介质雾化型喷嘴性能研究

邵先月，韩俊宝

1 引言

介质雾化型喷嘴雾化质量高、气耗率低，已在电厂锅炉、工业窑炉的燃烧设备中获得了广泛应用[1]。喷嘴的性能决定了燃烧设备的材料利用率和能耗，它的性能指标在该行业中起着至关重要的作用。由于介质雾化喷嘴内部既有可压缩的雾化介质，又有不可压缩的流体，气液两相流间存在着不可避免的相互影响，其内部的流动相当复杂。

介质雾化型喷嘴根据雾化介质的变化又可细分为气动雾化和气泡雾化。由于气泡雾化具有雾化质量高、耗气量少、雾化效果不受出口直径影响等优点，气泡雾化喷嘴广泛用于雾化油渣等高粘度液体燃料。本文以气泡雾化型喷嘴为例进行分析。

2 介质雾化型喷嘴的结构原理

介质雾化型喷嘴存在介质混合后再从喷嘴中射出的过程。喷嘴雾化包括两个过程，出口处的一次雾化和下游的二次雾化。出口处的一次雾化过程是出口处的环状液膜被外界气动力的扰动所影响，液膜表面震动形成表面波，液膜边缘处随着波动幅度的增大而发生破裂，进而形成大液滴。下游的二次雾化过程和喷嘴雾化一样，液线的不稳性不断增加，当超过临界值时，大液滴破碎形成小液滴。在一次雾化与二次雾化的过程中往往也伴随着液滴的碰撞[2]。

图1是气泡雾化喷嘴喷射示意图，具体的雾化过程：喷嘴出口处的一次雾化受到喷嘴内部气泡对流体的剪切力和挤压作用，喷嘴外部进出口射出的液膜和液线中存在着很多细小的气泡，液体携带着细小气泡从出口射出的同时，由于气泡的内外压差发生突变，气泡膨胀进而发生破裂，携带着气泡的液膜在周围气动力和气泡的膨胀破碎的作用下破碎形成细小的液滴颗粒；这些形成的液滴颗粒在湍流射流过程中进一步发生破碎，即二次雾化。

图1 气泡雾化喷嘴喷射示意图

图2 气泡雾化喷嘴的内部流态

图2为气泡雾化喷嘴进出口处的内部流态模型，Petersen等人在文献中将喷嘴进出口混合腔出口处的气液两相流型分为泡状流、环状流、块状流和弹状流四种经典流型[3]。该文献的实验发现，当块状流和弹状流在内部混合腔中形成时，所形成的外部雾化场的脉动很不稳定，所形成的外部雾化场能够保持连续稳定效果的则是泡状流和环状流。另外，环状流与泡状流的雾化结果对比得出，环状流产生的雾化气泡比较小，所以雾化效果比较理想。因此，改变喷嘴内部结构进而使内部流场发生改变对雾化影响很大，喷嘴的雾化性能往往衡量着喷嘴的效果如何。

3 雾化性能指标

合理的喷嘴结构能提高液体的雾化质量，从而提高喷嘴的性能，不同场合的应用中衡量雾化结果好坏的指标也会有所不同。常用的衡量雾化性能指标的参数有流量特性、喷雾周向不均匀度、多喷口管路流量分布不均匀性、液滴粒径分布、雾化锥角等。

3.1 流量特性

流量特性是衡量喷嘴雾化性能的基本指标。随着压力增大，喷嘴流量相应增大。压力较小时，流量增长速率较快，压力增大时，流量增长速率渐趋平缓，直至趋近一个定值。由压力式喷嘴流量方程也可以得出，压力增大到一定值时，流量将趋近于某一定值。此时想通过改变压力来改变喷嘴流量很困难，要增大喷嘴的流量必须通过增加喷孔直径来实现[4]。

