空气雾化喷嘴雾化机理及影响因素实验分析

蒋仲安，许峰，王亚朋，陈举师

(北京科技大学土木与资源工程学院，北京，100083)

井下常采用喷雾降尘技术来解决粉尘的污染和扩散[1-2]。水在压力的作用下经过喷嘴雾化并分散到空间，捕捉空气中游离的粉尘颗粒，喷嘴雾化的雾滴粒径越接近粉尘颗粒粒径，降尘效果越佳[3]。井下常用的降尘喷嘴分为水喷嘴和空气雾化喷嘴[4-5]。水喷嘴的雾化粒径在100～200 μm 之间，且耗水量大，对水压要求高，对小颗粒粉尘的效率不佳[6-7]，空气雾化喷嘴雾化粒径可达30～50 μm，对小粒径粉尘降尘效果显著[8-9]。空气雾化喷嘴最开始的研究集中于内燃机喷油燃烧方面[10-11]。由于其雾化效果好，耗水量小，对水压要求低特点，空气雾化喷嘴逐渐应用到降尘领域[12-13]。章明川等[14]从气液两相流角度和油膜破碎理论给出了Y型气力喷嘴雾化模型。曹建明等[15]给出了4种不同几何结构的内混式空气雾化喷嘴在不同气压和水流量下的雾滴索特平均径(SMD)和雾化锥角变化规律。王鹏飞等[16]通过自主设计的喷雾实验平台得出了气水喷嘴流量特性和雾场雾滴粒径分布规律。蒋仲安等[17]通过实验得出了气水喷嘴的流量特性和雾滴粒径与降尘效率之间的关系。对于空气雾化喷嘴的流量特性和雾滴粒径分布的研究较多[18]，对空气雾化喷嘴的雾化机理的研究较少[19]，本文作者通过分析一次雾化和二次多级雾化理论得出影响喷嘴雾化特性的主要因素，利用实验分析水压和气压在一次雾化过程和二次多级雾化过程中喷嘴的流量特性和雾场雾滴粒径变化规律。

1 喷嘴雾化机理及实验基础

1.1 空气雾化喷嘴结构

空气雾化喷嘴的液体帽和空气帽组成了喷雾装置。液体帽上有进气孔和进液孔，孔径影响雾滴粒径。空气帽不仅影响雾滴粒径还决定了喷雾液束的形状，可分为内混式和外混式。本文选用的空气雾化喷嘴的液体帽和空气帽如图1所示。液体帽进液孔为1.5 mm，进气孔为环形分布的三孔，孔径为2.0 mm，进气孔与进液孔的夹角为30°。空气帽为内混式可调广角，帽顶开有六孔。

图1 喷雾装置结构图Fig.1 Geometry structure of spray device

1.2 喷嘴雾化机理

1.2.1 一次雾化机理

气力式喷嘴的雾化过程基本相似，可分为一次雾化和二次雾化[20]。一次雾化是指液体破碎成液滴的过程，发生在液-气的交界面上，液体受到气体的扰动产生不稳定的波动。以液束轴向为z轴，径向为r轴建立坐标系，如图2所示。其中，λ为波长；a为液柱半径。

根据表面波线性不稳定分析有：

式中：A为波的振幅，m；A0为初振幅，m；ω为波的角频率，Hz；t为时间，s。

角频率ω表达式为

图2 液体表面波示意图Fig.2 Schematic diagram of liquid surface wave

式中：k为波数，λ为波长，m；c为波速，ρg和ρl分别为空气和液体的密度，kg/m3；μl为液体的黏度，Pa·s；σl为液体的表面张力，N/m；β为Jeffrey系数，取0.3；ug和ul分别为空气和液体的速度，m/s。

由断面与流量的关系可知：

式中：Qg为气流量，m3/s；Sg为进气孔断面积，m2；Ql为水流量，m3/s；Sl为液体出口孔截面积，m2。

整理后得：

定义临界波长λc：

空气的产生的小扰动波的波长λ小于λc时，ω为负值，波幅迅速衰减；而当λ>λc时，ω为正值，波幅A迅速增大形成细长的波峰，在空气剪切的作用下，波峰断裂，在液体表面张力的作用下形成液滴，液滴的粒径D与波长λ存在以下关系。

