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第23卷第4期高校化学工程学报No.4 Vol.23 2009 年 8 月 Journal of Chemical Engineering of Chinese Universities Aug. 2009稿件编号：1003-9015(2009)04-0577-05Y型气流式喷嘴的雾化滴径和滴径分布纪利俊1, 陈葵1, 武斌1, 朱家文1, 刘海峰2(1.华东理工大学化工学院, 2. 华东理工大学资源与环境学院, 上海 200237)摘要：索特平均滴径(SMD)和滴径分布是描述喷嘴雾化性能的主要指标。
根据Y型喷嘴雾化过程的特征，提出了Y型喷嘴的液滴随机分裂模型，得到了SMD的表达式。
考察了Y型喷嘴对氯化聚氯乙烯(CPVC)氯化液的雾化过程，利用Mastersizer2000型测粒仪测定了雾化滴径分布。
关联了SMD的经验方程，得到了初次雾化平均滴径。
采用液滴随机分裂模型模拟计算了雾化滴径分布，计算结果与实验结果吻合，说明模型和平均滴径方程可以用来预测Y型喷嘴的雾化性能。
关键词：喷嘴；气流式；雾化；滴径；随机分裂中图分类号：TQ051.73 文献标识码：ADroplet Size and Droplet Size Distribution of Y-Type Air-Blast NozzleJI Li-jun1, CHEN Kui 1, WU Bin 1, ZHU Jia-wen 1, LIU Hai-feng 2(1.College of Chemical Engineering, East China University of Science and Technology; 2.College of Resourceand Environmental, East China University of Science and Technology, Shanghai 200237, China) Abstract：Sauter mean diameter (SMD) and droplet size distribution are important parameters for description of atomization property of a nozzle. In this paper, a stochastic breakup model was presented according to the atomization characteristics of the Y-type air-blast nozzle, and the equation for SMD calculation was obtained based on the model. Atomization process of chlorinated polyvinyl chloride (CPVC) solution was investigated with Y-type air-blast nozzle. The droplet size distribution was measured by using Malvern Mastersizer of type 2000. Based on the experimental data, the SMD equation was fitted and the mean droplet diameter of initial breakup was obtained. According to the stochastic breakup model, the droplet breakup process was simulated with Matlab 6.5. The simulation results of the droplet size distribution agreed well with the experimental data. With the equation of SMD and the model, the SMD and the droplet size distribution of Y-type air-blast nozzle can be predicted satisfactorily . Key words: nozzle； air-blast；atomization；droplet size；stochastic breakup1引言气流式雾化是指液体在高速气流的冲击作用下破碎成为微小液滴的过程。
