空气辅助式SCR 系统非圆形喷孔喷雾速度场研究

叶丽华 ,李杰，施爱平

（1.212013 江苏省 镇江市 江苏大学 汽车与交通工程学院；2.212013 江苏省 镇江市 江苏大学 农业工程学院）

0 引言

选择性催化还原技术（Selective Catalytic Reduction，SCR）是柴油机动车尾气净化环节中控制氮氧化物（NOX）排放最为关键的技术。在SCR系统中，核心部件是尿素喷射系统，尿素水溶液的喷雾特性直接影响尿素的分解及其与排气的混合，从而影响NOX的转化效率[1-6]。

根据尿素溶液的雾化方式可分为空气辅助式和非空气辅助式尿素喷射系统，许多研究表明，空气辅助式喷射系统更有助于尿素溶液的雾化。赵英良[7]等分析了两种喷射系统的硬件结构、工作过程及整车匹配需求差异等技术差异，结果表明空气辅助式系统优势明显，尿素转化效率高；华伦[8]等利用高速摄影技术和粒子动态分析仪对这2 种SCR 尿素喷射系统进行了比较，发现随着尿素溶液喷射速率的提高，空气辅助喷射系统的喷雾贯穿距增大，喷雾锥角变小，喷雾液滴粒径明显小于无空气辅助喷射系统，因而具有良好的喷雾特性。

许多学者通过实验方法研究了尿素水溶液（Urea Water Solution，UWS）的喷雾特性，并且使用光学技术完成了相关研究。SPITERI[9]等使用阴影成像技术和PIV 系统，在不同试验条件下研究了压力式喷嘴的喷雾雾化特性，并用PIV 分析的速度场表明喷射工况对喷雾的夹带效果影响很大。PAYRI[10]等研究了UWS 喷射系统的液滴雾化过程，发现增加喷射压力会产生轴向上具有较高速度的较小颗粒。

迄今为止，大部分的喷雾特性研究都基于圆形喷孔进行，很少涉及非圆形喷孔。国内外一些学者研究发现，非圆形喷孔在很大程度上能够改善喷雾质量。QUINN[11]通过实验比较了三角形和圆形喷孔的喷雾特性，测量了平均速度的3 个分量，从实测数据中获得了平均流向涡度，湍流动能和平均流向速度中的局部剪切力，发现等边三角形射流的能量要比圆形喷孔高，并且等边三角形喷孔的近场混合速率比等腰三角形喷孔和圆形喷孔快。KASYAP等[12]通过实验方法研究了在静止空气条件下，椭圆形和圆形喷孔的液体喷雾行为。观察到了椭圆形喷雾的轴切换现象，即在短轴平面内喷射宽度较大，然后在下游的地方变成圆形，最终沿射流轴线反转。综上可知非圆形喷孔通常会有较好的喷雾特性，从而提供更好的混合质量。而液滴速度影响尿素水溶液与尾气的混合质量，本文对空气辅助式SCR 系统非圆形喷孔的喷雾速度场进行研究。

1 试验材料与方法

考虑到影响喷雾特性的物理因素，特别是表面张力和粘度，对于纯净水和尿素水溶液是相似的，孟雪峰[13]等通过实验对尿素溶液以及纯净水进行对比分析，发现用纯净水代替尿素溶液是可行的，所以本次实验中同样以纯净水替代尿素溶液进行喷雾试验，避免尿素水溶液对设备的污染。图1 为试验所设计的喷嘴，为了控制误差以及节约试验成本，在圆孔盘中心利用电火花加工技术进行开孔，所开喷孔形状以及尺寸如表1 所示。为了探究喷孔形状对喷雾特性影响，非圆形喷孔出口截面积在误差范围内认为与圆形喷孔面积相同。

图1 喷嘴装配结构尺寸Fig.1 Model of nozzle assembly

表1 喷孔参数Tab.1 Orifice parameters

图2 为实验系统示意图，系统由空气辅助式尿素喷射系统和PIV 测量系统组成。使用空气压缩机提供喷射压力，压缩机可提供的最大压力为0.8 MPa。水泵流量范围为100～7 000 ml/h，水流量由计算机通过USB-CAN II 适配器精确控制。通过调压阀将压缩空气的压力控制在一个恒定值，然后在压缩空气的帮助下将水输送到喷嘴，水和空气在喷嘴内部相互作用后同时从喷孔喷出。