式中：C为系数，由实验确定。

一次雾化受喷嘴的结构、液体和气体的流量、气体的密度、液体的表面张力、黏性和密度的影响。一次雾化需要克服液体的表面张力和黏性力。喷嘴的气流量远大于液体流量，在孔径相差不大的情况下，气体流速大于液体的流速，气体流速的越大，临界波长λc越小，雾化越容易发生，雾化后液滴的粒径越小。

1.2.2 二次雾化机理

一次雾化形成的液滴与周围空气存在速度差，是否继续破碎成更小的液滴取决于韦伯数We，若We大于临界Wec则液滴破碎，形成二次雾化。二次雾化可能发生多级破碎，每级液滴是否破碎仍取决于We，因此，引入表征黏性效应的昂色格数On和液滴完全破碎的时间T。

式中：Di为某初始液滴的直径，m；ti为液滴Di的破碎时间，s；γ为空气与液体的密度之比，为液滴与空气的相对速度，Δui=ui-ug，m/s。

临界韦伯数Wec和完全破碎时间T计算公式如下：

若液滴发生了一级破碎，则满足条件We>Wec，即：

假设液滴破碎成2部分，则破碎后的液滴直径Di+1=Di/1.26，体积Vi+1=Vi/2。发生一级破碎后，液滴Di+1的速度ui+1计算公式如下：

式中：ui为一次雾化后生成的液滴Di的初速，m/s；vg为空气运动黏度，m2/s。

由式(14)和(15)求得一级破碎后液滴Di+1和ui+1作为下次破碎的初值，若发生多级破碎则需判断每次的We是否大于该条件下的Wec，直至不满足条件，二次雾化过程结束，雾滴稳定。

由以上分析可知，雾化主要取决于喷嘴的结构、气液体的物理特性、气液体的流量以及液滴与周围空气的速度差。对于空气辅助雾化喷嘴来说，工作的介质分别为空气和水，其物理特性随工作条件的变化改变不大，影响其雾化特性主要是喷嘴结构和气液流量特性。喷嘴的流量特性与水压和气压有关，因此，本文将分析不同水压和气压下的流量特性对雾化效果的影响。

1.3 喷嘴雾化实验装置

北京科技大学防尘实验室的喷嘴雾化实验装置分为气路、水路和雾滴测量装置3 部分，如图3所示。气路的气源由空压机提供，气压范围为0.1～0.7 MPa，通过空气调压阀调节气路压力，压力在0～1.0 MPa 内可调，调节精度为0.01 MPa，转子流量计显示气体流量，阀门控制气路的通断。水路的水压由QL-380A 型清洗机提供，压力在0～8 MPa 范围内可变，流量计显示水的流量。雾滴测量装置为JL-3000型激光粒度仪，测量范围为0.5～1 300 μm。

图3 雾化实验装置示意图Fig.3 Schematic diagram of atomization experiment device

2 喷嘴流量特性分析

2.1 水流量变化规律

气-水喷雾由气路和水路2 部分构成，气路和水路相互影响，表现为水流量不仅与水路的水压有关，还与气路的气压有关。实验分别记录不同水压和气压下气水流量变化情况。水流量随水压和气压的变化如图4所示。由图4可知：1)固定气压不变，水压由0.3 MPa 增大到0.8 MPa，水流量由小增大。当水压为0.3 MPa时，水流量最小，当水压为0.8 MPa时，水流量最大。2)气压对水流有阻碍作用，增加气压，水流量减小。当气压为0 MPa 时，此时各水压下水流量最大；当水压为0.3 MPa时，气压由0 MPa变为0.6 MPa时，水流量由1.46 L/min 减小到0.45 L/min。3) 当水压小于0.6 MPa 时，随着水压的增大，每增加0.1 MPa 的气压，水流量的减少量减小。当水压为0.3 MPa 时，每增大0.1 MPa 的气压，水流量减小0.17 L/min。当水压大于0.6 MPa时，水流量的减少量随水压的增大保持稳定。当水压为0.8 MPa时，水流量减小0.095 L/min，如图4(b)所示。

