室外造雪機用旋流噴嘴霧化性能實驗研究

吳艷麗 王瑞祥 張 華 孫子喬 徐榮吉 張博文 吳海峰

(1 北京建筑大學 北京市建筑能源綜合高效綜合利用工程技術研究中心 北京 100044;2 上海理工大學能源與動力工程學院 上海 200093)

室外造雪機作為滑雪場供雪的主要設備,其成雪性能直接影響滑雪場的有效造雪時長及雪質[1-2]。霧化噴嘴作為造雪機的核心部件,其霧化性能是成雪過程的決定性因素,其性能主要體現在霧化錐角、流量與粒徑分布。霧化錐角影響核子器與噴嘴之間的相互配合,過大或過小的霧化錐角均不利于冰晶與液滴碰撞;噴嘴的流量直接決定最終的成雪量,這也是目前國產造雪機與國外設備的主要差距;噴霧粒徑大小與雪質及成雪條件密切相關[3-5]。因此,提高噴嘴的霧化性能是提升造雪機整體性能的關鍵。

旋流結構的噴嘴因結構簡單、穩定性強、霧化能力優良成為室外造雪機用噴嘴的主流選擇,其霧化特性受操作參數、結構參數及物性參數等因素影響[6-7]。進口壓力作為操作參數對霧化效果影響較大。當壓力較低時,液體在黏性力及表面張力的作用下難以破碎,霧化效果較差。隨著壓力的增大,慣性力逐漸克服表面張力及黏性力的作用使液膜撕拉成液絲直至破碎成為液滴。Liu Cunxi等[8]實驗研究了燃氣輪機用旋流噴嘴霧化特性,得到不同進出口壓差下噴霧場的形態變化、粒徑分布及平均粒徑等特征;Guan Haosen等[9]針對航天發動機用旋流噴嘴,探究了新工質在不同壓力下的霧化特性;Wei Xiao等[10]理論分析了進出口壓差對噴嘴霧化特性的影響;L. Broniara-Press等[11]實驗研究了噴射壓力對霧滴粒徑分布和平均粒徑的影響;王成軍等[12-13]采用數值模擬方法,研究了壓力與霧化性能之間的關系。

現有旋流噴嘴霧化特性的研究主要針對鍋爐及航空發動機等領域,適用條件與結構參數相比室外造雪機用旋流噴嘴差異較大。因此,本文以某主流國產造雪機用旋流霧化噴嘴為研究對象,實驗研究了不同壓力下旋流噴嘴的霧化與換熱過程,得到了壓力與霧化及換熱特性的關系,揭示了霧化破碎機理。研究結果可為造雪機用噴嘴優化提供參考。

1 實驗裝置

1.1 實驗設備與方法

為給噴嘴提供穩定的霧化環境,本文針對造雪機用霧化裝置研制了性能測試裝置,該裝置可觀察噴霧的發展過程,實現噴霧粒徑分布及溫度場的測量。實驗臺由供水系統、霧化系統及測試系統三部分組成,如圖1所示。供水系統包括儲水箱和離心水泵,用于給霧化裝置提供高壓水;霧化系統包括旋流噴嘴及配套連接裝置,用于將高壓水霧化形成噴霧;測試系統包括激光粒徑儀、高速攝像機、紅外攝像機、測試儀表以及配套補光設備,可測試液滴粒徑分布、噴霧形態、噴霧溫度場、流體的壓力和流量。實驗主要設備參數如表1所示。為減小外圍對霧化場的影響,本文采用非接觸式方法測量噴霧的粒徑分布及溫度場。將實驗用水在儲水箱中加熱至測試所需溫度,使用離心泵將水分別增壓至測試壓力后經由噴嘴霧化。使用LED光源對噴霧場補光,將高速攝像機分辨率設置為800×600像素,快門速度調整為6 000幀/s,觀測噴霧由液膜破碎至液絲進而發展為液滴的過程。待噴霧發展穩定后,激光粒徑儀在噴霧出口下方垂直距離20 cm處進行測試,根據夫瑯禾費衍射原理計算噴霧場粒徑分布;同時通過熱成像儀檢測噴霧場溫度分布規律。

表1 實驗主要設備參數

圖1 實驗系統

1.2 旋流噴嘴結構

實驗所用噴嘴為國內主流造雪機用噴嘴,為典型的旋流霧化噴嘴結構,包含進液段、螺旋段、旋流腔以及泄壓孔4部分(如圖2所示)。該噴嘴霧化流體為水,高壓水通過進液段進入旋流段后獲得徑向力,并在旋流腔內旋轉加速,同時因負壓的作用會在旋流腔產生空氣錐,最后通過泄壓孔噴射至大氣形成空心錐噴霧。噴嘴結構參數如表2所示。