图2 试验系统图Fig.2 Diagram of experiment setup

PIV 测量系统主要由双脉冲掺钕钇铝石榴石（Nd：YAG）激光器、同步控制器、CCD 相机和图像处理分析软件。激光波长为532 nm，CCD 相机用于图像采集，为了更清晰准确地获取数据，将荧光颗粒添加到水中。激光束通过L 形圆柱棱镜组扩展，以形成厚度为1 mm 的光片。可以旋转片状光学器件以调整光的方向，以更好地照亮测试流场。为了在光片区域捕获数据，应将CCD 相机垂直于光片光学器件放置。同步控制器同步控制激光和CCD 摄像机的触发。同步控制器同时生成周期性的脉冲触发信号和多个延迟的触发信号，这些信号使激光器、CCD 相机和图像采集软件协同工作。通过高分辨率 CCD 相机连续两次（t1、t2时刻，时间间隔Δt）拍摄记录示踪粒子在流场空间的瞬时位置，经过图像处理识别出两帧图像上对应的示踪粒子，利用互相关分析方法，求出时间间隔Δt 内喷雾的速度场，最后分别提取粒子轴向和径向速度进行分析。

2 试验结果

2.1 喷射工况对轴向速度场的影响

喷射速率为3 000 ml/h 时，不同喷射压力下3种喷孔出口平均速度沿轴向变化的情况如图3 所示。对于圆形喷孔，测量平面是长轴所在平面，对于三角形喷孔，测量平面是三角形高度所在的平面。对于3 种喷孔，可以看出喷雾速度沿喷射轴线先增大然后减小。这是由于雾化的液滴离开喷嘴后，由于缺乏外力，并受到空气阻力和液滴间相互作用的影响，液滴的加速度逐渐减小，从而导致液滴速度先增大然后减小。

图3 喷雾轴向速度随喷射压力变化情况Fig.3 Variation of axial velocity under a constant injection at different air pressure

对比各个喷孔喷雾的峰值速度，可以发现圆形喷孔喷雾的轴向速度随着喷射压力的增加先升后降。具体为：当压力小于0.5 MPa 时，喷雾速度随着喷射压力的增加而增加，速度最大值约为17.5 m/s；当喷射压力达到0.6 MPa 时，喷雾速度会下降。三角形喷孔喷雾具有与圆形喷孔相同的现象，速度最大值约为17.5 m/s。KIM[14]等发现在试验工况下，喷嘴中存在环状流动，液体碎裂成轴向运动的液线和液滴，气体在喷嘴的中部形成气柱，液相则绕喷孔内壁一周形成环形液膜。在喷射气体和液体之前，混合过程伴随着剧烈的相互作用，从而增加了液体的表面能。当气体到达喷嘴出口时，压力高于环境压力，气体进一步膨胀和加速，然后在气体和液体之间产生更高的相对速度。因此，当液体喷射速率恒定时，随着喷射压力的增加，空气和水的相互作用变得更加强烈。在这一阶段，空气的强烈运动加强了水与空气的混合过程，导致水和空气间的相对速度随喷射压力的升高而升高。但是气体和液体在雾化器的密闭空间中混合，当喷射压力达到0.6 MPa 时，流体的流动阻力增加。另外，由于空气的快速流动，水和空气的混合物在没有充分混合的情况下从喷孔喷出，压缩空气不能为水提供足够的能量，因此圆形和三角形喷孔的喷雾速度下降。相比之下，椭圆喷孔的喷雾速度随喷射压力的增加而增加，当喷射压力为0.6 MPa 时，速度达到最大值21.3 m/s,要比圆形喷孔和三角形喷孔的喷雾速度大21.7%。这可以解释为，椭圆喷孔造成的轴转换现象使界面处的流动不稳定性增加,同工况下液滴粒径更小，这可以使气液混合质量得到显著改善[15-16]，但实际应用过程中，速度过大容易造成喷雾碰壁现象。

如图4 所示为在0.4 MPa 喷射压力下，喷雾轴向速度随喷射速率的增加而变化的趋势。如图4（a）所示，圆形喷孔的喷雾速度随喷射速率的增加而增加，直到喷射速率为4 000 mL/h。如前文所述，当气体和液体移动到喷嘴出口时，增加喷射速率还可以提高气液之间的相对速度，相对速度的增大会使得液膜表面的扰动振幅增大，片状液体会碎裂形成更细小的液滴。因此，在一定范围内增大喷射速率，喷雾速度会增加，但是当喷射速率达到5000 mL/h时，液体便占据更多的空间，而0.4 MPa 的喷射压力无法完全雾化那么多的水，最终导致射流发生，从而平均速度降低。对于椭圆喷孔，在3 000，4 000，5 000 mL/h 的喷雾速度非常接近，这说明在恒定喷射压力下，增加喷射速率不能使椭圆喷孔喷雾速度大幅度提高。还可以发现，椭圆形喷孔的喷雾速度大于圆形和三角形喷孔的喷雾速度。如前所述，这是由于椭圆喷孔轴转换现象的存在所导致。图4（c）表明，3 000 mL/h 的喷射速率时三角形喷孔能够得到最大速度。此外，与圆形喷孔和椭圆形喷孔相比，三角形喷孔喷雾最快达到最大值，速度衰减率高于其他喷孔速度衰减率，因此混合效率更高，这一结论同样可以从图3 中得出。