图4 水流量与压力的关系Fig.4 Relationship between water flow and pressure

2.2 气流量变化规律

气流量随气压和水压变化如图5所示。由图5可知：1) 在不同水压下，气压由0.2 MPa 增大到0.6 MPa，气流量呈线性增大。当气压为0.2 MPa时，气流量最小；当气压为0.6 MPa时，气流量最大。2)水压对气流有阻碍作用，增加水压，气流量减小。随着水压的增大，气流量减少量增大。当水压为0 MPa 时，气流量最大。当水压为0.8 MPa和气压为0.2 MPa时，气流量由水压0 MPa时的110 L/min 减小到61.6 L/min。3) 随着气压的增大，水压对气流量的影响逐渐减小。气压0.4 MPa为气流量减少量变化的分界点，当气压小于0.4 MPa时，每增加0.1 MPa的水压，气流量减少量减小缓慢。当气压大于0.4 MPa时，气流量减少量减小加剧，如图5(b)所示。

图5 气流量与压力的关系Fig.5 Relationship between air flow and pressure

压差存在，水和空气才会流动。当仅有水流入空气帽混合腔内，水路的压差为水泵提供的压力与空气帽内气压的差值。差值越大，水流量越大，当混合腔内注入一定压力的空气，相当于降低了压差，水流量随之减小。气流量的变化与之相同。

2.3 气液流量比变化规律

气液流量比(Qg/QL)是指气流量与水流量的比值，该比值反映雾化单位液体所需气体的量，间接反映出雾化单位液体的气体所具有的能量，可以用来描述空气雾化喷嘴的耗水量、耗气量和雾化效果。液气压力比(pl/pg)用来反映供水压力和供气压力的关系。由图6可知：液气压力比与气液流量比满足幂函数关系，拟合后相关性R2为0.980 4，拟合后得函数关系式为

图6 气液流量比与液气压力比的关系Fig.6 Relationship betweenQg/Ql andpl/pg

由函数关系可知：当液气压力比在1.0 以内，气液流量比随着液气压力比的增大迅速降低；当液气压力比为1.0 时，气液流量比为115.56，表明气体流量近似是水流量的115.56 倍；当液气压力比大于1.0时，气液流量比随着液气压力比的增大缓慢减小。说明气压的变化对喷嘴的流量影响更显著。

3 喷嘴雾化特性分析

3.1 雾场雾滴粒径分布

图7所示为水压为0.5 MPa下，气压由0.2 MPa变化到0.6 MPa过程中，雾场轴线上距离不同位置粒径分布。雾滴从喷嘴喷射出来时，粒径大，随着雾滴运动距离的增加，粒径缓慢减小，等雾滴运动到50 cm后，粒径迅速增大。

当喷射的距离为30～50 cm 时，随着距离的增大，气液两相间动量交换减弱，一次雾化逐渐转变为二次雾化，一次雾化的粒径大，雾滴数量少，二次雾化粒径小，雾滴数量多。当喷射距离大于50 cm后，随着距离的增加，雾滴与空气的速度逐渐减小，二次雾化停止，由于雾滴在不断的运动，较小的雾滴碰撞后融合成大的雾滴，但由于自身与周围空气速度差不满足次破碎的条件，雾滴无法破碎，继续增大。

图7 雾滴粒径随喷射距离变化关系Fig.7 Relationship between droplet size and jetting distance

3.2 水压对雾滴粒径的影响

固定气压为0.4 MPa，雾场轴线70 cm 处雾滴粒径随水压的变化见表1。随着水压的增大，雾滴粒径呈现出“增大—减小”变化规律。当水压在0.3～0.6 MPa 范围内，雾滴粒径随着水压的增大而增大，水压每增大0.1 MPa，雾滴粒径D50平均增大0.774 μm；当水压大于0.6 MPa 时，雾滴粒径随着水压的增大而减小。雾滴粒径相对尺寸Δs随着水压的增大而减小。

