摘要： 針對目前霧化噴嘴存在的霧化壓力高、霧化范圍小等問題，設計了一種霧化噴頭，并分析了該噴頭的霧化特性.利用激光粒度測試儀探究壓力為0.15～0.30 MPa、出口直徑為0.3～0.9 mm等條件下對噴頭霧化錐角、速度場和液滴粒徑的影響，獲取了不同試驗條件下流場流動特性的變化規(guī)律：在低壓力下，霧化錐角受噴頭出口直徑的影響較大，出口收縮角越大則霧化特性越優(yōu)良；出口直徑為0.9 mm的噴頭，噴腔長孔比為1、出口收縮角為75°時更能實現(xiàn)大范圍的作業(yè)；隨著噴霧壓力增大，水滴速度最大值也顯著增大，但壓力對霧化流場整體速度分布趨勢的影響不大.水滴直徑也隨著噴頭出口直徑增大而增大，且噴頭出口直徑對水滴直徑影響顯著，但水滴直徑相同時，出口直徑越大，水滴速度越小.該結(jié)果為霧化噴頭在中低壓范圍內(nèi)的應用提供了理論參考.

關鍵詞： 霧化噴頭；霧化特性；液滴粒徑；霧化錐角；出口直徑；出口收縮角

中圖分類號： S277.9；S491 文獻標志碼： A 文章編號： 1674-8530（2024）04-0426-07

DOI：10.3969/j.issn.1674-8530.23.0019

馮靜之，朱興業(yè)，華珊，等.不同結(jié)構(gòu)參數(shù)對噴頭霧化特性的影響規(guī)律［J］.排灌機械工程學報，2024，42（4）：426-432.

FENG Jingzhi， ZHU Xingye， HUA Shan， et al. Influence of different structural parameters on atomization characteristics of nozzle［J］.Journal of drainage and irrigation machinery engineering（JDIME），2024，42（4）：426-432.（in Chinese）

Influence of different structural parameters on

atomization characteristics of nozzle

FENG Jingzhi1， ZHU Xingye1，2*， HUA Shan2， QIAN Zhao1， LIU Junping1

（1. National Research Center of Pumps， Jiangsu University， Zhenjiang， Jiangsu 212013， China； 2. Key Laboratory of Agricultural Equipment for Hilly and Mountainous Areas in Southeastern China（Co Construction by Ministry and Province）， Ministry of Agriculture and Rural Affairs， Hangzhou， Zhejiang 310022， China）

Abstract： Aiming at solving the problems of high atomization pressure and small atomization range in the development of current atomization nozzles， a new atomization nozzle was designed， and its atomization characteristics were analyzed. A laser particle size tester was used to investigate the effects of pressure （0.15-0.30 MPa） and different outlet diameters （0.3-0.9 mm） on the nozzle atomization cone angle， velocity field， and droplet size， to obtain the changed rules of flow characteristics of the flow field under different test conditions. It is found that under low pressure， the atomization cone angle is greatly affected by the nozzle outlet diameter， and the larger the outlet contraction angle， the better the atomization characteristics. The nozzle with a outlet diameter of 0.9 mm can achieve a relatively wide range of operation when the length-to-diameter ratio of spray cavity is 1 and the outlet contraction angle is 75°. With the increase of working pressure， the maximum value of droplet velocity also increases significantly， but the pressure has little influence on the overall velocity distribution of the atomization flow field. The droplet diameter also increases with the increase of outlet diameter， and the nozzle outlet diameter has a significant impact on the droplet diameter， but the larger the outlet diameter， the smaller the droplet velocity under the same droplet diameter. This result provides a reference for the application of nozzles in the medium and low pressure range.

Key words： atomization nozzle;atomization characteristics;droplet size;atomization cone angle;outlet diameter;outlet contraction angle

節(jié)水灌溉裝備的研發(fā)升級和節(jié)水灌溉技術(shù)的進步是提高農(nóng)業(yè)水資源利用率，實現(xiàn)中國農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的必須手段［1］.而霧化噴頭是一種相對于傳統(tǒng)灌溉用噴頭能夠更高效地利用水資源并提高節(jié)水節(jié)能效率的裝備，它對于改善農(nóng)田生態(tài)環(huán)境能發(fā)揮非常重要的實際效益［2-4］.