表2 噴嘴結構參數

圖2 旋流噴嘴結構

2 實驗數據處理

液滴粒徑分布、溫度場采用激光粒度儀和紅外攝像儀直接測量,使用前對儀器進行了校準。激光粒度儀采用國標D50顆粒樣本進行校準;紅外線成像儀采用0 ℃冰水混合物及100 ℃沸水進行校準。為盡可能減少實驗誤差,每組實驗數據隨機測量5次取平均值。通過高速攝像機捕捉到噴霧形態后取兩個液膜最外邊界之間的夾角測量霧化錐角,如圖3所示。

圖3 測量霧化錐角

3 結果與討論

3.1 噴嘴形態分析

圖4所示為不同壓力下噴霧穩定后的形態,通過分析不同壓力下的噴霧形態,可以對噴霧的覆蓋范圍以及初步的霧化效果進行分析。

通過觀察不同壓力下的噴霧形態可知,隨著壓力的增大,噴霧的形態可以分為兩類。首先,當供水壓力低于0.3 MPa時,噴霧初段可觀察到明顯的錐狀液膜,經過較長距離發展后,錐角快速向內收縮并產生較大尺寸的液滴;當供水壓力高于0.3 MPa后,整體噴霧場呈空心錐狀,在不借助高速攝像機的條件下已經很難觀察到液膜的存在。在低壓段,液體通過旋線獲得了徑向的速度分量,經過旋流腔的旋轉加速,在旋流腔中心形成負壓區域進而產生氣柱,液體則緊貼旋流腔內表面射入大氣。由于低壓段壓力較低,液體獲得的徑向動量分量也較低,液體噴出噴嘴后在表面張力作用下試圖維持原有形狀,因此錐角在噴嘴下方快速收縮,此時霧化效果也較差。隨著壓力升高,徑向力逐漸可以克服表面張力的作用,噴霧發展為完整的空心錐狀,噴霧場的覆蓋范圍也大幅上升。同時,液膜長度的明顯減小意味著一次破碎發生的更加迅速。

圖5所示為高壓段一典型噴霧形態,可清晰的看到液體破碎過程中的3種形態,分別為液膜、液絲及液滴,各形態間的轉換分別對應一次破碎及二次破碎的過程。在液膜表面可以觀察到液體的波動,波動沿軸向進一步加強,當波動到達極限時液膜破碎為液絲狀態。此時,表面張力與空氣動力依舊難以達到平衡狀態以維持液絲形狀,則液絲進一步破碎為液滴。

圖5 噴霧破碎形態

隨著壓力的升高,出口處負壓進一步增強,導致旋流腔內空氣柱體積增大,出口處液膜厚度減小。流體流速上升,空氣與液體的相互作用力導致波動加劇,隨著波動的發展更容易破碎為液絲,這也是液膜長度隨壓力的增加而逐漸減小的原因。液膜厚度的減小不僅使液膜更容易破碎為液絲,同時也使液絲直徑更小,霧化顆粒直徑也隨之降低。

3.2 壓力對霧化效果的影響

室外造雪機正常工況下,流體的入口壓力約為1～2 MPa,考慮到管道的沿程阻力損失與造雪機內的局部阻力損失,單噴嘴的入口壓力約為0.6～1.4 MPa。因此,通過研究不同壓力下噴嘴的流量、霧化錐角、粒徑分布等特征來研究噴嘴的霧化特性。

噴嘴的流量直接反映造雪機的成雪量,是造雪機用噴嘴一項重要的性能參數。壓差作為流動的主要驅動力直接影響流體的流量。流量隨壓力的變化如圖6所示,噴嘴流量與壓力成線性遞增關系,隨著壓力的增大,液體流量隨之增大。

圖6 流量隨壓力的變化

粒徑大小直接決定成雪質量與成雪時間,通過測量距離噴嘴垂直距離20 cm處的粒徑發現,索特平均粒徑(Sauter mean diameter,SMD)隨壓力的升高而降低。表3所示為不同壓力下索特平均粒徑值。隨著壓差的增加,SMD隨之減小的趨勢與3.1節通過機理分析的趨勢一致。圖7所示為各壓力下粒徑分布。由圖7可知,粒徑分布處于正態分布形式,粒徑主要集中在100～200 μm區間段,隨壓力變化粒徑整體的分布特征保持一致,但在具體的粒徑范圍上有較大變化。

