李慧子1，朱森林，劉銀水

(1.中國(guó)艦船研究設(shè)計(jì)中心，武漢 430064；2.華中科技大學(xué) 機(jī)械科學(xué)與工程學(xué)院，武漢 430074)

艦船隱身技術(shù)中的水幕隱身技術(shù)具有經(jīng)濟(jì)可靠等特點(diǎn)，已經(jīng)被廣泛應(yīng)用在艦船隱身技術(shù)領(lǐng)域[1]。新型水幕水霧復(fù)合噴淋技術(shù)在傳統(tǒng)水幕噴淋的基礎(chǔ)上，增加了霧化噴頭以及霧化功能。已有水幕噴淋試驗(yàn)表明，當(dāng)水膜厚度超過(guò)一定限度，其降溫效果逐漸趨于平緩，此時(shí)增大水膜厚度對(duì)降溫速率影響不大[2]，但卻極大增加了系統(tǒng)消耗的功率。因此考慮設(shè)計(jì)一種新型復(fù)合噴淋方式，即水幕水霧復(fù)合噴淋，并考慮以實(shí)驗(yàn)的方式對(duì)比相同壓力下復(fù)合噴頭與傳統(tǒng)水膜噴頭對(duì)目標(biāo)的紅外降溫速率。

1 霧化噴嘴設(shè)計(jì)

氣助式復(fù)合噴頭結(jié)構(gòu)上由氣助式霧化噴嘴和水幕噴嘴組成，見(jiàn)圖1。

圖1 氣助式噴嘴實(shí)物

其中氣助式霧化噴嘴是其完成霧化功能的核心部件。氣助霧化過(guò)程是通過(guò)高速氣流和液體間的相互作用，使得液體碎裂的更加徹底從而獲得比單相噴射霧化更好的霧化效果。

氣助式噴嘴結(jié)構(gòu)上主要由進(jìn)氣管、進(jìn)水管、氣液混合裝置及噴射孔等組成，液體與氣體在氣液混合裝置中相互擠壓、加速或剪切，然后從裝置端面孔口高速噴出，完成霧化[3]。噴嘴的結(jié)構(gòu)參數(shù)會(huì)直接影響到氣液混和以及霧化過(guò)程。

氣助式霧化噴嘴結(jié)構(gòu)上可以分為內(nèi)混式和外混式兩種，內(nèi)混式霧化噴嘴指的是氣液兩相先在噴嘴內(nèi)部混合腔混和局部霧化后，再經(jīng)噴射孔噴出完成繼續(xù)霧化，而外混式霧化噴嘴氣液兩相混和主要是在噴孔處或者是噴孔外[4-5]，兩種常見(jiàn)霧化噴嘴結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖2。

圖2 氣助式霧化噴嘴常見(jiàn)結(jié)構(gòu)示意

氣助式霧化噴嘴的另一個(gè)重要設(shè)計(jì)參數(shù)是氣液流量比，該參數(shù)會(huì)直接影響到氣助式噴嘴的霧化效果。已有試驗(yàn)考慮了氣液比、噴頭結(jié)構(gòu)等對(duì)霧化質(zhì)量的影響，結(jié)果表明，氣液比對(duì)霧化粒徑有較大的影響[6]。另有試驗(yàn)研究表明：氣相壓力對(duì)霧化液滴粒徑影響最大，氣液比其次[7]。因此噴嘴設(shè)計(jì)需充分考慮氣液比對(duì)霧化結(jié)果的影響。

2 霧化噴嘴霧化性能測(cè)試

2.1 噴嘴性能試驗(yàn)平臺(tái)

試驗(yàn)裝置系統(tǒng)原理及組成見(jiàn)圖3。

圖3 噴嘴霧化性能測(cè)試系統(tǒng)原理

激光粒度儀測(cè)試系統(tǒng)、激光粒度儀測(cè)試原理以及高壓水動(dòng)力源實(shí)物分別見(jiàn)圖4、5[8]。

圖4 激光粒度儀測(cè)試原理示意

圖5 高壓水動(dòng)力源實(shí)物

通過(guò)調(diào)節(jié)節(jié)流閥開(kāi)度調(diào)節(jié)噴嘴的工作壓力，溢流閥對(duì)實(shí)驗(yàn)回路起保護(hù)作用。激光粒度儀發(fā)射器與接收器分別置于霧場(chǎng)兩側(cè)，發(fā)射器產(chǎn)生激光，穿過(guò)整個(gè)霧場(chǎng)時(shí)由于霧滴對(duì)激光具有散射作用，接收器接收到的激光信號(hào)將發(fā)生偏移，系統(tǒng)根據(jù)偏移量來(lái)測(cè)量霧場(chǎng)的霧滴直徑。