目前霧化噴頭的研究方法主要從霧化的原理切入，對液柱及液膜射流的破碎機理進行研究.GONZALEZ-JUEZ等［5］利用粒子篩選器和CFD軟件得到液滴軌跡及液膜厚度的分布規(guī)律.HE等［6］借助高速攝影及相位多普勒干涉儀對噴霧特性進行測量，發(fā)現(xiàn)隨環(huán)境壓力的增加，噴霧區(qū)域和完整的液膜面積減小，噴霧角度變小、噴霧寬度和破碎長度縮短，液滴粒徑（sauter mean diameter，SMD）沿徑向逐漸增大.TURNER等［7］對經(jīng)典霧化模型和直接數(shù)值模擬的替代模型進行建模，測試出與流動相關的2個液滴尺寸分布等局部信息參數(shù).張林國等［8］使用高速攝影設備和Matlab軟件研究了孔徑為0.3，0.5，0.8和1.0 mm的低壓精細霧化噴頭在0.15 MPa壓力下的流量、霧化角和霧化粒徑霧化特性.吳英亮等［9］利用Fluent軟件開展正交試驗模擬，研究了噴頭出口縮進距離、噴頭出口直徑、噴頭氣液夾角等參數(shù)對噴頭霧化性能的影響.朱興業(yè)等［10］對低壓霧化噴頭進行了正交試驗，得到影響射程的因素按主次順序分別為孔徑、壓力、噴頭和錐盤間距.侯詩文等［11］采用CFD對滴頭內(nèi)部流場進行仿真計算，分析了滴頭內(nèi)部流場分布特性和滴頭出入口流體物理參數(shù)變化特征.XIA等［12］利用高速攝影及相位多普勒風速儀發(fā)現(xiàn)SMD隨空氣動力學韋伯數(shù)的增加而呈指數(shù)變化.DONG等［13］對氣液交界面進行追蹤，預測出噴嘴出口霧化角變化及噴嘴液膜的形成對霧化特性的影響.吳進軍等［14］對直射式噴嘴采用試驗和數(shù)值模擬的方式開展研究，發(fā)現(xiàn)壓力增大對一次霧化的影響要比二次霧化的影響大.孫春華等［15］建立了氣泡霧化噴射可視化試驗系統(tǒng)以及噴嘴內(nèi)部和霧化流場中的氣液流動模型，發(fā)現(xiàn)液滴粒徑分布范圍隨噴頭出口軸向距離增大而增大，且液滴峰值的數(shù)量減少.段福義［16］對噴頭仰角調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)以及可旋轉(zhuǎn)霧化調(diào)節(jié)器進行優(yōu)化設計，實現(xiàn)噴頭流量與霧化射程的同步調(diào)整.楊超等［17］通過噴霧試驗對比分析了改進前后噴嘴的霧化效果，并探究了不同運行參數(shù)對拉瓦爾式結(jié)構(gòu)噴嘴霧化性能的影響規(guī)律.

以上研究往往是通過對液柱、液膜的破碎機理評價噴頭性能的優(yōu)劣，但關于不同工況及不同結(jié)構(gòu)參數(shù)的噴頭噴灑霧化特性之間的研究較少，可以采用多因素綜合評價的方式對噴頭的性能進行評價.因此，文中通過設計試驗，探究不同結(jié)構(gòu)參數(shù)對霧化特性的影響，利用Tecplot擬合不同工況下的時間平均速度云圖進行后續(xù)分析，最后基于給出的分析，得出霧化效果最佳的組合.

1 材料與方法

1.1 噴頭重要結(jié)構(gòu)參數(shù)與試驗平臺搭建

試驗采用低壓霧化噴頭（一種空心錐噴頭）.在一個穩(wěn)定的霧化系統(tǒng)中，噴頭出口直徑及入口直徑應為定值.圖1為不同出口直徑D的噴頭實物圖，從左到右噴頭出口直徑依次為0.3，0.4，0.5，0.6，0.7，0.8，0.9 mm.

噴腔長孔比及噴頭出口收縮角示意如圖2所示，圖中L為噴頭出口段長度；θ為噴頭出口收縮角.噴頭出口段長孔比（κ=L/D）是影響噴頭的流量系數(shù)及流動阻力等射流狀態(tài)的重要參數(shù).當確定噴頭出口直徑D后，需要根據(jù)實際工程需求設計合理的出口段長度L，使得霧化液滴的分布更加均勻.噴頭出口收縮角θ決定了噴頭流動阻力，若收縮角過小，則在噴射過程中出現(xiàn)一定的附壁現(xiàn)象，縮短了射流的連續(xù)長度，縮小了噴頭霧化區(qū)域范圍.

圖3為文中自主改建的噴霧粒徑試驗系統(tǒng)及測試平臺.該試驗測試平臺主要由噴霧系統(tǒng)、激光粒度測試系統(tǒng)和測試區(qū)域等3部分組成.

激光粒度測試系統(tǒng)用于完成測試區(qū)域噴霧流場內(nèi)霧化液滴粒度的測量，采集液滴的粒度分布信息.文中利用搭建好的試驗平臺實施多壓力工況下不同噴頭結(jié)構(gòu)的可視化試驗測試工作.主要借助自行搭建的基于搭載HELOS-VARIO系統(tǒng)的激光粒度測試儀（德國SYMPATEC，測試范圍為0.1～3 500 μm，測試精度lt;0.3%）的開放式噴霧試驗裝置，對霧化噴頭的噴霧流場通過激光衍射原理進行粒徑測量.噴霧系統(tǒng)由水泵、流量計、壓力表、儲水箱、減壓閥及霧化噴頭等元器件組成，包括水管、支架及高精度溫濕度測試儀等其他輔助元件.

