邵先月，韓俊寶

1 引言

介質(zhì)霧化型噴嘴霧化質(zhì)量高、氣耗率低，已在電廠鍋爐、工業(yè)窯爐的燃燒設(shè)備中獲得了廣泛應(yīng)用[1]。噴嘴的性能決定了燃燒設(shè)備的材料利用率和能耗，它的性能指標(biāo)在該行業(yè)中起著至關(guān)重要的作用。由于介質(zhì)霧化噴嘴內(nèi)部既有可壓縮的霧化介質(zhì)，又有不可壓縮的流體，氣液兩相流間存在著不可避免的相互影響，其內(nèi)部的流動相當(dāng)復(fù)雜。

介質(zhì)霧化型噴嘴根據(jù)霧化介質(zhì)的變化又可細(xì)分為氣動霧化和氣泡霧化。由于氣泡霧化具有霧化質(zhì)量高、耗氣量少、霧化效果不受出口直徑影響等優(yōu)點，氣泡霧化噴嘴廣泛用于霧化油渣等高粘度液體燃料。本文以氣泡霧化型噴嘴為例進(jìn)行分析。

2 介質(zhì)霧化型噴嘴的結(jié)構(gòu)原理

介質(zhì)霧化型噴嘴存在介質(zhì)混合后再從噴嘴中射出的過程。噴嘴霧化包括兩個過程，出口處的一次霧化和下游的二次霧化。出口處的一次霧化過程是出口處的環(huán)狀液膜被外界氣動力的擾動所影響，液膜表面震動形成表面波，液膜邊緣處隨著波動幅度的增大而發(fā)生破裂，進(jìn)而形成大液滴。下游的二次霧化過程和噴嘴霧化一樣，液線的不穩(wěn)性不斷增加，當(dāng)超過臨界值時，大液滴破碎形成小液滴。在一次霧化與二次霧化的過程中往往也伴隨著液滴的碰撞[2]。

圖1是氣泡霧化噴嘴噴射示意圖，具體的霧化過程：噴嘴出口處的一次霧化受到噴嘴內(nèi)部氣泡對流體的剪切力和擠壓作用，噴嘴外部進(jìn)出口射出的液膜和液線中存在著很多細(xì)小的氣泡，液體攜帶著細(xì)小氣泡從出口射出的同時，由于氣泡的內(nèi)外壓差發(fā)生突變，氣泡膨脹進(jìn)而發(fā)生破裂，攜帶著氣泡的液膜在周圍氣動力和氣泡的膨脹破碎的作用下破碎形成細(xì)小的液滴顆粒；這些形成的液滴顆粒在湍流射流過程中進(jìn)一步發(fā)生破碎，即二次霧化。

圖1 氣泡霧化噴嘴噴射示意圖

圖2 氣泡霧化噴嘴的內(nèi)部流態(tài)

圖2為氣泡霧化噴嘴進(jìn)出口處的內(nèi)部流態(tài)模型，Petersen等人在文獻(xiàn)中將噴嘴進(jìn)出口混合腔出口處的氣液兩相流型分為泡狀流、環(huán)狀流、塊狀流和彈狀流四種經(jīng)典流型[3]。該文獻(xiàn)的實驗發(fā)現(xiàn)，當(dāng)塊狀流和彈狀流在內(nèi)部混合腔中形成時，所形成的外部霧化場的脈動很不穩(wěn)定，所形成的外部霧化場能夠保持連續(xù)穩(wěn)定效果的則是泡狀流和環(huán)狀流。另外，環(huán)狀流與泡狀流的霧化結(jié)果對比得出，環(huán)狀流產(chǎn)生的霧化氣泡比較小，所以霧化效果比較理想。因此，改變噴嘴內(nèi)部結(jié)構(gòu)進(jìn)而使內(nèi)部流場發(fā)生改變對霧化影響很大，噴嘴的霧化性能往往衡量著噴嘴的效果如何。

3 霧化性能指標(biāo)

合理的噴嘴結(jié)構(gòu)能提高液體的霧化質(zhì)量，從而提高噴嘴的性能，不同場合的應(yīng)用中衡量霧化結(jié)果好壞的指標(biāo)也會有所不同。常用的衡量霧化性能指標(biāo)的參數(shù)有流量特性、噴霧周向不均勻度、多噴口管路流量分布不均勻性、液滴粒徑分布、霧化錐角等。

3.1 流量特性

流量特性是衡量噴嘴霧化性能的基本指標(biāo)。隨著壓力增大，噴嘴流量相應(yīng)增大。壓力較小時，流量增長速率較快，壓力增大時，流量增長速率漸趨平緩，直至趨近一個定值。由壓力式噴嘴流量方程也可以得出，壓力增大到一定值時，流量將趨近于某一定值。此時想通過改變壓力來改變噴嘴流量很困難，要增大噴嘴的流量必須通過增加噴孔直徑來實現(xiàn)[4]。

3.2 霧滴粒徑

液體霧化質(zhì)量的好壞可以由液滴直徑大小來衡量。在霧化行業(yè)的發(fā)展過程中形成了不同的直徑表達(dá)方法，在不同場合的應(yīng)用中常見的衡量