图4 喷雾轴向速度随喷射速率变化情况Fig.4 Variation of axial velocity under a constant air pressure at different liquid injection rates

2.2 喷射工况对径向速度场的影响

图5 给出了在3 000 mL/h 喷射速率和不同喷射压力下，距喷嘴44 mm 处横截面的喷雾速度分布。由图5 可见，最大速度出现在轴线附近，但不完全在轴线上，而且曲线不是完全对称的，这是因为液滴受空气湍流的影响并在运动过程中蒸发，并且液滴之间的碰撞将导致液滴继续破裂或聚集。对于椭圆喷孔，在远离轴线处，不同工况下的速度分布曲线几乎重叠，这是由于在径向上距离喷嘴越远的区域中，液滴速度越低，液滴在径向上的扩散能力越弱。同位置处，三角形喷孔和圆形喷孔喷雾速度要大于椭圆喷孔喷雾速度，表明喷雾能够与尾气混合更充分。由图5 还可以发现，当喷射压力低时，喷射压力的增加带来了明显的速度变化，当喷射压力较高，速度大小仅在轴线附近发生变化。以圆形喷孔为例，当压力从0.2 MPa 增加到0.3 MPa 时，曲线上几乎所有的点都向上移动，但是，当压力从0.4 MPa 增加到0.5 MPa 时，只有靠近轴的点才会改变。可以看出，喷射压力的增加将削弱沿径向的扩散，液滴将被带到下游。对于椭圆孔的长轴面，当压力为0.3 MPa 时，速度达到18 m/s，然而，增加喷射压力并没有明显的变化。作为对比，椭圆喷孔的短轴面，在喷射压力为0.5 MPa 时速度达到最大值20.7 m/s，依然要高于圆形喷孔和三角形喷孔喷雾的速度峰值，这也进一步证实了轴转换现象的存在。从图5（d）中可以发现，三角形喷孔横截面的速度比圆形喷孔和椭圆形喷孔的速度更混乱，这可能归因于三角形喷孔的锐角使得液滴破碎没有圆形喷孔和椭圆喷孔均匀[15]。

图5 径向速度随喷射压力变化情况Fig.5 Variation of radial velocity under constant liquid injection rate at different air pressure

图6 给出了在0.4 MPa 的喷射压力和不同的喷射速率下，距离喷嘴44 mm 处的横截面处的喷雾速度的分布。从图6 可以看出，喷射速率为1 000～4 000 mL/h 时，随着喷射速率的增加，峰值速度也就是靠近轴线的速度增加，继续增大喷射速率到5 000 mL/h，峰值速度下降，并且只有椭圆喷孔长轴面下降不明显，这与图4 中显示的结果一致。此外可以发现，每种工况相对应的曲线之间会出现相交，尤其是在喷射速率为2 000，3 000，4 000 mL/h 时，在与每种条件相对应的曲线之间会出现相交，尤其是在液体注入速度为2 000，3 000，4 000 mL/h时，说明在雾化效果好的情况下，增加喷射速率对增加喷雾速度没有显著影响。

图6 径向速度随喷射速率变化情况Fig.6 Variation of radial velocity under constant air pressure at different injection rates

3 结论

（1）对于轴向速度，改变喷射压力时，三角形和圆形喷孔在0.5 MPa 时速度达到最大值17.5 m/s，椭圆形喷孔在0.6 MPa 时达到最大值21.3 m/s，表明椭圆喷孔的轴转换现象能够促进气液的混合；

（2）改变喷射速率时，圆形和椭圆喷孔喷雾速度在4 000 mL/h 时分别达到最大值，三角形喷孔3 000 mL/h 时喷雾速度达到最大值，圆形喷孔喷雾峰值速度约为16.6 m/s，椭圆喷孔喷雾峰值速度比圆形喷孔大15%，表明椭圆喷孔喷雾初始动能更大，但实际应用中可能会造成喷雾碰壁现象；

（3）三角形喷孔喷雾峰值速度比圆形喷孔小11.4%，但是三角形喷孔喷雾最快达到峰值速度，表明三角形喷孔喷雾能与尾气更快地混合；

（4）雾化良好的工况下，所选取截面上改变工况对径向速度影响不明显，仅在靠近轴线处有较大影响。喷射压力的增大会削弱沿径向的扩散，液滴被带到下游。