3.2 雾滴粒径

液体雾化质量的好坏可以由液滴直径大小来衡量。在雾化行业的发展过程中形成了不同的直径表达方法，在不同场合的应用中常见的衡量

液滴粒径的方法有算术平均法、体积平均法、表面积平均法、质量平均法等，其中常用的有SMD和MMD[5]。所谓MD（SauterMean Diameter）又被称做索特平均直径，用d32或者是D32来表示。其具体含义是假设颗粒群中的颗粒具有相同的形状和直径，其中雾化颗粒的总表面积和总体积与实际雾化射流场中的颗粒相同，此时的直径即为D32。公式表达为

式中N——液滴群的总液滴数量

ni——雾滴群中直径为di的雾滴数

由公式可以得出，SMD越小则整体的液滴群总表面积会越大，即颗粒粒径越小，液滴与空气的接触面积越大，因此SMD为蒸发和燃烧中衡量雾化质量好坏的重要指标。

另一个常用的粒径表达方法为MMD（Mass Median Diameter），即质量中值直径，也可以用D0.5和dm来表示，含义是质量是中间值的液滴直径。在整个液滴分布中大于这个直径的雾滴质量和小于这个直径的雾滴质量相同，简而言之为质量平均法。质量中值直径数值越小，其产生的整体液滴的雾化越细，雾化效果越好。在一个雾化射流场中，运用不同的方法表示雾化液滴粒径数值的话，往往误差会很大，因此要结合实际情况选用合适的粒径表示方法。如果仅仅用粒径参数作为最终衡量雾化质量好坏的评价参数，无法对液滴粒径分布的均匀性进行评价，最终得出片面的结果。实际应用中，往往会将雾化液滴粒径参数和液滴粒径的空间分布情况共同作为衡量雾化质量的参数。其中常用的粒径分布函数关系表达式有罗辛-拉姆勒分布 （Rosin-Rammler Distribution R-R分布）、正态分布（Gaussian Distribution高斯分布）和上限对数正态分布等，其中最为常用的是R-R分布表达式。

3.3 雾化锥角

液体从喷嘴中喷出后，向雾化室内扩散形成雾炬，整个雾炬的形态呈现圆锥型（不是正规圆锥）。为衡量雾化锥型的扩张程度，引入了雾化锥角的概念。所谓雾化锥角即为喷嘴出口与雾炬外边缘之间所形成的夹角。图3为雾化锥角示意图。因雾滴动能是持续衰减的，在喷嘴出口处，雾炬横向扩散能力不断减弱，进而可能出现一定程度的收缩，所以对于雾化性能好的喷嘴来说，收缩程度不应该太大。在没有外力作用时，雾滴从喷嘴射出后，会受到惯性的作用继续沿直线运动，使得喷雾呈圆锥状。但是往往在实验过程中，雾滴从喷嘴射出后会携带少量空气伴随其运动，从而在雾滴的中心形成一定程度的负压，当雾滴周围的压力大于中心的压力时，雾滴反而会收缩[6]。

图3 雾化锥角示意图

喷嘴雾化产生的外部场形态在距离喷嘴口近处呈现明显的圆锥状，而在距离喷嘴口较远的下游场，空气对雾化液滴产生影响使圆锥状射流场的直径在一定距离后减小。雾化锥角是指这个圆锥的开度，雾化锥角越大，液滴在雾化流场中的分布越散，雾化锥角的大小直接表征了液滴粒径的空间分布。雾化锥角的表示方法有射流起始处张角和条件雾化锥角两种。起始处张角是以喷嘴出口处中心点为顶点，与射流束两边切线组成的张角，这种张角不易测得；条件雾化锥角是射流场中距离喷嘴口平面距离为一定值时的平行平面与雾化射流最边缘处相交的两点分别与喷嘴出口中心点连线形成的角度。影响雾化角的因素很多，其经验公式的总结难度也很大。美国纽约州立大学的N.Ashgriz等人根据大量的实验结果推出了一系列的经验公式，这些公式可以有效判断雾化角，这里就不再赘述。

4 总结

通过对雾化机理及其过程的分析，并结合介质雾化型喷嘴的喷射原理及雾化性能指标（流量特性、雾滴粒径、雾滴粒径分布、雾化锥角），对该类喷嘴有了具体的认识，这些雾化性能指标对喷嘴的选用、检测以及今后的使用有着一定的参考价值。