甘油、水与压缩空气三流体喷雾雾化特性

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本站小编 Free考研考试/2021-12-25

白飞龙¹, 景青², 周致富¹, 王锐¹, 杨涛¹, 陈斌¹
1. 西安交通大学动力工程多相流国家重点实验室, 西安 710049;
2. 西安近代化学研究所, 西安 710065
2016年04月08日收稿; 2016年07月05日收修改稿
基金项目: 国家自然科学基金（51336006）、陕西省国际科技合作重点项目（2013KW30-05）和中央高校基本科研业务费专项基金资助
通信作者: 陈斌, E-mail:chenbin@mail.xjtu.edu.cn

摘要: 气体与液体双流体喷雾的工业应用已较为成熟，三流体喷雾作为一种较新的喷雾方式，目前工业应用与相关研究均较少。针对一种三流体雾化喷嘴，搭建喷雾与测试实验台，利用高速摄像仪与相位多普勒粒子测试仪（PDPA）对三流体喷嘴甘油、水与压空雾化特性进行研究。探讨分析气液质量比（ALR）对液滴直径与速度的影响，以及直径与速度轴向与径向空间分布特性。研究发现当ALR范围为0.327~0.518时，液滴直径随ALR变化较小。液滴直径与速度空间分布极不均匀，喷嘴出口附近存在液滴直径随轴向距离增加而快速下降与液滴加速现象。此外，不同喷雾轴向距离下，中心部位的液滴比喷雾边缘更细小。
关键词: 三流体喷雾液滴直径与速度甘油气体辅助液体雾化
Experimental study on three-fluid spray characteristics of glycerol/water/compressed air
BAI Feilong¹, JING Qing², ZHOU Zhifu¹, WANG Rui¹, YANG Tao¹, CHEN Bin¹
1. State Key Laboratory of Multiphase Flow in Power Engineering, Xi'an Jiaotong University, Xi'an 710049, China;
2. Xi'an Modern Chemistry Research Institute, Xi'an 710065, China