1.2 試驗方案

試驗在江蘇大學國家水泵系統(tǒng)及工程技術(shù)研究中心的室內(nèi)無風噴灌試驗室進行，以確保試驗環(huán)境穩(wěn)定.噴霧粒徑試驗前，首先利用風速儀測試風速，此處進行二次排查以排除任何可能影響試驗結(jié)果的外部因素.在進行噴霧粒徑試驗時，首先打開激光粒度儀的測光系統(tǒng)進行精準對焦和背景設置，然后開啟水泵，按照不同試驗工況及條件調(diào)整水壓等所需的運行參數(shù).噴頭開始工作，待3 min左右噴霧流場穩(wěn)定，然后開啟數(shù)據(jù)采集系統(tǒng).確保測量數(shù)據(jù)的精度而不會發(fā)生較大的扭曲現(xiàn)象，在每一工況下均連續(xù)采集3次然后取其平均值.試驗設定采集測量時間為20 s，試驗過程中的環(huán)境溫度為常溫，相對濕度為30%～60%.

噴頭噴霧霧滴特性隨時間及空間的改變而發(fā)生變化.試驗在中低壓（0.15～0.30 MPa）下，利用先進PIV技術(shù)及激光粒度儀測量噴頭霧化流場，設計優(yōu)化霧化噴頭的流動特性參數(shù)，探究不同結(jié)構(gòu)參數(shù)（出口直徑、噴腔長孔比、出口收縮角）對噴霧特性的影響，獲取了不同試驗條件下霧化流場的流動特性及其變化規(guī)律.

2 測試結(jié)果與討論

2.1 噴頭出口直徑對霧化特性的影響

保證工質(zhì)水壓力為0.20 MPa，同時其余的結(jié)構(gòu)參數(shù)保持不變，得到了0.20 MPa時不同出口直徑下的霧化流場時間平均速度云圖，如圖4所示.由圖可知，霧化流場內(nèi)高值區(qū)域隨出口直徑的增大出現(xiàn)向外擴張的趨勢，中心區(qū)域與周邊區(qū)域的速度差值減少.且出口直徑較大的噴頭霧化流場的時間平均速度v分布更為均勻，出口直徑較小的噴頭，其霧化流場中存在較為明顯的束狀高值區(qū)域.

噴頭霧化錐角δ可直觀反映噴頭的霧化射程，不同工質(zhì)水壓力p下噴頭霧化錐角隨噴頭出口直徑變化的曲線如圖5所示.

由圖5可知，當噴頭出口直徑由0.3 mm向0.4 mm變化時，在4種壓力下，霧化錐角均表現(xiàn)出較大的增長，當孔徑為0.4～0.6 mm時，霧化錐角的增長較為平緩.當p為0.15 MPa時，霧化錐角受噴頭出口直徑的影響較大；而當p為0.30 MPa時，噴頭出口直徑的增大對改變主流區(qū)域范圍的正向促進作用不明顯.當噴頭出口直徑為0.3～0.9 mm.工質(zhì)水壓力為0.15～0.30 MPa時，液滴SMD在穩(wěn)定截面上的變化情況如表1所示.可知隨噴頭出口直徑增加，SMD在穩(wěn)定截面上逐漸增大，但在不同的壓力下變化的幅度并不相同：在0.15 MPa壓力下，噴頭出口直徑由0.3 mm增至0.4 mm時，液滴的SMD增幅較大，為7.6%；在0.30 MPa壓力下，噴頭出口直徑由0.8 mm增至0.9 mm時，液滴的SMD增幅較大，為7.3%.

2.2 噴腔長孔比對噴頭霧化特性的影響

圖6為出口直徑0.5 mm和0.9 mm的噴頭在不同長孔比下時間平均速度云圖.固定工質(zhì)水壓力0.25 MPa下，分別對出口直徑為0.5 mm和0.9 mm、出口收縮角為75°的噴頭在不同長孔比結(jié)構(gòu)尺寸下，計算各個霧化流場的時間平均速度、霧化錐角及SMD，探究噴腔長孔比к對噴頭霧化流場的影響規(guī)律.

由圖6可知，速度高值整體分布在噴頭出口處，且噴腔長孔比對噴頭速度場有較大的影響.以0.9 mm出口直徑噴頭為例，隨著長孔比的增大，速度分布越集中且更為接近射流式噴頭噴形，導致射流液體黏性力增大，液滴在徑向分離困難，導致速度沿徑向拓展的區(qū)域較小，速度高值區(qū)域在噴頭軸線方向上外延較大，流場主流區(qū)域的對稱性較為顯著.

