低壓霧化噴頭水力性能試驗研究

張林國，朱興業，胡 廣，李揚帆，袁壽其

(江蘇大學流體機械工程技術研究中心，江蘇 鎮江 212013)

0 引 言

在生產生活中霧化技術有著十分廣泛的用途，如機械燃料燃燒，農業生產和醫學治療等方面[1-3]。在工業生產中，通過高壓(1～8 MPa)機械式霧化噴頭噴灑水霧來進行降溫、沖洗、滅火等應用廣泛，在農業生產中一般用于霧化施藥，霧化噴灌，在農業霧化加濕方面一般用于保鮮運輸，水稻保持水分方面[4-7]。

在霧化加濕方面，霧化質量指標是霧化噴嘴霧化性能的重要參考，霧化質量指標包括噴霧錐角、噴霧射程、霧滴的分布特性、霧化顆粒細度等[8]，影響噴霧特性的因素有噴嘴出口壓力、液體本身物理性質和噴嘴幾何尺寸等。國內外學者針對霧化特性進行了大量的研究。田坤等[9]對研制的平移式噴灌機組進行工作壓力為0.07 MPa試驗研究，對噴灌液滴尺寸進行分析并驗證了平移式噴灌機組較高的噴灌均勻性。鄔長福等[10]通過對壓力在0.1～0.5 MPa下對以水為介質的hyd型低壓除塵噴嘴的研究，分析了不同壓力對0.4、0.5、0.8 mm直徑噴嘴的霧化角、霧化粒徑大小及分布的影響。陳波等[11]通過對不同工況下雙流體霧化流場的測試，研究了氣體流量和水流量共同作用下的霧化特性。劉俊萍等[12]采用激光雨滴譜儀測量技術對全射流噴頭的噴灑水滴速度及直徑等參數進行測量，總結出在0.15～0.35 MPa壓力工況下的水滴頻率分布及水滴累計頻率分布的變化規律。M Mlkvik等[13]利用高速攝影技術對雙流體霧化器進行研究，分析了內部氣體流動和黏性液體的噴霧特性。呂名禮等[14]研究了噴嘴直徑為1.2和1.4 mm的微噴頭在0.25、0.3和0.35 MPa下流量、射程等水力性能的變化規律。

綜上所述，目前關于霧化噴頭的研究大多數基于較高壓力，能耗較大，噴頭在低壓(0.15 MPa以下)工作條件下，噴頭射流成水柱或水滴狀，不能很好地形成液滴碎化，霧化效果較差。目前國內外針對低壓霧化研究較少，本文通過對低壓射流噴頭在低壓條件下的流量、霧化角和霧滴粒徑霧化性能進行理論試驗研究，為研究低壓條件下的低壓霧化噴頭提供理論和試驗指導。

1 材料與方法

1.1 噴頭試驗設備

本文進行的試驗在江蘇大學噴灌實驗室進行，該實驗室(直徑44 m，高18 m)為室內噴灌室，無風條件良好，滿足在低壓0.15 MPa以下的低壓精細霧化噴頭的實驗要求。實驗裝置如圖1所示,包括霧化系統、圖像采集系統和水回收系統三部分。本文為了獲取低壓條件下霧化噴嘴的霧化特性，試驗選擇了0.05、0.08、0.11和0.14 MPa壓力對噴孔直徑為0.3、0.5、0.8和1.0 mm的噴嘴進行試驗。本文以清水為霧化介質，由于本文所選用的低壓精細噴嘴孔徑太小和自吸泵提供的壓力水有很好平衡，采用兩個閥門共同控制。在噴嘴處，其上端自帶網狀過濾網以避免水中些許雜質堵塞噴嘴進而影響試驗。壓力調節大小由杭州米科傳感技術有限公司生產的數顯壓力表Mik-Y190(精度為1KPa)讀取，通過奧林巴斯i-SPEED 3 高速攝像機進行霧化圖像的采集。

