蘭治科 劉文興 魯曉東 蘇光輝 昝元鋒 卓文彬

摘 要：根據(jù)壓水堆穩(wěn)壓器噴霧頭流量大、霧化區(qū)域覆蓋范圍廣等特點(diǎn)，通過對噴霧頭流動(dòng)特性、霧化錐角、流量密度分布和霧化顆粒度四項(xiàng)試驗(yàn)，提出了一套詳細(xì)、完善的測量和數(shù)據(jù)處理方法。通過三個(gè)不同固定視角攝像法測量霧化錐角，并與流量密度分布中獲得角度數(shù)據(jù)進(jìn)行對比。開發(fā)制作了霧化液滴流量密度收集裝置，得到兩個(gè)不同高度截面同一徑向流量密度分布情況，從而反映出整個(gè)噴霧流場高度方向分布情況。設(shè)計(jì)制作了液滴粒徑測量小室，使用攝像法獲得適合粒徑采集的液滴圖像。最后根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，對該類型噴霧頭性能特性進(jìn)行了分析。

關(guān)鍵詞：噴霧 霧化錐角 流量密度 霧化顆粒

中圖分類號：TL332 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號：1674-098X（2015）12（c）-0147-04

Experimental Study on Spraying Characteristics of Pressure-swirl Atomizers

Lan Zhike1 Liu Wenxing1 Lu Xiaodong1 Su Guanghui2 Zan Yuanfeng1 Zhuo Wenbin1

（1.CNNC Key Laboratory on Nuclear Reactor Thermal Hydraulics Technology， Chengdu SiChuan， 610041， China；2. Department of Nuclear Science and Technology， Xian Jiaotong University， Xian Shaanxi， China）

Abstract： According to the atomizer characteristic with larger flow rate and range of atomizered flow， a series of experiments aiming at a detailed characterization of the sprays are presented， including the flow characteristics， the spraining angle， the spray flow rate distribution and the drop size spectrum. In order to obtain the highest detail of information about the flow rate distribution， a device of collecting liquid drop is fabricated. High-speed photographing technology is presented to depict the contour of the liquid drop. In order to perform the photographs， a small chamber with a narrow gap has devised. In the end， the experimental results were shown.

Key Words：Atomizing； Atomizing angle； Spray flow rate distribution； Drop size spectrum

壓水堆（PWR）在當(dāng)前核電及核動(dòng)力裝置中廣泛應(yīng)用的成熟堆型。壓水堆穩(wěn)壓器的噴霧系統(tǒng)，對反應(yīng)堆的運(yùn)行與安全具有重要影響。無論是反應(yīng)堆壓力控制與保護(hù)，還是去除冷卻劑系統(tǒng)中裂變及其它有害氣體，都依賴于穩(wěn)壓器噴霧過程中霧化液滴與蒸汽間充分的熱質(zhì)交換。

由于噴霧機(jī)理的復(fù)雜性，到目前為止還沒有能夠完整、準(zhǔn)確描述噴霧頭性能的好方法。即使目前廣泛應(yīng)用的霧化模擬也在很大程度上取決于噴口附近的液滴粒徑和速度分布作為初始或者邊界條件能否被確定。從而可以看出，在沒有獲得能更好預(yù)測的噴霧性能的方法前，試驗(yàn)研究是獲得噴霧頭性能各項(xiàng)參數(shù)的一項(xiàng)重要方法。

應(yīng)用于壓水堆穩(wěn)壓器的大型噴霧頭，其共同特點(diǎn)是：噴霧頭尺寸和噴霧流量大，液滴粒徑分布范圍較廣，普通粒徑測量儀器不適用于該類型噴霧頭測量。該文分別針對該類型噴霧頭的流動(dòng)特性、霧化錐角、流量密度分布和霧化粒徑四項(xiàng)參數(shù)提出了一套完善的試驗(yàn)方案，并取得了較為滿意的試驗(yàn)結(jié)果。

1 試驗(yàn)系統(tǒng)介紹

該試驗(yàn)系統(tǒng)使用介質(zhì)為水。系統(tǒng)如圖1所示，共由三部分組成，分別為主循環(huán)管路部分、旁通部分和排水部分。旁通管路從主管路上截止閥前接出，直接返回池內(nèi)，達(dá)到為主管道分流、減壓的目的。旁通管路上設(shè)有截止閥，起開關(guān)與調(diào)節(jié)旁通介質(zhì)水量的作用。經(jīng)過噴霧頭的流量和壓降數(shù)值分別從渦輪流量計(jì)和壓力傳感器直接讀取。系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，為了保證主循環(huán)管道流動(dòng)穩(wěn)定和測試準(zhǔn)確性，防止阻塞流量計(jì)、噴霧頭，分別在主管路入口處和減壓閥前設(shè)過濾器和Y型過濾器。

2 試驗(yàn)設(shè)備和方法

2.1 流量特性

流量特性評價(jià)介質(zhì)流體經(jīng)過被測噴霧頭時(shí)，壓降與流量之間的對應(yīng)關(guān)系，籍此判斷工作壓力下流量是否滿足使用要求。試驗(yàn)時(shí)應(yīng)盡可能保持環(huán)境溫度、大氣壓力、介質(zhì)溫度相對穩(wěn)定，盡量減少以上因素變化對試驗(yàn)帶來的影響。該項(xiàng)試驗(yàn)中，環(huán)境溫度為9.5℃；環(huán)境氣壓為97.81 KPa；介質(zhì)為水，溫度為6.5℃。

在保證試驗(yàn)系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行的情況下，分別記錄儀表中流量和對應(yīng)壓降值，繪制流動(dòng)特性曲線圖。

