吳艷麗 王瑞祥 張 華 孫子喬 徐榮吉 張博文 吳海峰

(1 北京建筑大學(xué) 北京市建筑能源綜合高效綜合利用工程技術(shù)研究中心 北京 100044;2 上海理工大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院 上海 200093)

室外造雪機(jī)作為滑雪場供雪的主要設(shè)備,其成雪性能直接影響滑雪場的有效造雪時(shí)長及雪質(zhì)[1-2]。霧化噴嘴作為造雪機(jī)的核心部件,其霧化性能是成雪過程的決定性因素,其性能主要體現(xiàn)在霧化錐角、流量與粒徑分布。霧化錐角影響核子器與噴嘴之間的相互配合,過大或過小的霧化錐角均不利于冰晶與液滴碰撞;噴嘴的流量直接決定最終的成雪量,這也是目前國產(chǎn)造雪機(jī)與國外設(shè)備的主要差距;噴霧粒徑大小與雪質(zhì)及成雪條件密切相關(guān)[3-5]。因此,提高噴嘴的霧化性能是提升造雪機(jī)整體性能的關(guān)鍵。

旋流結(jié)構(gòu)的噴嘴因結(jié)構(gòu)簡單、穩(wěn)定性強(qiáng)、霧化能力優(yōu)良成為室外造雪機(jī)用噴嘴的主流選擇,其霧化特性受操作參數(shù)、結(jié)構(gòu)參數(shù)及物性參數(shù)等因素影響[6-7]。進(jìn)口壓力作為操作參數(shù)對霧化效果影響較大。當(dāng)壓力較低時(shí),液體在黏性力及表面張力的作用下難以破碎,霧化效果較差。隨著壓力的增大,慣性力逐漸克服表面張力及黏性力的作用使液膜撕拉成液絲直至破碎成為液滴。Liu Cunxi等[8]實(shí)驗(yàn)研究了燃?xì)廨啓C(jī)用旋流噴嘴霧化特性,得到不同進(jìn)出口壓差下噴霧場的形態(tài)變化、粒徑分布及平均粒徑等特征;Guan Haosen等[9]針對航天發(fā)動(dòng)機(jī)用旋流噴嘴,探究了新工質(zhì)在不同壓力下的霧化特性;Wei Xiao等[10]理論分析了進(jìn)出口壓差對噴嘴霧化特性的影響;L. Broniara-Press等[11]實(shí)驗(yàn)研究了噴射壓力對霧滴粒徑分布和平均粒徑的影響;王成軍等[12-13]采用數(shù)值模擬方法,研究了壓力與霧化性能之間的關(guān)系。

現(xiàn)有旋流噴嘴霧化特性的研究主要針對鍋爐及航空發(fā)動(dòng)機(jī)等領(lǐng)域,適用條件與結(jié)構(gòu)參數(shù)相比室外造雪機(jī)用旋流噴嘴差異較大。因此,本文以某主流國產(chǎn)造雪機(jī)用旋流霧化噴嘴為研究對象,實(shí)驗(yàn)研究了不同壓力下旋流噴嘴的霧化與換熱過程,得到了壓力與霧化及換熱特性的關(guān)系,揭示了霧化破碎機(jī)理。研究結(jié)果可為造雪機(jī)用噴嘴優(yōu)化提供參考。