Abstract: Twin-fluid atomization by gas and liquid has been widely used in the modern industry. Few studies have been conducted on the three-fluid atomizer. A test rig using a nozzle was constructed to explore the atomization characteristics of glycerol/water/compressed air spray. Spray patterns were captured by a high-speed camera, while droplet diameter and particle velocity were measured by a phase Doppler particle analyzer (PDPA). The relationships between the air-liquid ratio (ALR) and the atomization spatial properties, including droplet Sauter diameter and mean velocity, were investigated. It is found that droplet Sauter diameter varies slightly with ALR in the range from 0.327 to 0.518. Droplet diameter and velocity show strong non-uniformity in the spray field. Near the nozzle exit droplet diameter decreases rapidly while droplets are accelerated leading to higher droplet velocity. At different axial positions, the atomization effects show a similar trend that the atomization is finer in the center area of the spray than in the margin.
Key words: three fluid atomizationdroplet diameter and velocityglycerolgas-assisted fluid atomization
气体辅助液体喷雾又称双流体喷雾，在化工生产、材料喷涂与内燃机喷雾领域有着广泛应用。气体辅助液体喷雾主要通过两种方式：传统的方式是气体与液体在喷嘴外混合，高速气流与液体射流相互撞击，利用高速气流动能使液体破碎雾化；另一种是气体与液体在喷嘴内混合形成不同流型的两相流，当其从喷嘴喷出失压使得两相流中的气泡膨胀破裂，液体破碎雾化形成细小液滴，最先由Lefebvre等^[1]提出。在达到同等喷雾液滴直径尺寸下，这种气液内部混合喷雾方式相比传统外部混合方式，用气量与气体注入压力均要小，成为近年来气体辅助喷雾研究的热点。甘油作为一种重要的工业原料，常作为液相注入到喷雾器中进行工业生产；同时它作为一种高黏度液体，也常用作掺混剂调整液体的黏度与表面张力，用以研究液体物性对气体辅助液体喷雾雾化特性的影响。Lund等^[2]采用喷嘴内气液混合喷嘴，应用3种不同配比的甘油与水混合液体，研究液体黏度与表面张力对喷雾液滴SMD直径的影响，发现SMD直径随混合液黏度增加小幅上升，随表面张力增加而快速下降。Buckner与Sojka^[3]对甘油与水混合液喷雾进行类似的研究，发现黏度、气体注入压力对喷雾液滴SMD直径影响较小，而气体与液体质量比 (气液比，air to liquid ratio, ALR) 对SMD直径影响较大，SMD随ALR增大 (ALR范围：0.02~0.3) 而快速下降。Sovani等^[4]指出对于喷嘴内气液混合双流体喷雾，气液比、喷嘴尺寸形状、液体物性、喷射压力对雾化液滴直径均有影响，而气液比是最重要的影响因素。
作为一种新型的喷雾方式，三流体喷雾能基本消除两流体雾化中由于液体黏度较高而产生的大粒径液滴甚至液丝，从而实现高黏度流体的精细雾化，然而目前工业应用以及相关研究甚少。虞子云^[5]对比研究二流体喷嘴与三流体喷嘴 (喷嘴两路进气，一路进液) 雾化液滴直径与能耗差别，发现三流体喷嘴能耗较高，但是对高黏度液体 (PVP，K-90) 雾化效果较好。邱康华与董毅宏^[6]应用显微镜技术对高黏度物料与气体 (黏度范围470~4 000 mPa·s) 三流体喷嘴 (喷嘴两路为空气，一路为液体) 雾化进行研究，并拟合粒径分布经验关系式。Avulapati和Rayavarapu^[7]采用阴影拍摄法与PDIA技术对不同配比甘油、水混合液与气体三流体喷嘴 (两路为混合液体，一路为气体) 喷雾形态与液滴直径进行研究，发现喷雾锥角随混合液黏度增加而减小，而当气液比超过临界值 (0.05) 时，液滴SMD直径随其他喷雾条件变化较小。
上述三流体喷雾均采用两路相同液体 (或气体) 与另外一路气体 (或液体)，并且对三流体雾化特性研究主要采用场测量方式 (比如Malvern、PDIA) 对液滴SMD直径进行测量，而对液滴速度以及液滴直径与速度在喷雾场的空间分布研究还未见报道。本文针对一种新型的三流体喷嘴 (喷嘴三路进口为不同流体，分别为甘油、水与压缩空气)，应用高速摄影仪与PDPA单点测量方式对此三流体喷雾形态、液滴直径与速度空间分布进行系统研究。
1 实验系统及工况图 1为三流体喷雾实验与测试系统图，喷嘴进口分别与甘油、水与压缩空气三路管道连接。甘油与水均置于密封容器内，由高压空气瓶通过减压阀提供液相喷雾驱动压力。甘油管路中安装有流量阀、涡轮流量计与加热水浴，分别用以调整甘油流量与出口温度。水管路中安装有流量阀与涡轮流量计，用以调整水的流量。空气管路中安装有减压阀、压力表与转子流量计，用以测量气体压力与流量。
Fig. 1

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图 1 三流体喷雾实验系统 Fig. 1 Three-fluid atomization system

三流体喷嘴结构如图 2所示，中心为甘油通道，最外层为进水通道，中间层为进气通道。从图 2可以看出，甘油、水与压空从喷嘴出口喷出后才能接触混合，因而属于喷嘴外掺混雾化方式。采用此种喷嘴，气液两相掺混过程中，气流居于甘油与水两流体中间，同时对内外两侧液相界面产生推动与剪切作用。喷嘴安装于三维电动平移台上，通过平移台可以精确调整喷嘴出口与测量点的空间相对位置。
Fig. 2

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图 2 喷嘴结构 Fig. 2 Nozzle configuration