2.2 霧化錐角

霧化錐角評價(jià)噴霧頭霧化液滴分布范圍。該項(xiàng)試驗(yàn)選用攝像法對噴霧頭出口處液滴進(jìn)行拍照。為了盡可能全面反映噴霧頭霧化角大小，選取三個(gè)不同固定視角進(jìn)行拍照，其中任意兩個(gè)視角不在同一條直線上。

2.3 流量密度分布

流量密度分布指噴霧頭下方霧化區(qū)域中，某一水平橫截面液滴流量分布。該項(xiàng)指標(biāo)用來評價(jià)噴霧液滴在霧化覆蓋范圍內(nèi)均勻分布情況。

該項(xiàng)試驗(yàn)采用沿徑向布置同一規(guī)格的測量管收集液滴的方法測定徑向流量密度分布。用每個(gè)測量管收集到的液滴量反映該位置處液滴密度。實(shí)驗(yàn)裝置現(xiàn)場測量如圖2所示。

2.4 霧化顆粒度測定

霧化顆粒度指噴頭霧化有效區(qū)域液滴粒徑的大小。測定液滴粒徑，可以用此衡量噴霧頭的霧化性能。

該類噴霧頭液滴粒徑分布范圍較大，液滴覆蓋范圍廣，因此該項(xiàng)試驗(yàn)選擇了在距離噴霧頭不同兩個(gè)高度對液滴拍照，用標(biāo)準(zhǔn)刻度尺進(jìn)行校核，從而達(dá)到測量液滴尺寸的目的。攝像法測量液滴尺寸的關(guān)鍵是分離被測液滴，得到清晰圖片的同時(shí)又不能干擾液滴正常分裂。霧化顆粒度測量裝置示意圖如圖3所示。

3 試驗(yàn)結(jié)果討論

3.1 流量特性試驗(yàn)結(jié)果分析

如圖4所示得到不同噴霧頭的流量特性曲線圖。每條曲線代表不同噴霧頭流量與壓降的對應(yīng)關(guān)系?？梢钥闯觯路角€1所代表噴霧頭流量隨壓降變化曲線最為平緩，亦即消耗相同壓降時(shí)，所獲得流量變化并不明顯。而最上方曲線2所代表噴霧頭則相反，其所獲得流量變化最大。據(jù)此，可根據(jù)不同流量或者壓力工況要求選擇相適應(yīng)的噴霧頭。

3.2 霧化錐角試驗(yàn)結(jié)果

霧化錐角試驗(yàn)結(jié)果如圖5所示，曲線1附近的五個(gè)噴霧頭曲線在壓降從0.15 Mpa增加到0.25Mpa時(shí)，霧化錐角相對變化不大，均在97°～103°之間。而以曲線2為代變的3個(gè)噴霧頭霧化錐角在壓降范圍內(nèi)均小于70°。其中曲線2霧化錐角隨壓降增加變化不明顯。曲線3代表的兩個(gè)噴霧頭隨壓降增加，霧化錐角減小。

3.3 流量密度分布試驗(yàn)結(jié)果

圖6為其中一個(gè)噴霧頭在確定壓力工況下不同高度所測的霧化流量密度分布情況。上方曲線顯示距中心0.6 m處流量較為密集，距中心0.3 m的范圍內(nèi)流量較小，形成一個(gè)空腔。在下方高度上的分布曲線可以看出，中心空腔擴(kuò)大到距中心0.4 m的范圍，而流量集中的峰值距中心距離約為1.1 m。連線兩條曲線外側(cè)、峰值和其它相似特征點(diǎn)，可得到噴霧頭下方霧化區(qū)域不同高度上流量分布情況。最外側(cè)連線之間的夾角可視為噴霧頭的霧化錐角，與第二項(xiàng)所測結(jié)果可相互驗(yàn)證。該圖中所測霧化錐角與攝像法所測結(jié)果相差小于0.5°，符合較好。

3.4 霧化顆粒度試驗(yàn)結(jié)果

根據(jù)2.4節(jié)中所述處理方法統(tǒng)計(jì)噴霧頭液滴粒徑。圖7為其中某一噴霧頭液滴粒徑概率分布。從圖中可以看出，粒徑400μm的液滴最多，而大部分液滴粒徑位于100μm～700μm之間。但因索太爾均值的計(jì)算方法中考慮了液滴體積的影響，所以該噴霧頭索太爾均值大于1 mm。

4 結(jié)語

該文針對大型噴霧頭的各項(xiàng)性能參數(shù)，提出了一套完善的試驗(yàn)和數(shù)據(jù)處理方法。在流量密度分布和霧化顆粒度試驗(yàn)中，分別制作了適應(yīng)測量的霧化液滴收集裝置和顆粒捕捉攝像室。試驗(yàn)結(jié)果證明以上試驗(yàn)方法針對大型噴霧頭測量可行、有效。

參考文獻(xiàn)

[1] J.Shen， X.Li， Instability of an annular viscous liquid jet[J].Acta Mechanica，1996，114：167-183.

[2] Woo Tae Kim， Sushanta K.Mitra，Xianguo Li.A Predictive model for the Initial Droplet Size and Velocity Distributions in Sprays and Comparion with Experiments[J].Part.Part. Syst.Charact，2003，20：135-149.

[3] Andreas Tratnig，Gunter Brenn. Drop size spectra in sprays from pressure-swirl atomizers[J].International Jounal of Multiphase Flow，2010，36：349-363.

[4] Henryk Anglart，F(xiàn)arid Alavyoon，Remi Novarini. Study of spray cooling of a pressure vessel head of a boiling water reactor[J].Nuclear Engineering and Design，2010，240：252-257.