细雾喷嘴射流特性管理论文

摘要：首先对喷嘴外部射流的特性进行了理论分析，用边界层微分方程求出了其速度分布的积分解，绘制了喷嘴外部射流的轴向速度分布图。然后通过实验得到了TF6喷嘴的雾化粒子各平均直径随压力变化的规律。

关键词：细雾喷嘴射流特性速度分布粒子分布特性

0.引言

压力式细密雾化喷嘴是一种使液体雾化的重要装置，在很多领域都有广泛的应用。它不仅被广泛地应用于抑制火灾的蔓延、空气的热湿处理之中，而且在液体燃料的雾化燃烧、工艺清洗、除尘控制以及杀虫剂的喷洒等方面也有着广泛的应用。与一般的雾化喷嘴相比，压力式细雾喷嘴能提供细密的水雾，具有独特的优点。近几年许多学者对喷嘴的射流特性及雾滴粒子分布等情况进行了相关的研究。其中，文[1]对高压细水雾灭火喷嘴的射流特性进行了理论分析，对索太尔平均直径随压力的变化关系进行了相关的研究。文[2]主要对气液两相压力对雾化粒子尺寸的影响进行了实验研究，同时对单相喷嘴雾化的效果也进行了一定的研究。文[3]对气动旋流雾化原油喷嘴的索太尔平均直径随压力的变化关系进行了相关研究。文[4]对双路离心式喷嘴的索太尔平均直径随压力的变化关系进行了研究。这些研究多数是针对气动喷嘴的雾化效果展开的，而有关以雾化水为主要目的的直接压力式细雾喷嘴的雾化特性的研究还比较少。因此，对压力式细雾喷嘴的射流特性进行理论分析，对它的雾滴分布情况进行实验研究，不仅具有重要的理论意义，而且具有较强的现实意义。

1.射流特性分析

水从喷嘴喷出后其流动的外部结构是典型的圆形紊动射流。其流动的外部结构如图1所示。其中，未受到外界空气卷吸影响而保持原来出口流速的中心部分称为核心区（图中的ACB区），之后的部分称为发展区。

从出口至核心区末端的部分为起始段，紊动充分发展以后的部分为主体段。起始段与主体段之间为过渡段，过渡段较短，在分析中为简化起见将这一段忽略。喷雾系统的工作段主要在主体段，因此外部雾化特性分析主要针对主体段。

圆形射流虽然没有固体壁面，但可以用边界层微分方程求解[5]。取射流的中心轴为x轴，径向距离为r(见图1)。射流的速度用来表示，其中和分别表示轴向和径向流速。由于在自由紊流射流中，周围流体中的压强为常量，即压强梯度。因此，在圆柱坐标下的圆形紊动射流的微分方程及连续性方程分别为：

（1）

(2)

边界条件为

；，(3)

；(4)

若同时忽略空气阻力的影响，则射流沿x方向不受外力的作用，从而动量通量J为常量。根据相关的已知条件求解上述微分方程，其速度分布的积分解为(求解方法可参见文献[5])

(5)

(6)

其中为射流中心最大速度，且

(7)

射流的总动量为

(8)

式中，为水的密度；为水的运动粘滞系数；为无量纲变量，；为无量纲数，；为积分常数，；为喷孔的直径；为射流出口处的流速。

式(5)及式(6)分别为轴向及径向速度分布的无因次解，根据式(5)绘制的流速分布曲线如图2所示。

图2中的横坐标及纵坐标均是无量纲量，说明在射流的主体段内速度的分布在不同的断面上具有相似性。

2.雾化粒子分布特性

为了定量评价喷嘴在不同压力时雾滴粒径的分布情况，需要采用反映全部雾滴粒度大小的特征参数作为评价的指标。特征参数有很多，按直径分段作出的数量比例（频率）、表面积比例（频率）、体积比例（频率）、累积体积比例分别称为数量分布、表面积分布、体积分布及累积体积分布。它们均从不同的侧面反映了雾滴谱的分布特性。其中，累积体积分布用累积体积百分数来表示，它是指小于某个直径的所有液滴的体积占全部液滴体积的百分数，如D0.1，D0.5，D0.9分别表示体积百分数（即粒子分布概率）为10％，50％，90％时所对应的粒子直径。

由于实际液雾中颗粒的尺寸不一会给分析问题带来许多不便，因此经常要用到平均直径的概念，即设想存在一个液滴尺寸均匀的液雾，它在某方面的特性可以代表实际不均匀液雾的特性，该假想的液滴尺寸就是平均直径，上面所提到的体积平均直径即是其中之一。除此之外，液滴的平均直径还有多种，如质量中间直径、数量平均直径、索太尔平均直径等，在这些平均直径中，索太尔平均直径最常用。它是指液雾内全部雾滴的体积与总表面积的比值，用D32表示。根据定义D32可以表示为：

(7)

式中，D－粒子的直径；dN－粒子数增量。

从上式可以看出，D32越小相同体积的液体具有的表面积就越大，因而雾化质量就越好。因此，D32也从某一个侧面反映了雾滴谱的分布特性。

在下面的分析讨论中，将使用D0.1，D0.5，D0.9，D32等平均直径来分析不同压力下雾滴直径的分布规律。

本文将对TF6喷嘴的各种雾滴直径随压力变化的规律着重进行研究。因为该种喷嘴不但具有细密的雾化效果，而且可选择的喷雾角范围较宽，在工程中被广泛地应用，因此对该种喷嘴进行研究，对工程实践具有很强的指导意义。TF6喷嘴的结构如图3所示。

实验装置如图4所示。喷雾的压力通过调节两个阀门的开度来控制，压力值由0.4级的标准压力表测量；粒径的分布采用马尔文粒度分析仪来测量。根据实验的结果，将TF6喷嘴的雾化粒子各平均直径D0.1，D0.5，D0.9，D32随喷雾压力P的变化规律绘制成了曲线，如图5所示。

从图5可以清楚地发现其雾滴平均直径的分布规律。即D0.9最大，D0.1最小，D0.5和D32介于D0.9和D0.1之间。随着喷雾压力的升高，雾化粒子的各平均直径均降低，但这种降低又是有限度的，当压力增大到一定的程度后，雾化粒子的粒径分布趋于平缓，其中D0.1最为明显。这表明，对某一特定的喷嘴而言，当压力达到一定的限度后，单纯靠提高压力已不能达到减小雾化颗粒直径的目的。

3.结论

3.1通过对喷嘴射流特性的理论分析可知，在射流的主体段内速度的分布在不同的断面上具有相似性。

3.2随着喷雾压力的升高，压力式细雾喷嘴的雾化粒子的各平均直径均降低。但这种降低有一定的限度，当压力增大到一定的程度后，压力的影响已不明显。

参考文献

1.范明豪，周华，杨华勇.高压细水雾灭火喷嘴的雾化特性研究.机械工程学报.2002.38（9）：17-21

2.陈斌，郭烈锦，张西民等.喷嘴雾化特性实验研究.工程热物理学报.2001，22（2）：237-240

3.仇性启，王宗明，王丽娟等.气动旋流雾化原油喷嘴雾化特性的实验研究.石油机械，2001，29（2）：5-7

4.张征，樊未军，杨茂林.双路离心式喷嘴雾化特性研究.工程热物理学报，2003，24（1）：153-156

5.章梓雄，董曾南.粘性流体力学.北京：清华大学出版社，1998.6：337~339