2.2 氣助式噴嘴性能試驗(yàn)

搭建激光粒度儀測(cè)試系統(tǒng)測(cè)量氣助式霧化噴嘴霧粒的直徑，并以此作為依據(jù)來(lái)評(píng)價(jià)噴嘴霧化性能，測(cè)量現(xiàn)場(chǎng)見(jiàn)圖6。

圖6 氣助式噴嘴霧粒直徑測(cè)量現(xiàn)場(chǎng)

改變噴嘴的工作壓力，測(cè)繪氣助式噴嘴流量隨壓力的變化曲線，見(jiàn)圖7。為得到更為精準(zhǔn)的霧滴尺寸及霧滴尺寸分布數(shù)據(jù)，采用激光粒度測(cè)試儀對(duì)噴霧進(jìn)行測(cè)量。激光粒度儀自帶數(shù)據(jù)處理軟件，能對(duì)測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和計(jì)算，并用圖表形式表示出來(lái)。

圖7 氣助式噴嘴流量隨壓力的變化測(cè)試結(jié)果

通過(guò)調(diào)節(jié)節(jié)流閥開(kāi)度控制噴嘴入口壓力，在試驗(yàn)壓力為0.1～1.0 MPa條件下，測(cè)得的氣助式噴嘴霧滴粒徑分布數(shù)據(jù)，根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)繪制氣助式噴嘴工作壓力與霧滴直徑關(guān)系見(jiàn)圖8。

圖8 氣助式噴嘴霧滴直徑隨工作壓力變化測(cè)試結(jié)果

選取常用的參數(shù)D(V,0.50)、D(V,0.99)及SMD值用來(lái)表征霧滴的粒徑分布狀況和霧化質(zhì)量。其中D(V,0.50)表示噴霧液滴總體積中50%的霧滴直徑小于該數(shù)值，D(V,0.99)表示噴霧液滴總體積中99%的霧滴直徑小于該數(shù)值，索泰爾平均直徑(SMD)用以衡量噴霧液滴的平均霧粒直徑。

(1)

式中：Ni為直徑Di的液滴數(shù)目。

圖8表明，霧滴直徑變化與水壓和氣壓均有關(guān)：當(dāng)氣壓為0.36 MPa時(shí)，水壓從0.1 MPa上升到0.3 MPa，霧化噴嘴的霧粒直徑在40 μm左右波動(dòng)，變化并不明顯；當(dāng)氣壓為0.40 MPa時(shí)，水壓從0.4 MPa上升到0.6 MPa，霧化噴嘴的霧粒直徑略微減小，變化不大；隨著水壓逐漸增大，氣助式噴嘴的霧粒直徑反而呈增大趨勢(shì)。

影響氣助式噴嘴的霧化的因素多方面的，從試驗(yàn)測(cè)量結(jié)果來(lái)看，當(dāng)氣壓小于水壓時(shí)，空壓機(jī)提供的輔助氣體不足以霧化全部液體，因此表現(xiàn)出霧粒直徑隨水壓和氣壓差增大而增大的趨勢(shì)，此時(shí)影響霧滴直徑大小的主要因素是氣壓的大小和供氣量。當(dāng)氣壓與水壓接近或者氣壓大于水壓時(shí)，氣助式噴嘴的霧粒直徑均在40 μm左右，液體得到了充分的霧化且霧化效果良好。由圖8可知，表征霧化質(zhì)量的D(V,0.50)、D(V,0.99)、SMD3條曲線在氣壓大于或者稍小于水壓時(shí)比較接近，說(shuō)明此時(shí)霧滴尺寸比較均勻，噴嘴噴射出的液滴絕大部分已得到霧化，霧化效果好。

3 試驗(yàn)平臺(tái)設(shè)計(jì)及紅外降溫試驗(yàn)分析

3.1 實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ褪疽鈭D及實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

為了探究不同動(dòng)力參數(shù)對(duì)氣助式復(fù)合噴頭紅外降溫特性的影響，設(shè)計(jì)如圖9所示的試驗(yàn)?zāi)Ｐ?，搭建?duì)應(yīng)的試驗(yàn)平臺(tái)和實(shí)驗(yàn)裝置。