試驗選用的低壓精細霧化噴嘴設計壓力在0～2 MPa之間，流量取決于噴嘴孔徑和試驗采用的壓力大小。結構圖如圖2所示，工作原理是水流經過自吸泵的加壓經過管路輸送到噴嘴，經過過濾網的過濾，水流經過切面入口進入底端旋轉室高速旋轉，經過噴嘴噴出，形成液滴的破碎達到霧化。為了研究在低壓條件下噴嘴的霧化加濕效果，本文通過研究噴嘴不同參數下的霧化特性，從而掌握低壓精細噴嘴的工作過程，為低壓條件下霧化噴嘴加濕技術提供理論依據。

圖1 試驗裝置圖Fig.1 The sketch of experimental device

圖2 低壓精細噴嘴結構示意圖Fig.2 The structure of low-pressure nozzle

1.2 低壓噴頭流量的測定

噴嘴流量是霧化噴嘴的關鍵參數之一，流量越大，霧化液滴數目較多，有利于加濕降溫。本文采用的噴嘴霧化流量小，為了驗證流量計讀取數據的準確性，本試驗采用了質量法進行測定,進行單位換算。通過調節壓力并且通過10 min壓力穩定時，用已知質量的小桶直接對準噴嘴出口，進行水霧收集，并且達到霧化液滴全部落入小桶中，防止液滴飄失影響結果。同時用秒表計時器進行計時，將收集到的水霧通過精度為0.1g的電子稱量計進行測定并記錄。為了減小誤差，本試驗在一個壓力下進行三組試驗數據的加權平均，從而根據霧滴質量和收集時間獲取不同壓力下的噴嘴的流量參數。對試驗測得的數據進行曲線擬合分析并與理論公式進行對比，根據流體力學的射流理論知識[15]有：噴頭的圓形噴孔的流量計算公式為：

(1)

式中：Q為噴頭流量，m3/s;CD為噴頭的流量系數；P為噴頭的工作壓力，Pa；d為噴頭孔徑的直徑，m；ρ為水的密度，kg/m3。

1.3 噴嘴霧化角的測定

霧化角對霧化范圍的大小有顯著的影響，霧化角較大，液滴分散度較低，霧化特性較穩定[16]，試驗采用的低壓精細霧化噴頭默認霧化角度在60°～80°之間。本試驗通過在霧化噴嘴的霧化區域后面放置一塊黑布作為背景，進行打光形成一束光線，用高速攝影機進行噴嘴在各個工況下的噴霧角的正投影，利用圖片處理軟件和MATLAB軟件編程進行圖像的類型轉換和圖像邊緣線的獲取[17]，通過編寫程序對兩條擬合線的夾角進行提取,進而得到霧化角度。

圖3 霧化角度處理過程Fig.3 Process of calculating atomization angle

1.4 霧化液滴尺寸的確定

霧化液滴在實際試驗中顆粒直徑非常小，同水流相比更容易氣化，并且霧化液滴粒徑是研究噴嘴霧化性能、實現噴嘴霧化均勻性的重要研究方面之一。

對于霧化液滴粒徑的分析，眾多學者根據噴嘴不同結構尺寸、不同工作參數建立了相應的經驗公式，針對本文研究的霧化噴嘴借助理論公式對噴嘴霧化液滴尺寸進行初步分析。其中Tanasawa[18]根據液體表面黏力系數、液體黏度系數、液體密度、流量等建立了霧滴平均粒徑SMD的關系式，并與實際情況較為吻合。如式(2)所示：

(2)

式中：σ為液體表面張力系數，dyn/cm；P為壓力，MPa；μ為液體黏度系數，Cp;ρ為液體密度，g/cm3；vd為流量，L/min;KN為傅維標，無量綱(一般小于1)；d0為出口孔直徑，mm。