Y型、内混喷嘴冷态实验研究喷嘴的应用范围十分广泛,几乎包含所有工业领域、交通运输、农业生产,和人们的日常生活。
喷嘴的种类繁多,其中以燃油为主的油烧嘴在工业应用中较为广泛,而油烧嘴又包括:机械雾化喷嘴、气流式雾化喷嘴、联合雾化喷嘴;其中气流式雾化喷嘴的主要形式为Y型喷嘴和内混式喷嘴。
Y型喷嘴和内混式喷嘴是由空气(或者蒸汽)和燃油共同作用下发生的雾化,属于两相混合流体作用雾化过程,因此其流量特性和雾化特性更为复杂,是目前喷嘴研究热点和难点。
为了进一步获得Y型喷嘴和内混喷嘴的流量特性和雾化特性,本文在总结前人的研究基础上,着重对几种油嘴的设计方法进行理论分析和比较,并搭建了喷嘴雾化实验台进行了针对性实验验证和研究,从而获得了在保证良好雾化情况下的流量系数、最佳截面比、最优混合段长度等关键参数,为油嘴的优化设计指明了方向。
本实验进行的是冷态实验,进行了以水代油、空气代替过热蒸汽的喷嘴冷态实验研究,得出了以下结论,其中F1为气孔截面积、F2为油孔截面积、F3为混合孔截面积:Y型喷嘴:(1)燃油压力p2=0.65MPa,雾化剂压力p1=0.5MPa时,截面比(F1+F2)/F3为0.6时喷油量误差最小;从雾化效果来看,截面比(F1+F2)/F3在0.5～1.5的范围内,截面比越大,雾化效果越好。
在实际应用中应根据设计误差、调节度和雾化粒度的综合要求来考虑。
(2)液体在中间的Y型喷嘴与气体在中间的Y型喷嘴相比,流量误差小,建议在实际应用中使用液体在中间形式的喷嘴;内混喷嘴:(1)在燃料油压力为0.5MPa,雾化气体压力为0.6MPa的情况下,混合室压力比为0.7,油孔流量系数为0.88时设计喷嘴的误差较小、雾化效果较好;(2)在燃料油压力为0.5MPa,雾化气体压力为0.6MPa的情况下,内混喷嘴雾化效果较好的(F1+F2)/F3值为0.5和0.625,相应的F3/F1值为2.57和2.18;(3)在燃料油压力为0.5MPa,雾化气体压力为0.6MPa的情况下,取混合段长度L3=3D3最好。
Y型喷嘴穿透特性的实验和模型研究池保华;洪流;杨国华;仲伟聪【摘要】为研究某Y型喷嘴的穿透特性,搭建了实验台架系统,设计了喷嘴的工况参数,并进行了喷嘴的冷态实验研究.根据实验测量结果,分析了气液比(2％～4％)对穿透深度的影响规律,提出了新型的无量纲复合动量,对M.Y.Leong穿透深度经验公式进行了改进,拟合了实验条件下的经验参数.进一步利用液滴运动数学模型对喷嘴的穿透深度进行了计算和分析.【期刊名称】《火箭推进》【年(卷),期】2011(037)003【总页数】4页(P38-41)【关键词】Y型喷嘴；穿透特性；数学模型【作者】池保华;洪流;杨国华;仲伟聪【作者单位】西安航天动力研究所，陕西西安710100;西安航天动力研究所，陕西西安710100;西安航天动力研究所，陕西西安710100;西安航天动力研究所，陕西西安710100【正文语种】中文【中图分类】V434-340 引言Y型喷嘴是一种多单元内混式气动喷嘴，具有出力大、气耗低、调节比宽等优点，在大型实验台架和工业燃烧设备上都有广泛的应用。
气动喷嘴在保证雾化细度的前提下，具有足够的穿透深度，能够保证气液的充分混合，提高雾化掺混效率。
对于火箭发动机和航空发动机来说，能够保证推进剂的良好雾化和快速蒸发，从而提高推进剂的化学反应速度，提高发动机的工作性能。
目前，国内外学者在这方面也开展了很多的研究。
M.Y.Leong研究了射流在横向气流下的穿透深度，得到了环境压力和复合动量对穿透深度影响的经验公式；Steven J.Beresh研究了超声速射流在亚音速横向气流中的穿透特性，分析了射流速度对穿透距离和雾场粒径的影响；刘静研究了湍流度和附面层厚度对超声速射流液雾穿透深度的影响。
本文在Y型喷嘴的理论设计基础上，通过调整喷口形状和尺寸，得到了雾化好、高穿透距离的一种新型Y型喷嘴，定义了新型的无量纲复合动量，并提出了这类喷嘴设计的相关经验公式。
1 喷嘴设计1.1 结构设计图1为所设计喷嘴的结构示意图，水和压缩空气分别从液体通道和气体通道进入。
大流量单混合孔Y型喷嘴的雾化特性
周月桂;曹威城;柳瑶斌;章明川
【期刊名称】《动力工程学报》
【年(卷),期】2007(027)006
【摘要】对大流量单混合孔Y型喷嘴的雾化性能进行了实验研究,分析了其流量特性以及气耗率对雾化粒径的影响.结果表明,单混合孔Y型喷嘴设计流量能够达到1000kg/h以上,且具有较细的雾化粒径;在气压一定时,随着水压的增大其水流量增大,气耗率减小;气耗率对雾化粒径的影响较明显,但当粒径减小到一定程度后,继续增大气耗率对雾化粒径的影响不明显;单水孔与多水孔Y型喷嘴的雾化性能无明显差别;改进的Y型喷嘴液膜随机破碎模型可较好地用于大流量单混合孔Y型喷嘴雾化粒径的预报.