圖9 試驗(yàn)?zāi)Ｐ褪疽?/p>

試驗(yàn)對(duì)象為一塊5 m×5 m的鋼板，按面積等分為4塊，在噴頭安裝位置以下，4塊鋼板中心處布置熱電偶測(cè)點(diǎn)(共4個(gè))，通過(guò)西門(mén)子S7-200smart型PLC及其擴(kuò)展模塊和電子計(jì)算機(jī)采集系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)的鋼板表面溫度數(shù)據(jù)讀取和存貯。同時(shí)使用紅外熱像儀對(duì)鋼板表面進(jìn)行溫度實(shí)時(shí)監(jiān)控，采集得到鋼板表面的二維溫度圖像。

3.2 等壓力條件下紅外降溫特性試驗(yàn)

為了探究壓力對(duì)復(fù)合噴頭紅外降溫特性的影響，選取0.3、0.5、0.8 MPa作為試驗(yàn)壓力點(diǎn)，通過(guò)控制軟件調(diào)節(jié)復(fù)合噴頭進(jìn)口壓力，并通過(guò)熱電偶和紅外熱像儀分別記錄復(fù)合噴頭工作時(shí)目標(biāo)鋼板的降溫值。

為了探究“水膜”以及“水膜+水霧”兩種不同噴淋方式對(duì)目標(biāo)紅外降溫特性的影響，試驗(yàn)同時(shí)使用溫度傳感器和紅外熱像儀測(cè)量目標(biāo)鋼板的溫度變化情況。水膜噴頭(噴頭僅噴射水膜)工作時(shí)，傳感器和紅外熱像儀測(cè)得的目標(biāo)鋼板溫度變化見(jiàn)圖10。紅外熱像儀測(cè)溫結(jié)果見(jiàn)圖11。

圖10 水膜噴頭工作時(shí)目標(biāo)溫度變化

圖11 紅外熱像儀測(cè)溫結(jié)果

其測(cè)量方法為定時(shí)拍攝目標(biāo)鋼板的降溫過(guò)程，通過(guò)紅外儀后處理軟件，對(duì)拍攝的紅外照片進(jìn)行分析，計(jì)算鋼板的平均紅外溫度。

由圖10可知：在相同時(shí)刻用傳感器與紅外熱像儀對(duì)試驗(yàn)?zāi)Ｐ瓦M(jìn)行測(cè)溫，溫度基本相同。復(fù)合噴頭工作時(shí)，會(huì)同時(shí)噴射“水膜+水霧”，此時(shí)用溫度傳感器和紅外熱像儀測(cè)溫，發(fā)現(xiàn)紅外熱像儀測(cè)得的溫度低于傳感器溫度，將該溫差定義為水霧帶來(lái)的紅外降溫的增益。

從紅外成像探測(cè)角度來(lái)說(shuō)，一般在紅外偽裝設(shè)計(jì)時(shí)將目標(biāo)與背景溫差控制在4 K以內(nèi)，此時(shí)目標(biāo)輻射信號(hào)淹沒(méi)在背景中，探測(cè)器無(wú)法很好地成像[9]。因此降溫耗時(shí)定義為目標(biāo)鋼板從初始溫度降低至與冷卻水溫度不超過(guò)2 ℃，即認(rèn)為目標(biāo)達(dá)到降溫要求，該降溫過(guò)程的時(shí)間為目標(biāo)的紅外降溫時(shí)長(zhǎng)。

氣助式復(fù)合噴頭在壓力分別為0.3、0.5、0.8 MPa時(shí)的降溫及降溫耗時(shí)測(cè)試結(jié)果見(jiàn)圖12。

圖12 復(fù)合噴頭紅外降溫試驗(yàn)結(jié)果

圖12中，比冷卻水溫高2 ℃的等溫線與各降溫曲線的交點(diǎn)即為目標(biāo)的降溫耗時(shí)，可以看出，隨著復(fù)合噴頭入口壓力的升高，兩種不同噴淋技術(shù)的降溫耗時(shí)均減小。氣助式復(fù)合噴頭采用“水膜+水霧”方法在0.3、0.5、0.8 MPa下所需的降溫耗時(shí)分別為：73、55、30 s；而只采用“水膜”方法的降溫耗時(shí)分別為148、85、66 s。

根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果整理得到氣助式復(fù)合噴頭的降溫時(shí)長(zhǎng)對(duì)比見(jiàn)表1。