喷雾液滴直径与速度由PDPA测得，PDPA是一种单点测量方式，可对雾场不同空间位置处液滴直径与速度同时测量。本文采用Sauter平均直径 (D₃₂) 作为液滴直径统计值，D₃₂表示测得液滴的总体积与总表面积之比，采用算术平均速度作为液滴速度统计值。喷雾形态由高速摄像仪测得，高速摄像布置方式如图 3所示，采用小仰角布置高速摄像补光光源设置，主要考虑可以接收液滴穿过雾场时的散射光，形成较亮的雾场图像，拍摄速度为10⁴帧/s，曝光时间为30 μs。
Fig. 3

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图 3 高速摄像布置示意图 Fig. 3 CCD measurement scheme

实验过程中，甘油流量为5 kg/h，出口温度为54 ℃。水流量为20 kg/h，出口温度为30 ℃。气体流量为8.18~12.95 kg/h，对应压力范围为0.2~0.26 MPa，气液质量比ALR由

${\text{ALR = }}\frac{{{Q_{\text{a}}}}}{{{Q_{\text{g}}} + {Q_{\text{w}}}}}$

(1)

确定。其中Q_a为气体质量流量，而Q_g为甘油质量流量，Q_w为水质量流量，由此计算得到实验中ALR范围为0.327~0.518，气体出口温度均为30 ℃。
2 实验结果及讨论2.1 喷雾形态的高速摄像图 4为不同气体驱动压力下三流体喷雾雾化图形，由图可见，在无气体驱动压力 (P_air=0) 时，液体从喷嘴呈柱状流出，没有破碎形成雾化，甘油位于液柱中间，被水包围。当气体驱动压力为0.02 MPa时，液体雾化过程中的一次破碎与二次雾化现象较为明显。首先在喷嘴出口附近，液柱被气流冲击撕裂成带状液丝与液膜 (一次破碎)；之后液丝被高速气流继续带动向下运动，在气液两相相界面剪切力与流动不稳定性作用下，液丝与液膜破碎成细小液滴 (二次雾化)。当气体驱动压力为0.22 MPa时，一次破碎现象已不明显，在喷嘴出口处液体即已形成较浓密的细小液滴。另外还可以发现，存在气体驱动压力时，三流体喷雾为轴对称形状。
Fig. 4

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图 4 三流体喷雾高速摄像图像 Fig. 4 Atomization process captured by high speed camera

2.2 ALR对不同位置处液滴粒径与速度影响图 5为三流体喷雾中心轴线距离喷嘴出口不同位置处液滴D₃₂直径随ALR的变化。由图可知，ALR值在0.327~0.518范围时，液滴Sauter直径D₃₂随ALR变化较小，在相同位置，D₃₂随ALR在较小范围 (约2 μm) 内呈现波动变化，说明当ALR达到0.327时，三流体喷嘴气体对液体雾化直径影响已很小，这一结果与Sovani等^[4]得出的结论有所差别。而轴向距离 (Z) 对液滴D₃₂直径影响较大，Z值在10~70 mm范围时，D₃₂约在18~28 μm范围变化。
Fig. 5

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图 5 不同轴线位置液滴直径随气液比ALR变化 Fig. 5 Droplet Sauter diameter D₃₂ vs. ALR

图 6为三流体喷雾中心轴线距离喷嘴出口不同位置处液滴轴向速度平均值V随ALR的变化。与ALR对D₃₂影响不同，不同位置处V随ALR增加基本呈线性上升趋势。这是因为在液体流量一定时，ALR越大，气体流量越大导致气流出口速度也越大，从而带动液滴加速作用越强。从图中还可看出，轴向距离Z对V也有较大影响。
Fig. 6

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图 6 不同轴线位置液滴速度随气液比ALR变化 Fig. 6 Droplet axial velocity V vs. ALR