1 實(shí)驗(yàn)裝置

1.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)備與方法

為給噴嘴提供穩(wěn)定的霧化環(huán)境,本文針對造雪機(jī)用霧化裝置研制了性能測試裝置,該裝置可觀察噴霧的發(fā)展過程,實(shí)現(xiàn)噴霧粒徑分布及溫度場的測量。實(shí)驗(yàn)臺(tái)由供水系統(tǒng)、霧化系統(tǒng)及測試系統(tǒng)三部分組成,如圖1所示。供水系統(tǒng)包括儲(chǔ)水箱和離心水泵,用于給霧化裝置提供高壓水;霧化系統(tǒng)包括旋流噴嘴及配套連接裝置,用于將高壓水霧化形成噴霧;測試系統(tǒng)包括激光粒徑儀、高速攝像機(jī)、紅外攝像機(jī)、測試儀表以及配套補(bǔ)光設(shè)備,可測試液滴粒徑分布、噴霧形態(tài)、噴霧溫度場、流體的壓力和流量。實(shí)驗(yàn)主要設(shè)備參數(shù)如表1所示。為減小外圍對霧化場的影響,本文采用非接觸式方法測量噴霧的粒徑分布及溫度場。將實(shí)驗(yàn)用水在儲(chǔ)水箱中加熱至測試所需溫度,使用離心泵將水分別增壓至測試壓力后經(jīng)由噴嘴霧化。使用LED光源對噴霧場補(bǔ)光,將高速攝像機(jī)分辨率設(shè)置為800×600像素,快門速度調(diào)整為6 000幀/s,觀測噴霧由液膜破碎至液絲進(jìn)而發(fā)展為液滴的過程。待噴霧發(fā)展穩(wěn)定后,激光粒徑儀在噴霧出口下方垂直距離20 cm處進(jìn)行測試,根據(jù)夫瑯禾費(fèi)衍射原理計(jì)算噴霧場粒徑分布;同時(shí)通過熱成像儀檢測噴霧場溫度分布規(guī)律。

表1 實(shí)驗(yàn)主要設(shè)備參數(shù)

圖1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

1.2 旋流噴嘴結(jié)構(gòu)

實(shí)驗(yàn)所用噴嘴為國內(nèi)主流造雪機(jī)用噴嘴,為典型的旋流霧化噴嘴結(jié)構(gòu),包含進(jìn)液段、螺旋段、旋流腔以及泄壓孔4部分(如圖2所示)。該噴嘴霧化流體為水,高壓水通過進(jìn)液段進(jìn)入旋流段后獲得徑向力,并在旋流腔內(nèi)旋轉(zhuǎn)加速,同時(shí)因負(fù)壓的作用會(huì)在旋流腔產(chǎn)生空氣錐,最后通過泄壓孔噴射至大氣形成空心錐噴霧。噴嘴結(jié)構(gòu)參數(shù)如表2所示。

表2 噴嘴結(jié)構(gòu)參數(shù)

圖2 旋流噴嘴結(jié)構(gòu)

2 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理

液滴粒徑分布、溫度場采用激光粒度儀和紅外攝像儀直接測量,使用前對儀器進(jìn)行了校準(zhǔn)。激光粒度儀采用國標(biāo)D50顆粒樣本進(jìn)行校準(zhǔn);紅外線成像儀采用0 ℃冰水混合物及100 ℃沸水進(jìn)行校準(zhǔn)。為盡可能減少實(shí)驗(yàn)誤差,每組實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)隨機(jī)測量5次取平均值。通過高速攝像機(jī)捕捉到噴霧形態(tài)后取兩個(gè)液膜最外邊界之間的夾角測量霧化錐角,如圖3所示。

圖3 測量霧化錐角

3 結(jié)果與討論

3.1 噴嘴形態(tài)分析

圖4所示為不同壓力下噴霧穩(wěn)定后的形態(tài),通過分析不同壓力下的噴霧形態(tài),可以對噴霧的覆蓋范圍以及初步的霧化效果進(jìn)行分析。

通過觀察不同壓力下的噴霧形態(tài)可知,隨著壓力的增大,噴霧的形態(tài)可以分為兩類。首先,當(dāng)供水壓力低于0.3 MPa時(shí),噴霧初段可觀察到明顯的錐狀液膜,經(jīng)過較長距離發(fā)展后,錐角快速向內(nèi)收縮并產(chǎn)生較大尺寸的液滴;當(dāng)供水壓力高于0.3 MPa后,整體噴霧場呈空心錐狀,在不借助高速攝像機(jī)的條件下已經(jīng)很難觀察到液膜的存在。在低壓段,液體通過旋線獲得了徑向的速度分量,經(jīng)過旋流腔的旋轉(zhuǎn)加速,在旋流腔中心形成負(fù)壓區(qū)域進(jìn)而產(chǎn)生氣柱,液體則緊貼旋流腔內(nèi)表面射入大氣。由于低壓段壓力較低,液體獲得的徑向動(dòng)量分量也較低,液體噴出噴嘴后在表面張力作用下試圖維持原有形狀,因此錐角在噴嘴下方快速收縮,此時(shí)霧化效果也較差。隨著壓力升高,徑向力逐漸可以克服表面張力的作用,噴霧發(fā)展為完整的空心錐狀,噴霧場的覆蓋范圍也大幅上升。同時(shí),液膜長度的明顯減小意味著一次破碎發(fā)生的更加迅速。