2 結果與討論

2.1 霧化流量特性分析

圖4為不同孔徑噴嘴在不同壓力下的流量曲線，噴頭的流量隨壓力變化的曲線呈現著線性變化的一般規律，符合公式(1)中的理論分析。

從圖4中可以看出：同一孔徑的噴嘴隨著壓力的增加，噴嘴流量呈線性增加，流量增加的幅度范圍為10.51%～23.40%。這是因為隨著工作壓力增大，噴嘴結構與外界壓力阻礙作用減小，噴嘴流量增大。在相同工作壓力下，隨著噴嘴直徑的增加，噴嘴流量呈線性增加，流量增加的幅度范圍為20.42%～306.97%。這是因為隨著噴嘴直徑的增大則過流面積增大，在相同的噴射流速下時，噴嘴流量必然增大。

圖4 噴頭流量特性曲線Fig.4 Flow rate curve of the nozzle

在不同噴嘴直徑的情況下，流量隨工作壓力的變化率并不相同(本文分別回歸總結出各噴嘴直徑試驗所得到流量與工作壓力的關系如表1所示)。從表1中可以看出，孔徑0.3 mm的噴嘴與孔徑0.5 mm的噴嘴壓力流量曲線變化平緩，在低壓(0.14 MPa以下)條件下流量變化率分別為133.306%、270.250%，遠小于孔徑0.8 mm的噴嘴和孔徑1.0 mm噴嘴的流量變化率727.772%、1 229.833%。這是由于隨著壓力的增大，孔徑較小的噴嘴較大地受著結構阻力以及水流黏性系數等因素的影響，流量變化的幅度不夠明顯；孔徑越大時，噴射水流可有效地克服噴頭的結構阻力等因素，工作壓力將直接決定著噴頭流量。因此，孔徑0.8 mm與1.0 mm的噴嘴的流量變化率要明顯大于孔徑0.3 mm與0.5 mm的噴嘴。

表1 流量與壓力公式Tab.1 Formula of flow rate and pressure

注：Q為流量；P為壓力。

2.2 噴嘴霧化角的分析

通過MATLAB軟件對霧化角圖像進行處理，得到霧化角與壓力的關系曲線，如圖5所示。孔徑0.3 mm的噴嘴在0.15 MPa以下壓力下，射流成水柱狀，不能形成較大的霧化角，霧化效果不理想，故在本文中沒有呈現此噴嘴的霧化試驗圖像。然而孔徑0.5、0.8和1.0 mm三種噴嘴霧化角在壓力的較小時，霧化角度較小，壓力持續增大時，霧化角度增大。

圖5 噴嘴霧化角特性曲線Fig.5 Atomization angle curve of the nozzle

在同一個壓力下，孔徑0.8和1.0 mm噴嘴霧化角度明顯大于孔徑0.5 mm噴嘴，幅度范圍在75.05%～128.65%和79.20%～131.61%之間。這是由于孔徑較大，流量較大，容易克服表面張力和黏滯力阻礙，更好的形成錐形霧狀噴出；同一孔徑的噴嘴，孔徑0.8和1.0 mm噴嘴噴霧角曲線變化率隨著壓力增大趨于平緩，而孔徑0.5 mm噴嘴隨著壓力增大變化率增大，是由于壓力未達到噴嘴霧化要求的壓力。孔徑1.0 mm噴嘴霧化角度稍大于孔徑0.8mm噴嘴，幅度范圍在1.30%～2.44%。這是由于在相同壓力下，孔徑1.0 mm噴嘴的孔徑適合此壓力范圍，能夠達到較好的霧化角度。