表3 不同壓力下索特平均粒徑

圖7 不同壓力下的粒徑分布

液滴體積分數隨壓力的變化如圖8所示。由圖8可知,壓力變化對大尺寸液滴的影響較為顯著,隨著壓力的變化,直徑為200～280 μm的液滴所占的體積分數明顯下降。主要原因為:隨著壓力的增大,液體在旋流腔的旋流強度增強,增大了出口處的負壓與空氣柱體積,降低了液膜厚度與液絲直徑,從而限制了大尺寸液滴的形成;同時,壓力的增大導致氣-液兩相流體的相對速度增加,空氣動力與液滴表面張力的同時作用使液滴難以維持較大尺寸形態,發生二次破碎,從而降低了大尺寸液滴的數量,同時增大了小直徑液滴的體積分數。

圖8 液滴體積分數隨壓力變化分布

霧化錐角也是造雪機用噴嘴的重要指標之一,其決定噴嘴之間以及噴嘴與核子器之間的配合關系。與流量和粒徑變化不同,在高壓段,霧化錐角受壓力變化影響較小,穩定在約76°。霧化錐角受多因素的影響,其中最主要的兩個參數為流體的壓降及噴嘴的結構參數[14-15]。當超過臨界壓力后,噴霧發展穩定,空氣柱體積達到最大時,霧化錐角僅由噴嘴的結構參數決定。

3.3 壓力對環境換熱特性的影響

在實際造雪機成雪過程中,溫差傳熱是液體與環境換熱的主要方式,也是決定成雪條件的關鍵因素[16]。因受實驗條件和氣候條件限制,本文在實驗室室溫環境下測試了換熱特性的影響,通過60 ℃高溫水與28 ℃空氣換熱模擬冬季液滴放熱過程,研究了液滴與空氣換熱規律。并用紅外溫度計記錄了噴霧的溫度場。圖9所示為不同壓力下噴霧的溫度場,隨著壓力的增加,噴霧換熱至室溫所需的距離更短,時間更快。隨著壓力的上升,噴霧場與周圍環境發生變化的原因可以總結為兩方面:1)更大的供水壓力使噴霧場中的液滴擁有更小的直徑,對單個液滴而言則會帶來更大的比表面積,增加了水與空氣的傳熱面積,從而提升了整體換熱量;2)壓力的上升也使液滴速度上升[17],如式(1)～式(4)所示[18-20],隨著液滴與空氣相對速度的提高,二者的傳熱系數也相應增大,從而強化了與空氣的換熱。在以上兩個方面的共同作用下,單個液滴的換熱速度增大,整體噴霧場的換熱效率得到提高。因此,更高供水壓力的噴霧場表現出更好的換熱性質。

h=λNu/D

(1)

Re=ρUD/η

(2)

Pr=ηcp/λ

(3)

Nu=2+0.6Re1/2Pr1/3

(4)

式中:h為對流換熱表面傳熱系數,W/(m2·K);Re為雷諾數;Pr為普朗特數;Nu為努塞爾數;ρ為空氣密度,kg/m3;cp為空氣比定壓熱容,J/(kg·K);η為空氣動力粘度,Pa·s;λ為空氣導熱系數,W/(m·K);U為速度,m/s;D為液滴直徑,m。

4 結論

本文實驗研究了室外造雪機用旋流結構噴嘴的霧化發展和破碎過程,以及壓力對噴霧場的霧化性能及換熱特性的影響,得到如下結論:

1)在最初低壓段發展時,即壓力小于0.3 MPa時,噴霧形態呈空心紡錘狀,霧化錐角隨壓力變化顯著,霧化效果較差;隨著壓力進一步升高進入高壓段,即壓力大于0.3 MPa時,噴霧形態發展為空心錐狀,錐角逐步穩定。

2)在0.6～1.4 MPa入口壓力條件下,液體流量主要在30～50 mL/s范圍內,粒徑主要集中在100～200 μm區間段。隨著壓力的上升,液體流量增加,而索特平均粒徑SMD下降,200～280 μm的大尺寸液滴體積分數下降,小尺寸液滴體積分數上升,霧化錐角始終穩定在約76°。

3)霧化效果對造雪環境的溫度場有一定影響。隨著壓力的上升,液滴比表面積與速度增大,液體與空氣的換熱得到強化,噴霧場換熱至環境溫度所需距離更短,速度更快。

本文受北京建筑大學研究生教育教學質量提升項目(J2022026)資助。(The project was supported by the Graduate Education and Teaching Quality Improvement Program of Beijing University of Civil Engineering and Architecture (No. J2022026).)