圖5所示為高壓段一典型噴霧形態(tài),可清晰的看到液體破碎過程中的3種形態(tài),分別為液膜、液絲及液滴,各形態(tài)間的轉(zhuǎn)換分別對應(yīng)一次破碎及二次破碎的過程。在液膜表面可以觀察到液體的波動(dòng),波動(dòng)沿軸向進(jìn)一步加強(qiáng),當(dāng)波動(dòng)到達(dá)極限時(shí)液膜破碎為液絲狀態(tài)。此時(shí),表面張力與空氣動(dòng)力依舊難以達(dá)到平衡狀態(tài)以維持液絲形狀,則液絲進(jìn)一步破碎為液滴。

圖5 噴霧破碎形態(tài)

隨著壓力的升高,出口處負(fù)壓進(jìn)一步增強(qiáng),導(dǎo)致旋流腔內(nèi)空氣柱體積增大,出口處液膜厚度減小。流體流速上升,空氣與液體的相互作用力導(dǎo)致波動(dòng)加劇,隨著波動(dòng)的發(fā)展更容易破碎為液絲,這也是液膜長度隨壓力的增加而逐漸減小的原因。液膜厚度的減小不僅使液膜更容易破碎為液絲,同時(shí)也使液絲直徑更小,霧化顆粒直徑也隨之降低。

3.2 壓力對霧化效果的影響

室外造雪機(jī)正常工況下,流體的入口壓力約為1～2 MPa,考慮到管道的沿程阻力損失與造雪機(jī)內(nèi)的局部阻力損失,單噴嘴的入口壓力約為0.6～1.4 MPa。因此,通過研究不同壓力下噴嘴的流量、霧化錐角、粒徑分布等特征來研究噴嘴的霧化特性。

噴嘴的流量直接反映造雪機(jī)的成雪量,是造雪機(jī)用噴嘴一項(xiàng)重要的性能參數(shù)。壓差作為流動(dòng)的主要驅(qū)動(dòng)力直接影響流體的流量。流量隨壓力的變化如圖6所示,噴嘴流量與壓力成線性遞增關(guān)系,隨著壓力的增大,液體流量隨之增大。

圖6 流量隨壓力的變化

粒徑大小直接決定成雪質(zhì)量與成雪時(shí)間,通過測量距離噴嘴垂直距離20 cm處的粒徑發(fā)現(xiàn),索特平均粒徑(Sauter mean diameter,SMD)隨壓力的升高而降低。表3所示為不同壓力下索特平均粒徑值。隨著壓差的增加,SMD隨之減小的趨勢與3.1節(jié)通過機(jī)理分析的趨勢一致。圖7所示為各壓力下粒徑分布。由圖7可知,粒徑分布處于正態(tài)分布形式,粒徑主要集中在100～200 μm區(qū)間段,隨壓力變化粒徑整體的分布特征保持一致,但在具體的粒徑范圍上有較大變化。

表3 不同壓力下索特平均粒徑

圖7 不同壓力下的粒徑分布

液滴體積分?jǐn)?shù)隨壓力的變化如圖8所示。由圖8可知,壓力變化對大尺寸液滴的影響較為顯著,隨著壓力的變化,直徑為200～280 μm的液滴所占的體積分?jǐn)?shù)明顯下降。主要原因?yàn)?隨著壓力的增大,液體在旋流腔的旋流強(qiáng)度增強(qiáng),增大了出口處的負(fù)壓與空氣柱體積,降低了液膜厚度與液絲直徑,從而限制了大尺寸液滴的形成;同時(shí),壓力的增大導(dǎo)致氣-液兩相流體的相對速度增加,空氣動(dòng)力與液滴表面張力的同時(shí)作用使液滴難以維持較大尺寸形態(tài),發(fā)生二次破碎,從而降低了大尺寸液滴的數(shù)量,同時(shí)增大了小直徑液滴的體積分?jǐn)?shù)。

