是霧滴移動所需要的能量較霧滴破碎、分裂的低，在此工況下，噴嘴霧化能力的不足導致了霧滴更傾向于移動而非破碎，從而出現了水流量增大，霧滴速度和SMD均增大的現象。

2.5 雙流體霧化流場霧滴個數特性

霧滴個數是指霧化的霧滴在采樣時間內通過采樣點的個數，能反映霧滴破碎、分裂的能力，可以此作為霧化量的衡量指標。以水流量35 L/h為例，研究了氣體流量分別為0.8、0.9、1.0 m3/h時霧滴個數空間分布的規律，如圖11所示。圖中沿中心軸線兩側的霧滴個數分布規律明顯，與上述霧滴速度變化規律類似，沿中心軸線的霧滴個數逐漸減少，而從中心到外側的徑向方向上的霧滴個數也呈現出先增大后減小的變化規律，這一現象的出現再次說明噴嘴出口處的振動頭對霧滴空間分布造成了一定的影響，引起中軸線附近區域的霧滴運動受阻，導致采樣點通過的霧滴個數減少，同時也驗證了前面分析的正確性。除了中心軸線附近區域的霧滴個數出現減

少的現象，其他區域的霧滴個數在徑向方向上也表現出依次減小的趨勢，在噴霧邊緣處霧滴個數大幅減小，這與邊緣處的空氣卷吸現象有很大關系。對比3種不同的空氣流量可以看出，隨著氣體流量的增加，流場中的霧滴個數分布總體呈現出減小的趨勢，結合前面速度分析可知，氣體流量的增大引起了霧滴速度的減小，導致了單位時間內通過采樣點的霧滴個數減少，霧化效率有所降低。

以氣體流量0.8 m3/h為例，研究了水流量分別為30、35、40 L/h時霧滴個數空間分布的規律，如圖12所示。圖中沿中心軸線兩側的霧滴個數分布規律較明顯，從中心到外側的徑向方向上的霧滴個數也同樣出現先增大后減小的變化規律。對比不同的水流量可以看出，水流量的增大引起了流場中霧滴個數分布總體的增大，說明水流量的增大對霧化量的提升具有顯著影響。

圖11 氣體流量對霧滴個數空間分布的影響Fig.11 Effect of air flow on droplets numbers distribution

圖12 水流量對霧滴個數空間分布的影響Fig.12 Effect of water flow on droplets numbers distribution

2.6 雙流體霧化特性綜合分析

通過以上分析可以看出，氣體流量和水流量對雙流體撞擊式噴嘴的霧化特性有明顯的影響，結合整體霧化特性考慮認為，當氣體流量為0.8 m3/h、水流量為35 L/h時，噴嘴的綜合霧化效果較好。由上述霧化特性分布規律可知，流場中間區域的霧化特性較其他區域穩定，故以沿噴嘴中心軸線、距離噴嘴出口400 mm處的測點為例，在優化前后的2種不同工況下，對比霧滴SMD、速度以及個數的變化，并結合噴霧錐角和有效射程進行對比分析，霧化特性對比結果如表3所示。其中，優化前的氣體流量為0.95 m3/h、水流量為40 L/h。

通過優化后，氣體流量和水流量分別減小了15.79%和12.50%，霧化能耗降低。由表3可以看出，除了噴霧錐角減小了7.28%而變差外，其他特性參數均得到了不同程度的優化，有效射程增加了10.26%，SMD減小了21.50%，霧滴速度和霧滴個數分別增加了39.08%和61.54%，噴嘴的綜合霧化效果得到了提升。

表3 霧化特性對比

3 結論

(1)氣體流量的增大有利于噴霧錐角和有效射程的增大，但當氣流量大于0.85 m3/h時，有效射程反而減小；水流量的增大有利于有效射程的增大但卻不利于噴霧錐角的增大。

