受限空间内空心锥形喷雾-横流掺混规律

    引　言

    横流中的射流雾化广泛存在于各种工业应用中，如汽轮机液膜冷却、燃烧室燃料射流燃烧、核反应堆降压降温、雾化加湿、水冲压发动机中喷雾以及目前在重油工业中用于热量回收的高品质蒸气发生器等。根据射流形式的不同，国内外学者对于横流－射流的研究主要包括直喷式射流［１－３］（工质为水或气）、空气辅助式射流［４－５］、扇喷雾射［６－７］等。其中直喷式射流研究最广泛，对于掺混流场中旋涡结构形成与分布、发展演化［８－１０］以及喷嘴入射角度对掺混的影响［１１－１２］均有详细的论述。但是大多数横流－射流掺混过程都是发生在大空间内。旋流雾化喷雾具有极好的雾化效果，目前已广泛应用在很多掺混领域。但对于旋流喷雾与横流的掺混过程却鲜有研究。特别是在受限空间内，由于壁面的影响，气液两相掺混过程更加复杂。Ｂａｉ等［１３－１７］采用ＰＩＶ等技术对横流中旋流雾化过程进行了研究，获得了流场掺混结构及入射角度对掺混效果的影响。但对于壁面的影响研究不足，没有获得整体掺混规律。本文扩宽了实验工况范围，对旋流喷雾－横流掺混规律进行了总结，分析了各参数的影响，并得出了最佳掺混效果下各参数的关系。

    １　实验系统及方法

    １．１　实验装置

    实验装置主要包括水路、气路、实验测量段及辅助设备 （空压机、水箱、调节阀等）。实验段材料为有机玻璃，长１０００ｍｍ，横截面尺寸９５ｍｍ×９５ｍｍ。为获得稳定横流条件，实验段入口安装滤网和蜂窝状细管束。喷嘴选用日本雾的池内公司的ＫＢ系列离心雾化喷嘴，雾化角为８０°；水经喷嘴在实验段中完成雾化以及与横流空气的掺混。为实现掺混流场横截面与纵截面的测量，实验中设计了两套ＰＩＶ拍摄方法 （图１）。水路与气路分别安装电磁流量计和涡街流量计，以控制流量精度。喷嘴前段安装针阀与压力传感器，用于精确控制水的流量与雾化所需压力。采用 ＡＤＬＩＮＫ 数据采集卡进行数据采集与存储。有关实验装置的具体结构见文献 ［１３－１６］。

    本实验中，坐标方向如图１（ａ）所示，以喷嘴位置为坐标原点。喷嘴雾化角与喷嘴入射角度如图２所示，本文采用的喷嘴雾化角均为８０°。对不同实验参数影响下的掺混流场进行了测量，各影响参数主要包括横流速度 （Ｒｅ）、喷嘴雾化压力 （ΔＰ）、雾化粒径 （Ｄ３２，采用马尔文激光粒度仪 Ｍａｌｖｅｒｎ２６０４ＬＣ测 得）、喷 嘴 入 射 角 度 （α）、喷 嘴 个 数（Ｎ）。具体实验工况见表１。