上述部分研究发现气液比ALR对液滴D₃₂直径影响较小，本节选取ALR值为0.391(对应气体压力为0.22 MPa，流量为9.77 kg/h), 分析液滴D₃₂直径与轴向速度V喷雾空间分布情况。
图 7为三流体喷雾中心轴线液滴D₃₂直径随轴向距离变化，发现在喷嘴出口较近区域5~30 mm内，D₃₂随轴向距离显著下降，说明此区域内气相与液相之间作用强烈，在相界面剪切力与流动不稳定性作用下，液滴持续破碎为更细的小液滴。当距离大于30 mm，D₃₂随轴向距离变化变得很小，说明相界面的剪切力与保持液滴形状的表面张力以及黏性力已基本达到动态平衡，气流对液滴的破碎雾化作用已很微弱。并且随着轴向距离的进一步增加，D₃₂呈现轻微的上升趋势，这是因为随着距离增加，气、液相之间的相互作用进一步减弱，已经破碎雾化的液滴由于相互撞击在表面张力与黏性力作用下出现部分液滴聚合现象，这一结果与Davanlou等^[8]实验结果类似。
Fig. 7

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图 7 喷雾中心轴线液滴直径随轴向距离变化 Fig. 7 Droplet Sauter diameter along spray axial distance

图 8为三流体喷雾中心轴线液滴轴向速度V随轴向距离变化。如图所示，在喷嘴出口附近，由于高速气流对液滴的强烈带动作用，使其存在加速现象，这与Vu等^[9]与Zhou等^[10-11]观察到的制冷剂闪蒸喷雾液滴在喷嘴出口附近加速现象一致。当距离增加，高速气流对液滴的推动力与环境气体作用在液滴表面阻力平衡时，液滴速度在15 mm处达到最大值。之后，由于推动力进一步减弱，阻力占据优势，液滴速度开始随距离增加而快速下降。
Fig. 8

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图 8 喷雾中心轴线液滴轴向速度随轴向距离变化 Fig. 8 Droplet velocity along spray axial distance

图 9示出不同喷雾截面液滴直径随径向距离变化。如图所示，液滴D₃₂直径径向分布极不均匀，随着喷射径向距离增加而增大，不同轴向距离基本呈现出喷雾边缘区域液滴粒径最大，而中心部分液滴粒径最小的特性。图 10为不同喷雾截面液滴轴向速度随径向距离变化，由图可知，液滴最大速度都出现在截面中心，随径向增加而快速下降，并且距离喷嘴出口越近，下降速度越快。从图 9与图 10液滴直径与速度径向分布可以得出：在三流体喷雾中心区域，气流对液滴推动作用越强，液滴速度越大，相界面剪切作用力与流动不稳定性越大，因而对液体破碎雾化更好；越靠近喷雾边缘，相界面剪切力越小，液体雾化效果较差，D₃₂值可达中心位置值的2倍以上。
Fig. 9

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图 9 不同喷雾截面液滴直径随径向距离变化 Fig. 9 Droplet diameters at various axial distances

Fig. 10

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图 10 不同喷雾截面液滴轴向速度随径向距离变化 Fig. 10 Radial droplet velocities at various axial distances

3 结论本文搭建了三流体喷雾与测试实验台，应用高速摄像仪与PDPA测试方法，采用甘油、水与压缩空气对一种新型三流喷嘴喷雾雾化特性进行研究。喷雾破碎形态高速摄像结果发现在较低的气体驱动压力下，可明显观察到液体一次破碎与二次雾化现象，而在较高压力下，液体一次破碎现象已不明显，液体从喷嘴出口喷出既已雾化成较浓密的液滴场。液滴直径与速度PDPA测试结果发现，在气液质量比ALR范围为0.327~0.518时，液滴D₃₂直径随ALR变化较小，而液滴轴向速度随ALR增加而上升。此外，液滴直径与速度空间分布极不均匀，轴向结果表明，在喷嘴出口附近，存在液滴D₃₂直径随轴向距离增加而快速下降与液滴加速现象。径向结果表明，在不同喷雾截面，液滴直径最小值与速度最大值均出现在截面中心，随径向距离增加，分别呈现快速上升与下降变化趋势，说明喷雾中心雾化效果好，边缘区域雾化则较差。
参考文献

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