苏本展 杨 鹤 彭志福 卢成健(华中科技大学,湖北 武汉 430074)
高背压下平口喷嘴射流锥角影响因素分析
苏本展 杨 鹤 彭志福 卢成健
(华中科技大学,湖北 武汉 430074)
摘 要:高背压下条件下的射流在火电的减温水喷射、燃气轮机、加压煤气化、潜艇等领域具有广泛的应用。由于高背压射流参数计算方法缺失,本文利用搭建的高背压实验系统,选取8种不同结构参数的喷嘴进行实验,研究背压、喷射压差、喷嘴长径比等参数对射流锥角的影响。分析实验结果,发现背压对射流锥角影响较大,在高背压时,背压越高,射流锥角越大;在低背压时,射流锥角受喷嘴内部流动状态影响较大,低背压时,喷嘴内部易产生空穴流动,空穴的产生促进射流锥角的增大,其影响不可忽略。
关键词:射流锥角;背压;压差;长径比
平口喷嘴在各种射流装置中得到广泛运用,其射流锥角反映了喷嘴喷射的轮廓和覆盖面,是决定其性能好坏的重要参数。Lefebvre总结了一些学者的研究工作,认为平口喷嘴的射流锥角受到喷嘴几何结构、喷嘴长径比以及喷射进入环境介质的密度影响。Kerst等比较常压和高压射流的破碎情况,发现背压升高后,在很小的喷射速度下,射流就会从滴落状态过渡到雾化状态,即背压升高有利于雾化的发生。Varde研究液态燃油喷入气体环境中,结果表明射流锥角依赖于喷嘴形状和喷嘴运行条件。王德忠等利用高速相机研究柴油机喷雾,结果表明与常压情况相比,高背压增强雾化,雾化锥角增加,贯穿度降低。
2.1 实验系统
为了分析射流锥角,设计了如下的实验系统,该系统可进行常压和加压下的实验,如图1所示。
图1 射流雾化实验系统
表1 喷嘴编号及尺寸
2.2 实验方法
喷射介质为水,温度为5℃左右,水流量范围为40kg/h~300kg/h,使用高压计量泵实现对水的精确控制。环境气体为空气,实验背压为4MPa、3MPa、2MPa、1MPa、0.1MPa(图例直接用数字代替,略去MPa)、通过高压气体压气机对压力罐充气达到所需实验压力。射流锥角通过数码相机拍照,拍照位置为喷嘴出口200mm处,曝光时间为1/30s,然后导入CAD中进行处理,获得锥角,由于在同一工况下,射流锥角基本不变,因此可以认为所得图像为实际射流锥角。由于测量的原因造成的误差为±1°,见表1。
图2 8号长径比为20时喷嘴射流锥角与Re数的关系
图3 1号喷嘴射流锥角与Re数的关系
图4 3号喷嘴射流锥角与Re数的关系
图5 8号喷嘴喷射压差和Re数的关系
图6 1号喷嘴喷射压差和Re数的关系
图7 3号喷嘴喷射压差和Re数的关系
3.1 射流锥角与Re数的关系
从图2中可以看出,在较大长径比(20)下,射流锥角在不同背压下均表现出类似的变化规律,即随着Re的增加,射流锥角呈现相同规律的增大。在同一Re数下,总体来说,背压越高,射流锥角越大,说明背压也即环境气体密度对射流锥角影响较大。但在较大背压(3MPa、4MPa)的时候,射流锥角差别较小,明显比2MPa大很多;在较小背压时,出现射流锥角在大Re数时上升较快。为了弄清这是否是由实验误差造成的,对1号和3号喷嘴进行类似分析,如图3和图4所示:观察发现,1号和3号喷嘴在低背压时同样出现和8号喷嘴类似的规律,如图5所示。另外1号和3号喷嘴在较低背压时射流锥角先缓慢增加后快速增加,这很可能是由喷嘴内部流动状态改变引起的,因此,为了进一步解释这种现象,后面分析了射流锥角与喷射压差的关系。
另外,发现尽管1号和3号喷嘴的射流锥角随着Re数增加的趋势没有变,但是锥角增加的速度呈现显著的不同,表现为8号喷嘴和1号喷嘴均呈现出相对较快的增加趋势,并且会继续增加,而3号喷嘴呈现出先快速增加后缓慢增加甚至有减小的趋势。对比发现,3号喷嘴达到的最大射流锥角19°明显大于1号和8号的14°,这可能是由于长径比的不同造成的,因此有必要研究长径比对射流锥角的影响。
3.2 喷射压差与Re数的关系
如图5、图6和图7所示,在相同Re数时,不同背压下的喷射压差差别不明显。在低Re(20000)数时,喷射压差基本相同;随着Re数的增加,低背压下的喷射压差呈现出较快的增加,在高Re数时大于高背压下的压差。对比1号和3号喷嘴,发现这种现象更加明显,在高背压(2MPa、3MPa、4MPa)情况下,喷射压差几乎保持着相同。而在低背压下出现显著的不同,随着Re数的增加,喷射压差增加的速度越来越快,并且明显高于高背压下的喷射压差,这与上述射流锥角的增加趋势一致。为什么会出现这种现象,是因为在较低背压时,喷嘴内部流动状态发生了变化,产生了空穴流动,空穴的产生促进了射流锥角的扩张,因此,在较低背压情况下,空穴流动对射流锥角的影响较大。
对于所有实验喷嘴,试验条件下射流锥角在2°~18°,随雷诺数的增加而增加;在相同Re数下,背压越高,射流锥角越大。
在高背压(2MPa、3MPa、4MPa)条件下,喷射压差几乎保持着相同。而在低背压下出现显著的不同,随着Re数的增加,喷射压差增加的速度越来越快,并且明显高于高背压下的喷射压差。这是由于喷嘴内部流动状态发生了变化,产生了空穴流动,空穴的产生促进了射流锥角的扩张,因此,在较低背压情况下,空穴流动对射流锥角的影响较大。
参考文献
[1] Lefebvre, A.H., Atomization and sprays. 1989, New York: Taylor&Francis.
[2] Kerst, A, B.Judat, and E.U.Schlünder,Flow regimes of free jets and falling films at high ambient pressure. Chemical engineering science, 2000. 55(19): p. 4189-4208.
[3] K.S.Varde, Spray cone angle and its correlation in a highpressure fuel spray, Can. J. Chem. Eng. 63(1985):183-187.
[4]王德忠,姜高植.应用高速摄像技术研究柴油机的喷雾过程[J].上海交通大学学报,2000,34(4):453-457.
中图分类号:TG137
文献标识码:A