對出口直徑為D=0.5 mm和D=0.9 mm的噴頭在0.25 MPa工質(zhì)水壓力下的霧化流場進行分析，得到了霧化錐角隨噴腔長孔比的變化曲線，如圖7所示.

由圖7可知，不同的噴腔長孔比對不同出口直徑噴頭的霧化錐角影響趨勢并不一樣.0.9 mm出口直徑的噴頭，隨噴腔長孔比增大，霧化錐角呈現(xiàn)逐漸減小的趨勢，而0.5 mm出口直徑的噴頭流場的霧化錐角則呈先增大后減小的趨勢.

2.3 出口收縮角對噴頭霧化特性的影響

固定工質(zhì)水壓力為0.25 MPa時，分別對孔徑為0.4，0.6和0.8 mm以及噴腔長孔比為2的噴頭在不同出口收縮角結(jié)構(gòu)尺寸下，計算各個霧化流場的時間平均速度、主流區(qū)邊界線以及霧化錐角，探究出口收縮角對噴頭霧化流場的影響規(guī)律.

圖8為出口直徑0.4，0.6和0.8 mm的噴頭在不同出口收縮角下時間平均速度云圖.

由圖8看出，噴頭出口速度及主流區(qū)隨出口收縮角增加而增大，液滴的軸向速度波動并不明顯.這表明噴頭出口收縮角對液滴脈動速度的影響并不大，出口處的最大速度值受到的影響較為顯著.

圖9為噴頭霧化錐角隨出口收縮角的變化，由圖可知，不同出口直徑的噴頭霧化錐角隨出口收縮角增大而增大，且出口直徑大的噴頭霧化錐角更容易受到出口收縮角的影響.

圖10為噴頭出口直徑分別為0.4，0.6和0.8 mm，噴腔長孔比為2時在不同出口收縮角下的液滴SMD分布，由圖可知，噴頭液滴SMD隨噴頭出口收縮角的增大而增大.對于出口直徑為0.6和0.8 mm的噴頭均在出口收縮角30°～45°增幅較大，而在45°～75°增長較為平緩.而對于出口直徑為0.4 mm的噴頭，在收縮角60°～75°增幅較大，這表明該直徑的噴頭在較大收縮角結(jié)構(gòu)下液滴粒徑所受影響較大.

3 結(jié) 論

1） 出口直徑較小的噴頭容易出現(xiàn)速度集中的現(xiàn)象，且小孔徑噴頭出口直徑變化對霧化錐角的影響較為明顯；液滴SMD在穩(wěn)定截面上隨噴頭出口直徑增加而逐漸增大，且壓力越大，霧滴粒徑越小，霧化質(zhì)量越高.

2） 噴腔長孔比對噴頭速度場和霧化錐角有較大的影響.隨著長孔比增大，速度分布越集中且更為接近射流式噴頭噴形，速度沿徑向拓展的區(qū)域較小，速度高值區(qū)域在噴頭軸線方向上外延較大，流場主流區(qū)域的對稱性較為顯著.而隨著長孔比增大，霧化錐角最終呈逐漸減小的趨勢.

3） 出口收縮角對噴頭的出口速度和霧化錐角有顯著的影響，隨著出口收縮角增大，出口速度和霧化錐角都呈增大的趨勢.所以孔徑為0.9 mm、噴腔長孔比為1、出口收縮角為75°的噴頭更能實現(xiàn)大范圍的作業(yè)，而對于出口直徑較小的噴頭則需要選擇合適的長孔比才能使霧化液滴更均勻有效地分布在目標區(qū)域內(nèi)，實現(xiàn)噴頭霧化應用效果的最優(yōu)化.

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（責任編輯 黃鑫鑫）

收稿日期： 2023-02-07； 修回日期： 2023-03-30； 網(wǎng)絡出版時間： 2024-04-11

網(wǎng)絡出版地址： https：//link.cnki.net/urlid/32.1814.TH.20240408.1416.004

基金項目： 江蘇省重點研發(fā)計劃項目（BE2022351）；江蘇大學農(nóng)業(yè)裝備學部項目（NZXB20210101）;農(nóng)業(yè)農(nóng)村部東南丘陵山地農(nóng)業(yè)裝備重點實驗室（部省共建）開放基金項目（QSKF2023007）

第一作者簡介： 馮靜之（1997—），男，江蘇鎮(zhèn)江人，碩士研究生（307521934@qq.com），主要從事流體機械及排灌機械研究.

通信作者簡介： 朱興業(yè)（1982—），男，研究員，博士生導師（zhuxy@ujs.edu.cn），主要從事流體機械及排灌機械研究.