混合腔内气体雾化单位液体所提供的能量是一定的。由表1和图6可知：当水压为0.3～0.6 MPa时，随着水压的增大，气液流量比由153 降到74，混合腔内水流量增加和气流量减小，气体所提供的雾化能量减小而液体量却增加，液体得不到足够的被破碎成更细雾滴的能量，一次雾化效果随着水压的增大减弱。当水压大于0.6 MPa时，气液流量比降到57～65，混合腔内一次雾化能力降到最低。

表1 水压对雾滴粒径的影响Table 1 Effect of water supply pressure on droplet size

3.3 气压对雾滴粒径的影响

当固定水压为0.4 MPa 时，气压由0.2 MPa 增大到0.6 MPa，雾场轴线70 cm 处雾滴粒径变化如表2所示。雾滴粒径随着气压的增大而减小，气压每增大0.1 MPa，雾滴D50平均减小1.32 μm。∆s随着气压的增大而增大，雾滴粒径相对尺寸范围增大。

由表2和图6可知：随着气压的增大，混合腔内注入气体的流量增大，液体的流量减小，气体流速增大，液体流速减小，气液两相的流速差增大，一次雾化形成的雾滴与空气的速度差增大，二次雾化加强，液滴破碎的更细，粒径越小。

3.4 气液压力比对雾滴粒径的影响

雾场轴线70 cm 处雾滴粒径D50随气液压力比的变化规律如图8所示。当气压越大，水压越小时，气液压力比越小，由图6可知：气液流量比越大，气液两相的速度差越大，二次雾化效果越好。当气压增大到0.6 MPa时，腔内水流量过少，雾化后的雾量少，雾滴粒径小，蒸发快，且气体利用率降低。由表1和表2可知：最佳的pl/pg应为0.8～1.0，由式(16)可知对应的气液流量比为115～146。

表2 气压对雾滴粒径的影响Table 2 Effect of air supply pressure on droplet size

图8 雾滴粒径D50与pl/pg的关系Fig.8 Relationship between droplet particle sizeD50 andpl/pg

拟合实验数据得到雾滴粒径与液气压力比之间的函数关系得：

拟合的函数关系的相关性R2为0.942 5。由函数关系式可知：当液气压力比接近0时，雾滴粒径D50越接近最小值18.23 μm，但永远无法达到18.23 μm。这验证了空气雾化喷嘴雾化的雾滴粒径存在理论上的最小值，但现场应用无法达到。

4 结论

1)由一次雾化和二次多级雾化理论可知，喷嘴雾化特性受喷嘴结构、水流量、气流量和雾滴与周围空气速度差影响。

2)喷嘴流量特性与水压和气压有关。当固定气压时，水流量随水压的增大而增大，增加气压能降低水流量，气压增加幅度越大，水流量降低幅度越大。当固定水压时，气流量随气压的增大而增大，增加水压，气流量减小，水压增加幅度越大，气流量减小得越多。气液流量比(Qg/Ql)与液气压力比(pl/pg)存在幂函数关系，指数为-1.09。随着pl/pg增大，Qg/Ql随之增大，表明气压的变化对喷嘴的流量特性有显著的影响。

3)随着喷射距离的增加，由一次雾化向二次雾化转变直至雾化终止，对应的雾滴粒径由大变小再变大。随着水压的增大，雾滴粒径呈现出“增大—减小”的变化规律。随着气压的增大，雾滴粒径减小。

4)最佳的液气压力比为0.8～1.0，对应的最佳气液流量比为115～146。雾场内雾滴粒径与pl/pg存在三次函数关系，随着pl/pg的增大，雾滴粒径呈现出“增大—平缓—增大”的变化规律；雾化的雾滴理论上的最小粒径为18.23 μm，验证了喷嘴雾化雾滴最小粒径的存在，但在实际应用中该最小粒径无法实现。