從表1分析對(duì)比可以看出，“水膜+水霧”的復(fù)合噴淋方式在壓力分別為0.3、0.5、0.8 MPa時(shí)的流量相比于只采用“水膜”噴淋方式增加了17%、24%、26%，其中水霧占比分別為14%、19%、21%，而復(fù)合噴淋方式的紅外降溫時(shí)間縮短的比例分別達(dá)到了50.7%、35.3%、54.5%，即在水膜流量增加比例不大的情況下，使得紅外降溫時(shí)間縮短明顯。

表1 復(fù)合噴頭紅外降溫耗時(shí)對(duì)比

從氣助式復(fù)合噴頭紅外降溫試驗(yàn)結(jié)果來(lái)看，復(fù)合噴淋技術(shù)采用“水膜+水霧”的噴淋方式，在水膜流量增加不大的情況下，大大縮短了目標(biāo)的紅外降溫時(shí)長(zhǎng)。在壓力分別為0.3、0.5、0.8 MPa時(shí)復(fù)合噴淋方式的紅外降溫時(shí)間縮短的比例分別達(dá)到了50.7%、35.3%、54.5%。

3.3 水霧對(duì)紅外降溫性能的增益性分析

氣助式復(fù)合噴頭工作時(shí)同時(shí)噴射水膜和水霧，其中水膜沿著目標(biāo)鋼板壁面流動(dòng)給鋼板表面降溫，水霧則形成霧狀區(qū)域覆蓋在目標(biāo)鋼板前。由于水霧顆粒對(duì)紅外線具有散射和吸收作用，因此對(duì)目標(biāo)的紅外降溫起促進(jìn)作用。如圖13所示，有水霧覆蓋的鋼板區(qū)域，紅外溫度要明顯小于無(wú)水霧覆蓋的區(qū)域，這就是水霧遮蔽作用對(duì)目標(biāo)紅外降溫的增益性的體現(xiàn)。

圖13 紅外儀測(cè)量水霧遮蔽增益性測(cè)試結(jié)果

為研究氣助式復(fù)合噴頭噴射出的水霧對(duì)目標(biāo)紅外降溫性能的增益性，分別測(cè)量記錄粘貼在鋼板表面的傳感器溫度及有水霧覆蓋區(qū)域的紅外熱像儀實(shí)測(cè)紅外溫度。測(cè)量在不同工作壓力下，氣助式復(fù)合噴頭在試驗(yàn)開(kāi)始前、水霧形成瞬間、降溫穩(wěn)定后的傳感器溫度及紅外溫度。

在水霧形成瞬間，傳感器測(cè)量得到的鋼板溫度與紅外熱像儀測(cè)量得到的鋼板紅外溫度對(duì)比見(jiàn)圖14。

圖14 水霧形成瞬間傳感器與紅外儀溫度對(duì)比

由圖13、14可知，水霧顆粒的吸收和散射作用對(duì)目標(biāo)的紅外遮蔽效果比較顯著，在工作壓力為0.3、0.5、0.8 MPa時(shí)，水霧噴射帶來(lái)的紅外遮蔽降溫效果要比只有水膜覆蓋的紅外降溫效果分別低13.5 ℃、10.72 ℃、21.32 ℃。

4 結(jié)論

隨著壓力增大，復(fù)合噴頭的紅外降溫耗時(shí)從0.3 MPa的73 s逐漸降低到0.8 MPa的30 s。

在壓力相同的情況下，復(fù)合噴頭由于能夠產(chǎn)生水霧，其紅外降溫效果明顯優(yōu)于傳統(tǒng)的水膜噴頭，在試驗(yàn)壓力點(diǎn)下復(fù)合噴頭紅外降溫耗時(shí)至少可縮短35.3%。

試驗(yàn)中水霧在噴出瞬間能夠極大降低紅外熱像儀測(cè)得的目標(biāo)紅外溫度，水霧遮蔽效果對(duì)目標(biāo)紅外降溫的增益明顯，在各個(gè)試驗(yàn)壓力點(diǎn)下水霧噴出瞬間紅外溫度相較于傳感器溫度至少降低了10.72 ℃。

復(fù)合噴淋技術(shù)紅外降溫效果優(yōu)于水幕噴淋技術(shù)，在試驗(yàn)壓力點(diǎn)下，其紅外降溫耗時(shí)至少縮短了35.3%。