圖8 液滴體積分?jǐn)?shù)隨壓力變化分布

霧化錐角也是造雪機(jī)用噴嘴的重要指標(biāo)之一,其決定噴嘴之間以及噴嘴與核子器之間的配合關(guān)系。與流量和粒徑變化不同,在高壓段,霧化錐角受壓力變化影響較小,穩(wěn)定在約76°。霧化錐角受多因素的影響,其中最主要的兩個(gè)參數(shù)為流體的壓降及噴嘴的結(jié)構(gòu)參數(shù)[14-15]。當(dāng)超過臨界壓力后,噴霧發(fā)展穩(wěn)定,空氣柱體積達(dá)到最大時(shí),霧化錐角僅由噴嘴的結(jié)構(gòu)參數(shù)決定。

3.3 壓力對環(huán)境換熱特性的影響

在實(shí)際造雪機(jī)成雪過程中,溫差傳熱是液體與環(huán)境換熱的主要方式,也是決定成雪條件的關(guān)鍵因素[16]。因受實(shí)驗(yàn)條件和氣候條件限制,本文在實(shí)驗(yàn)室室溫環(huán)境下測試了換熱特性的影響,通過60 ℃高溫水與28 ℃空氣換熱模擬冬季液滴放熱過程,研究了液滴與空氣換熱規(guī)律。并用紅外溫度計(jì)記錄了噴霧的溫度場。圖9所示為不同壓力下噴霧的溫度場,隨著壓力的增加,噴霧換熱至室溫所需的距離更短,時(shí)間更快。隨著壓力的上升,噴霧場與周圍環(huán)境發(fā)生變化的原因可以總結(jié)為兩方面:1)更大的供水壓力使噴霧場中的液滴擁有更小的直徑,對單個(gè)液滴而言則會(huì)帶來更大的比表面積,增加了水與空氣的傳熱面積,從而提升了整體換熱量;2)壓力的上升也使液滴速度上升[17],如式(1)～式(4)所示[18-20],隨著液滴與空氣相對速度的提高,二者的傳熱系數(shù)也相應(yīng)增大,從而強(qiáng)化了與空氣的換熱。在以上兩個(gè)方面的共同作用下,單個(gè)液滴的換熱速度增大,整體噴霧場的換熱效率得到提高。因此,更高供水壓力的噴霧場表現(xiàn)出更好的換熱性質(zhì)。

h=λNu/D

(1)

Re=ρUD/η

(2)

Pr=ηcp/λ

(3)

Nu=2+0.6Re1/2Pr1/3

(4)

式中:h為對流換熱表面?zhèn)鳠嵯禂?shù),W/(m2·K);Re為雷諾數(shù);Pr為普朗特?cái)?shù);Nu為努塞爾數(shù);ρ為空氣密度,kg/m3;cp為空氣比定壓熱容,J/(kg·K);η為空氣動(dòng)力粘度,Pa·s;λ為空氣導(dǎo)熱系數(shù),W/(m·K);U為速度,m/s;D為液滴直徑,m。

4 結(jié)論

本文實(shí)驗(yàn)研究了室外造雪機(jī)用旋流結(jié)構(gòu)噴嘴的霧化發(fā)展和破碎過程,以及壓力對噴霧場的霧化性能及換熱特性的影響,得到如下結(jié)論:

1)在最初低壓段發(fā)展時(shí),即壓力小于0.3 MPa時(shí),噴霧形態(tài)呈空心紡錘狀,霧化錐角隨壓力變化顯著,霧化效果較差;隨著壓力進(jìn)一步升高進(jìn)入高壓段,即壓力大于0.3 MPa時(shí),噴霧形態(tài)發(fā)展為空心錐狀,錐角逐步穩(wěn)定。

2)在0.6～1.4 MPa入口壓力條件下,液體流量主要在30～50 mL/s范圍內(nèi),粒徑主要集中在100～200 μm區(qū)間段。隨著壓力的上升,液體流量增加,而索特平均粒徑SMD下降,200～280 μm的大尺寸液滴體積分?jǐn)?shù)下降,小尺寸液滴體積分?jǐn)?shù)上升,霧化錐角始終穩(wěn)定在約76°。

3)霧化效果對造雪環(huán)境的溫度場有一定影響。隨著壓力的上升,液滴比表面積與速度增大,液體與空氣的換熱得到強(qiáng)化,噴霧場換熱至環(huán)境溫度所需距離更短,速度更快。

本文受北京建筑大學(xué)研究生教育教學(xué)質(zhì)量提升項(xiàng)目(J2022026)資助。(The project was supported by the Graduate Education and Teaching Quality Improvement Program of Beijing University of Civil Engineering and Architecture (No. J2022026).)