气泡雾化喷嘴混合室内两相流型及喷嘴喷雾稳定性

    自开展对气泡雾化喷嘴的研究以来,“喷嘴混合室内的两相流动的流型是如何变化的”这一问题一直是研究的难点。因为在喷嘴混合室内的两相流体流动的速度很高且流型的变化比较复杂,从而使观察与测量的困难性增加。即使是利用高速摄影装置进行拍摄跟踪,由于两相流体中的气泡对光的反射与折射作用,也会导致相片的清晰度降低甚至模糊不清。由于以上困难的存在,对于混合室内的流型研究一直处于理论研究阶段。文献[1]利用两相流型图对不同流量、不同气液比下的流型进行了粗略计算,认为混合室直径应该保持在20 mm至24 mm。文献[2]则认为只有在小气液比下混合室内才可能保持泡状流动,并且空气注入孔尺寸对气泡流动的产生具有一定的影响。为了更加透彻地了解气泡雾化喷嘴的工作机理,本文特意利用有机玻璃制作了可视化喷嘴,并利用高速摄影仪、摄像头和照相机对气泡雾化喷嘴混合室内的两相流型以及喷嘴出口下游喷雾的稳定性进行了实验研究。

    1　实验系统、实验喷嘴及相关参数

　　实验系统参见文献[3],实验在冷态下进行,以水和压缩空气作为工质,为了全面考察气泡雾化喷嘴的工作特性,气液质量流量比ALR没有局限于小气液比情况,ALR介于0.02至0.15之间。实验分为两种情况进行。在进行流型研究时,喷嘴采用垂直向下喷射方式,而喷雾稳定性研究则主要针对水平喷射方式。实验使用的喷嘴见图1。

　　利用小孔射流方式将气体引到液体中并使两相混合是迄今气泡雾化喷嘴所采用的主要注气方法,根据对相关文献的统计,气体注入孔直径一般在0.2 mm至4 mm范围内。通过小孔射流形成气泡流动的过程十分复杂,许多因素,包括液体和气体的所有参数、孔口情况等,都会影响气泡的生成、凝聚与破碎。因此,工作的难度是相当大的。

    2　喷嘴混合室内的两相流型

　　实验使用的喷嘴的主要结构尺寸如下:混合室直径分别为18 mm、22 mm、25 mm、30 mm,单孔出口直径4 mm,多孔出口为6×1.5 mm,设计流量300 kg/h,气液注入压力为0.3 MPa(阀前)。

　　在垂直向下喷射情况下,对于实验喷嘴,当混合室直径为30 mm时,不论气液比如何调节,都会在混合室内形成贴壁的环状流动,然后气液两相在喷嘴出口前形成充分混合的泡沫状流体,如图2所示。这说明该直径对于喷嘴的设计流量来说太大了。当利用该混合室作水平喷射时,两相流体呈现分层流动,大部分液体集中在管道轴线下部,气体与小液滴的混合物则集中在部,两相分界面呈现剧烈的波动,不能形成稳定的雾化;多孔喷头处于轴线上方的数孔雾化效果比较好,下方数孔喷射出的液雾则存在较大颗粒与液片、液线。作者认为,两相分界面上气液两相之间的剪切作用是在此类喷射条件下液体雾化的基本动因。