孔徑0.8和1.0 mm噴嘴和形成截面成環狀的錐形液膜射流，試驗圖像如圖6所示。在外界壓力作用下，表面形成振動波，在液膜頂端形成線狀的射流，孔徑0.8 mm噴嘴在壓力為0.08 MPa時，液膜射流受到空氣壓力的擾動，在噴嘴下方附近集聚成線狀射流，然后經過二次破碎形成大量細小液滴，孔徑0.8 mm噴嘴在0.05 MPa壓力下，液滴形成過程與壓力0.08 MPa時相同，但是集聚形成線狀射流的點距噴頭的距離明顯小于0.08 MPa壓力時的噴嘴，百分比為36%。在集聚成射流之后，液滴尺寸明顯增大，霧化效果不顯著，造成噴嘴在此壓力下形成線狀射流。孔徑0.5 mm噴嘴在壓力為0.14 MPa時，射流分散并沒有形成線狀射流，隨著壓力的減小，在壓力為0.11 MPa時有形成線狀射流的趨勢，并分散成大量細小液滴。在0.08 MPa壓力以下，在噴嘴下方開始集聚成線狀射流的距離噴嘴口的距離明顯小于孔徑0.8 mm的噴嘴，百分比為64%與62.5%。這是由于孔徑較小時，流量較小，液膜受到外界擾動較大，不能很好地形成霧化效果。

圖6 噴嘴霧化試驗圖Fig.6 Atomization experiments of the nozzle

2.3 霧化液滴尺寸分析

由經驗公式(2)計算霧化液滴尺寸有表2所示，同一孔徑的噴嘴，隨著壓力增大霧滴平均粒徑減小，是由于在壓力增大時，液膜射流收到外界壓力擾動較小，液體出口速度較大。在經驗公式(2)中可知，噴嘴速度與噴嘴孔徑和壓力成反比，針對低壓條件下，四個不同孔徑噴嘴出口速度與噴嘴孔徑和壓力數值較小，計算結果如表2所示，四個不同噴嘴在理論計算數據基本相似，所得數值與試驗所得圖像，誤差明顯。表示公式(2)在此低壓下，計算結果并不能完全真實表示平均粒徑大小。如0.05 MPa壓力下，4個不同孔徑噴嘴計算粒徑基本相似，并無較大差距。根據圖6噴嘴霧化試驗圖分析，孔徑0.8 mm以下的噴嘴，在0.05 MPa以下壓力條件下，噴嘴霧化液滴顯著較大，其中孔徑0.5 mm噴嘴的試驗圖像呈現的液滴尺寸明顯較大，表2中計算粒徑與實際顯示圖像有較大偏差，從而說明使用經驗公式(2)并不能完全適用于描述本研究的試驗結果。這是因為壓力較低時，噴嘴射流在外界條件干擾下發生了二次分散，形成了較大尺寸的液滴。

故本文擬為采用的經驗公式增加一項修正系數K，使得此經驗公式能夠滿足在此低壓范圍內的粒徑分析。從而有孔徑0.8 mm的噴嘴在0.11 MPa、0.14 MPa與孔徑1.0 mm噴嘴在4個不同壓力下平均粒徑做到最小偏差。其中修正系數K為預測值，其大小由試驗所得數據與理論計算進行對比分析可得。本文中K值的提出為后續的定量分析研究奠定了基礎，具有一定的推廣價值。則有：

表2 平均粒徑計算數據表Tab.2 Average particle size calculation data

(3)

式中：K為修正系數。

3 結 論

(1)低壓精細霧化噴嘴在低壓(0.05～0.15 MPa)條件下，噴嘴流量與壓力成正相關，并且在此壓力下流量曲線變化率基本穩定。不同孔徑的噴嘴在同一壓力下，孔徑越大流量越大。

(2)噴嘴霧化角隨著壓力增大持續增大，較大孔徑的噴嘴在壓力增大時霧化角變化幅度較小，并且霧化角度大于孔徑較小的噴嘴，孔徑0.8 mm和1.0 mm噴嘴的霧化角度在60°到80°之間，較為理想。

(3)在低壓(0.05～0.15 MPa)條件下，噴嘴液滴平均粒徑與壓力變化成反比，隨著壓力增大而減小，平均粒徑數值較大。孔徑0.8 mm以下的噴嘴在低壓條件下，液膜射流在噴嘴下方一定距離形成束狀射流之后破碎成線狀射流，液滴尺寸明顯較大。對采用的經驗公式增加一項修正系數，使其適合在壓力0.15 MPa以下進行霧化液滴尺寸計算，減小其與試驗結果的偏差。

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