液滴粒徑的方法有算術(shù)平均法、體積平均法、表面積平均法、質(zhì)量平均法等，其中常用的有SMD和MMD[5]。所謂MD（SauterMean Diameter）又被稱做索特平均直徑，用d32或者是D32來表示。其具體含義是假設(shè)顆粒群中的顆粒具有相同的形狀和直徑，其中霧化顆粒的總表面積和總體積與實際霧化射流場中的顆粒相同，此時的直徑即為D32。公式表達(dá)為

式中N——液滴群的總液滴數(shù)量

ni——霧滴群中直徑為di的霧滴數(shù)

由公式可以得出，SMD越小則整體的液滴群總表面積會越大，即顆粒粒徑越小，液滴與空氣的接觸面積越大，因此SMD為蒸發(fā)和燃燒中衡量霧化質(zhì)量好壞的重要指標(biāo)。

另一個常用的粒徑表達(dá)方法為MMD（Mass Median Diameter），即質(zhì)量中值直徑，也可以用D0.5和dm來表示，含義是質(zhì)量是中間值的液滴直徑。在整個液滴分布中大于這個直徑的霧滴質(zhì)量和小于這個直徑的霧滴質(zhì)量相同，簡而言之為質(zhì)量平均法。質(zhì)量中值直徑數(shù)值越小，其產(chǎn)生的整體液滴的霧化越細(xì)，霧化效果越好。在一個霧化射流場中，運用不同的方法表示霧化液滴粒徑數(shù)值的話，往往誤差會很大，因此要結(jié)合實際情況選用合適的粒徑表示方法。如果僅僅用粒徑參數(shù)作為最終衡量霧化質(zhì)量好壞的評價參數(shù)，無法對液滴粒徑分布的均勻性進(jìn)行評價，最終得出片面的結(jié)果。實際應(yīng)用中，往往會將霧化液滴粒徑參數(shù)和液滴粒徑的空間分布情況共同作為衡量霧化質(zhì)量的參數(shù)。其中常用的粒徑分布函數(shù)關(guān)系表達(dá)式有羅辛-拉姆勒分布 （Rosin-Rammler Distribution R-R分布）、正態(tài)分布（Gaussian Distribution高斯分布）和上限對數(shù)正態(tài)分布等，其中最為常用的是R-R分布表達(dá)式。

3.3 霧化錐角

液體從噴嘴中噴出后，向霧化室內(nèi)擴散形成霧炬，整個霧炬的形態(tài)呈現(xiàn)圓錐型（不是正規(guī)圓錐）。為衡量霧化錐型的擴張程度，引入了霧化錐角的概念。所謂霧化錐角即為噴嘴出口與霧炬外邊緣之間所形成的夾角。圖3為霧化錐角示意圖。因霧滴動能是持續(xù)衰減的，在噴嘴出口處，霧炬橫向擴散能力不斷減弱，進(jìn)而可能出現(xiàn)一定程度的收縮，所以對于霧化性能好的噴嘴來說，收縮程度不應(yīng)該太大。在沒有外力作用時，霧滴從噴嘴射出后，會受到慣性的作用繼續(xù)沿直線運動，使得噴霧呈圓錐狀。但是往往在實驗過程中，霧滴從噴嘴射出后會攜帶少量空氣伴隨其運動，從而在霧滴的中心形成一定程度的負(fù)壓，當(dāng)霧滴周圍的壓力大于中心的壓力時，霧滴反而會收縮[6]。

圖3 霧化錐角示意圖

噴嘴霧化產(chǎn)生的外部場形態(tài)在距離噴嘴口近處呈現(xiàn)明顯的圓錐狀，而在距離噴嘴口較遠(yuǎn)的下游場，空氣對霧化液滴產(chǎn)生影響使圓錐狀射流場的直徑在一定距離后減小。霧化錐角是指這個圓錐的開度，霧化錐角越大，液滴在霧化流場中的分布越散，霧化錐角的大小直接表征了液滴粒徑的空間分布。霧化錐角的表示方法有射流起始處張角和條件霧化錐角兩種。起始處張角是以噴嘴出口處中心點為頂點，與射流束兩邊切線組成的張角，這種張角不易測得；條件霧化錐角是射流場中距離噴嘴口平面距離為一定值時的平行平面與霧化射流最邊緣處相交的兩點分別與噴嘴出口中心點連線形成的角度。影響霧化角的因素很多，其經(jīng)驗公式的總結(jié)難度也很大。美國紐約州立大學(xué)的N.Ashgriz等人根據(jù)大量的實驗結(jié)果推出了一系列的經(jīng)驗公式，這些公式可以有效判斷霧化角，這里就不再贅述。

4 總結(jié)

通過對霧化機理及其過程的分析，并結(jié)合介質(zhì)霧化型噴嘴的噴射原理及霧化性能指標(biāo)（流量特性、霧滴粒徑、霧滴粒徑分布、霧化錐角），對該類噴嘴有了具體的認(rèn)識，這些霧化性能指標(biāo)對噴嘴的選用、檢測以及今后的使用有著一定的參考價值。