雙流體噴嘴霧化特性實(shí)驗(yàn)

雙流體噴嘴霧化特性實(shí)驗(yàn)摘要:雙流體霧化降溫冷卻技術(shù)是將氣體和液體在噴嘴內(nèi)部直接混合，在高壓射流作用下直接霧化，霧化的小液滴氣化時(shí)帶走熱量，從而降低工作區(qū)域溫度。噴霧冷卻降溫系統(tǒng)廣泛應(yīng)用于養(yǎng)殖、高精度建筑及機(jī)械切削加工中刀具的冷卻等。影響噴霧降溫冷卻的關(guān)鍵因素是霧滴粒徑和霧滴運(yùn)動(dòng)速度。霧滴粒徑越小，其總表面積越大，易于蒸發(fā)、氣化，從而產(chǎn)生良好的降溫效果;而霧滴運(yùn)動(dòng)速度加快則可以進(jìn)一步加快工作區(qū)域的換熱過程。文章利用相位多普勒粒子動(dòng)態(tài)分析儀(FDA)對(duì)4種不同噴孔直徑的噴嘴進(jìn)行了較為詳細(xì)的實(shí)驗(yàn)研究，獲得了影響霧滴粒徑和霧滴運(yùn)動(dòng)速度的重要因素，得到了雙流體霧化噴嘴工作的最佳壓力與孔徑組合，為噴霧冷卻降溫的研究奠定了琴礎(chǔ)在不同的工程應(yīng)用領(lǐng)域，對(duì)霧滴的大小和速度有不同的要求，因此探索霧滴尺寸、滴速、壓力、流量、噴嘴直徑、流體的物性參數(shù)等的關(guān)系刁仁進(jìn)而實(shí)現(xiàn)霧滴大小和速度的控制尤為重要。雙流體式霧化噴嘴結(jié)構(gòu)簡單，對(duì)于高勃度和低勃度的液體都有良好的霧化性能，并且容易通過調(diào)節(jié)氣液比來控制噴霧參數(shù)，能滿足不同場合的使用要求，但同時(shí)也存在動(dòng)力消耗大、效率低、霧譜寬、霧化機(jī)理復(fù)雜等因素。噴霧冷卻降溫系統(tǒng)通過噴嘴將液體直接霧化，霧化的小水滴氣化時(shí)會(huì)帶走熱量，從而降低工作區(qū)的溫度。噴霧冷卻降溫廣泛應(yīng)用于養(yǎng)殖、高精度建筑及機(jī)械加工中各種刀具的冷卻等。其中霧滴速度和霧化粒徑直接影響霧滴的氣化，從而影響降溫效果本文以雙流體噴嘴為研究對(duì)象，采用相位多普勒粒子動(dòng)態(tài)分析儀(FDA)對(duì)霧化冷卻過程中雙流體噴嘴霧化進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，著重探討了雙流體霧化噴嘴噴孔直徑、工作壓力與滴速和粒徑的關(guān)系，得出了影響雙流體噴嘴霧化效果的主要因素。1實(shí)驗(yàn)裝置實(shí)驗(yàn)采用的噴嘴為內(nèi)混式雙流體霧化噴嘴，噴頭采用收縮式圓錐形霧化噴頭，目的是通過對(duì)噴嘴在不同運(yùn)行參數(shù)條件下進(jìn)行霧化性能參數(shù)的測量，獲得更好的霧化效果，以便實(shí)現(xiàn)對(duì)噴嘴的霧化性能參數(shù)進(jìn)行有效控制。實(shí)驗(yàn)裝置由霧化裝置、氣路系統(tǒng)、水路系統(tǒng)和測量系統(tǒng)等構(gòu)成。氣路系統(tǒng)包括空氣壓縮機(jī)、穩(wěn)壓閥、流量計(jì)和壓力表;水路系統(tǒng)包括空氣壓縮機(jī)、密封罐、穩(wěn)壓閥、流量計(jì)和壓力表;測量系統(tǒng)主要包括FDA、三維位移機(jī)構(gòu)和數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)等。實(shí)驗(yàn)裝置如圖1所示。