(2)SMD隨著軸向、徑向距離的增大呈增大的趨勢，噴嘴出口處SMD最小，邊緣區域SMD較大；氣體流量的增大以及水流量的減小均有利于SMD減小，引起了小粒徑區域面積的增大，噴霧效果得

到提升。

(3)霧滴速度和霧滴個數分布規律較一致，沿中心軸線呈現出逐漸減小的趨勢，而沿徑向呈現出先增大后減小的趨勢；水流量的增加有利于霧滴速度和霧滴個數的增大，而氣體流量的增加卻有相反的效果。

(4)氣體流量和水流量對噴嘴出口與振動頭之間區域的湍流程度、對沖現象有明顯的影響，進而顯著影響了噴嘴的霧化特性。

(5)在所研究工況范圍內，當氣體流量為0.85～0.9 m3/h、水流量為30～35 L/h時，噴嘴霧化流場覆蓋范圍較大；結合整體霧化特性進一步考慮，當氣體流量為0.8 m3/h、水流量為35 L/h時，較優化前(氣體流量為0.95 m3/h、水流量為40 L/h)，氣體流量和水流量分別減小了15.79%和12.50%，而SMD減小了21.50%，有效射程、霧滴速度以及霧滴個數分別增加了10.26%、39.08%和61.54%，噴嘴霧化能耗降低的同時綜合霧化效果得以提升。

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Atomizing Characteristics of Twin-fluid Impact Nozzle Based on PDPA

CHEN Bo1GAO Dianrong1YANG Chao1,2WU Shaofeng1WANG Mingzhe1

(1.CollegeofMechanicalEngineering,YanshanUniversity,Qinhuangdao066004,China2.QinhuangdaoCapitalStarlightEnvironmentalTechnologyCo.,Ltd.,Qinhuangdao066004,China)

In order to improve the atomizing performance and decrease the consumption, the effect of air flow and water flow on the atomizing characteristics of twin-fluid impact nozzle was researched, the twin-fluid atomizing flow field was tested under different working conditions by an open atomizing test bench which was based on phase Doppler particle analyzer (PDPA). The atomizing characteristics which included spray cone angle, atomizing range, droplets diameter distribution, droplets velocity distribution and droplets numbers distribution were analyzed systematically according to the test results. It could be concluded from the test results, with the increase of air flow and decrease of water flow, the spray cone angle was increased remarkably, the droplets Sauter mean diameter (SMD), droplets velocity and droplets numbers were decreased, but the atomizing range showed an increasing trend with the increase of air flow and water flow. The distributions of droplets SMD, droplets velocity and droplets numbers were increased along the axial direction. Moreover, the distribution of droplets SMD was increased while the droplets velocity and droplets numbers were increased firstly and then decreased along the radial direction. Furthermore, the turbulence and hedging in the region between the nozzle exit and vibrating head were affected obviously by the air flow and water flow, and then the atomizing characteristics was markedly influenced. The air flow and water flow were decreased by 15.79% and 12.50%, respectively, after optimization when they were 0.8 m3/h and 35 L/h, meanwhile, the SMD was decreased by 21.50%, the atomizing range was increased by 10.26%, the droplets velocity and droplets numbers were increased by 39.08% and 61.54%, and it can be concluded that the atomizing performance was improved and the consumption of the nozzle was decreased.

atomizing nozzle； twin-fluid； phase Doppler particle analyzer； atomizing characteristics

10.6041/j.issn.1000-1298.2017.04.048

2016-08-08

2016-09-19

國家自然科學基金項目(51375421)、國家重點研發計劃項目(2016YFC0206000)和河北省研究生創新項目(2016SJBS008)

陳波(1990—)，男，博士生，主要從事流體機械設計和數值模擬與優化研究，E-mail： flygo230@163.com

高殿榮(1962—)，男，教授，博士生導師，主要從事CFD、PIV與新型流體元件研究，E-mail： gaodr@ysu.edu.cn

S491; TQ027.3+2

A

1000-1298(2017)04-0362-08