實(shí)驗(yàn)中選用4種不同孔徑的霧化噴嘴，為DKW-Z-DB圓形噴嘴，噴孔直徑D分別為1.0,1.2,1.5,20mm。采用相同的水壓和氣壓作為噴嘴的工作壓力，工作壓力P為0.2-0.5MPa。通過改變工作壓力的大小對(duì)不同工況條件下噴嘴在射流方向不同位置（V流靶距）的霧化狀況進(jìn)行測量。在測量過程，！，，設(shè)定噴嘴沿垂直方向噴射，測量以噴嘴口起，在10-40mm內(nèi)以5mm為步長，選取7個(gè)點(diǎn)來進(jìn)行測量。并在射流靶距L為40mm處水平截-IN進(jìn)行了測2霧化特性實(shí)驗(yàn)噴嘴射流噴出的水霧大致呈錐狀，可以認(rèn)為射流是軸對(duì)稱的，忽略重力、實(shí)驗(yàn)風(fēng)力等外力作用，霧滴的運(yùn)動(dòng)速度V和霧滴粒徑d也具有軸對(duì)稱性，因此，只測量沿射流噴射方向和射流靶距L為40mm處截面上的噴霧參數(shù)。2.1噴嘴在不同工作壓力下軸向平均滴速圖3⑻一(d)為4種噴嘴在不同工作壓力下的軸向平均滴速分布圖圖3⑻一(d)為4種噴嘴在不同工作壓力下的軸向平均滴速分布圖12UJ00150W015 2S 35 45L/irm(d)D-2.0噴師圖3噴喘我不同工柞壓力下的軸向屮射訥速x(J.400.315 J5 制L/mm⑹D=l5mm的噴嘴從圖中可以看出，在射流靶距為10mm處的噴霧射流速度均可達(dá)到200m/s以上，這是由于噴嘴噴孔直徑較小，噴孔處的壓降較大，高壓氣體經(jīng)過噴嘴后，推動(dòng)液滴從噴孔噴出達(dá)到較高的速度。對(duì)于不同噴嘴，無論在何種壓力作川下，隨著射靶距離的增加，射流霧滴速度都將減小，這是由于霧滴在運(yùn)動(dòng)過程中受到空氣阻力的影響，霧滴速度必然下降，但其速度值仍在100m/s以上，這對(duì)于工作區(qū)內(nèi)的換熱有著良好的作用。對(duì)于每一種噴嘴，隨工作壓力的增大，霧滴運(yùn)動(dòng)速度也在增人，霧滴速度的增人有利于傳熱，因此應(yīng)當(dāng)選擇在較高的壓力下進(jìn)行工作。但過高的壓力會(huì)造成噴霧流場的不穩(wěn)定，霧滴運(yùn)動(dòng)速度均勻性變差。綜合考慮，選用0.3MPa或0.4MPa的工作壓力較為合適。

2.2噴嘴在不同工作壓力下的霧滴粒徑圖4⑻一(d)為4種噴嘴在不同工作壓力下的霧滴粒徑分布圖。從圖中可以看出，在射流靶距L為40mm的范田內(nèi)，霧滴粒徑始終控制在35um以內(nèi)。射流破碎理論表明淹沒射流時(shí)，高壓氣體是促使射流破碎的主要因素，破碎后的液滴尺寸取決于氣動(dòng)力與表面張力的比值。因此在這種較高的氣動(dòng)力條件下可以獲得較小的霧滴粒徑。對(duì)于不同噴嘴，隨著射靶距離的增大，霧滴粒徑不斷增大。而霧滴粒徑變?nèi)丝赡苁怯捎陟F滴速度下降后霧滴產(chǎn)生碰撞聚并的結(jié)果。對(duì)于每?噴嘴，隨著工作壓力的增加，霧滴粒徑都在不同程度地減小。因此，同射流霧滴速度一樣，必須選取較高的壓力。對(duì)霧滴軸向平均滴速和霧滴粒徑的測址結(jié)果分析可知，當(dāng)工作壓力較小時(shí)，霧滴速度和霧滴粒徑不能滿足工作需要，而對(duì)于較大工作壓力時(shí)容易造成噴霧的不穩(wěn)定，綜合考慮，選用0.4MPa的工作壓力較為合適。MMEl*心2■d.J*勺4CrC.525MMEl*心2■d.J*勺4CrC.525玄<u]D1.0tnmffi噹嘴5 25Ummm/?=l]mm陽鈾咪p/MPaA2■03Cm5 15 25 第+5匸;mm1C? 5inmfMW+n2■oiLlnrttEd)2=2』mm的M??0.2■0J圖4(Stiffs不冋工作亞力卜的霽滴檢甕2?3不同噴孔直徑在工作壓力為0?4MPa下射流靶距為40mm處噴霧場粒度分布圖5⑻一(d)為不同噴嘴在壓力為0.4MPa的條件下射流靶距為40mm處噴霧射流軸線上噴霧場粒度分布比例,霧滴是在射流靶距為40mm處采集10