【总页数】5页(P980-984)
【作者】周月桂;曹威城;柳瑶斌;章明川
【作者单位】上海交通大学,机械与动力工程学院,热能工程研究所,上海,200240;上海交通大学,机械与动力工程学院,热能工程研究所,上海,200240;上海交通大学,机械与动力工程学院,热能工程研究所,上海,200240;上海交通大学,机械与动力工程学院,热能工程研究所,上海,200240
【正文语种】中文
【中图分类】X701.3
【相关文献】
1.Y型油喷嘴混合孔内压力特性的实验研究 [J], 张秋婷
2.流量对离心式喷嘴雾化特性影响的试验研究 [J], 邹哲维
3.小流量离心式喷嘴雾化特性的实验研究 [J], 刘观伟;王顺森;毛靖儒;韩超
4.气-液内混式高压喷嘴液体流量特性rn及雾化特性的研究 [J], 于洪娟;张路宁;郭伯伟;张者一
5.气/液同轴离心式喷嘴流量及雾化特性实验 [J], 张蒙正;李鳌;李进贤;张志涛;张泽平
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空气助力式喷嘴雾化实验及仿真刘海丽;彭宣化;邢玉明;陈艺文【摘要】用马尔文激光粒度测试仪对自行设计的气动雾化喷嘴的雾化特性进行了实验研究，测量了不同工况下喷雾流场的液滴粒径。
根据实验结果，分析了水压、气压、气液比等因素对液滴粒径和均匀性的影响，讨论了液滴粒径随距喷口轴向距离增加的变化规律。
最后，利用Fluent软件对喷雾外流场进行了三维数值仿真，其结果与实验结果吻合较好，验证了仿真方法的可行性。
% Malvern laser particle size analyzer is used to study the spray characteristics experiment of atom⁃izing nozzle. The median volume diameter (MVD) under different conditions was measured. According to the test results, the influences of air pressure, hydraulic pressure and gas-liquid ratio to MVD and uniformi⁃ty were analyzed. Furthermore, the change of the MVD with increasing distance was discussed. The three-dimensional flow field model was built to make numerical simulation by software Fluent. The simula⁃tion results were consistent with experiment results, which indicated the feasibility of simulation.【期刊名称】《燃气涡轮试验与研究》【年(卷),期】2012(000)004【总页数】4页(P42-45)【关键词】气动雾化喷嘴;喷雾实验;雾化特性;液滴粒径;均匀性;数值仿真【作者】刘海丽;彭宣化;邢玉明;陈艺文【作者单位】北京航空航天大学航空科学与工程学院,北京100191;中国燃气涡轮研究院,四川江油621703;北京航空航天大学航空科学与工程学院,北京100191;北京航空航天大学航空科学与工程学院,北京100191【正文语种】中文【中图分类】V2111 引言冰风洞结冰试验的关键在于喷雾系统设计。
这里将空气雾化喷嘴单独处理，因为它能产生极细的液滴。
液体被分解或者说空气雾化的主要能源是压缩空气或压缩气体。
相对液体压力来说，较高的气体压力能产生更细的雾化。
内部混合压力喷射装置和虹吸喷射装置都面临这样一个限制，即空气压力最高可以设置到多少而不让它切断液流。
在实际应用中要求在喷射期间保持同样的液滴尺寸，这样就使压力喷射装置工作于一个不利的状态，cyssco因为空气和液体之间的压力平衡必须很精确，而且在喷射期间必须维持这种压力平衡，这两个压力的任何变化都会导致液滴尺寸和液体流量的不可忽视的改变。
在使用虹吸喷射装置时维护压力平衡不是关键的问题，因为小的空气压力变化不会明显的影响液滴尺寸和液体的流量。
cyssco例如喷雾公司的空气雾化喷嘴中第16号喷射装置，在液滴的尺寸下降到10mm之前，它必须达到液体和空气的压力平衡点，当空气压力是50PS (3.4巴)，液体压力是36PSI (2.5巴)时，主要的液滴尺寸落在10mm以下。
cyssco困难是如何精确的维护液体和空气压力之间的平衡。
液体和空气压力平衡微小的变化就会出现没有喷射或者喷射的体积中指Dv。
成为20而不是10微米。
喷射装置的虹吸高度是48英寸(1220毫米)，cyssco空气压力是71PSI (4.9巴)，大多数液滴尺寸在10微米以下.当压力变化时虹吸型喷嘴的液滴尺寸变化不大，所以控制压力不是很关键的问题。
由于这个原因，如果需要极小的液滴，建议使用外部混合虹吸喷射装置。
Y型喷咀的流量计算方法
赵虹;谢名湖;吕德寿;冯国华;凌柏林
【期刊名称】《工程热物理学报》
【年(卷),期】1992(13)3
【摘要】一、前言自从液体燃料的Y型雾化喷咀问世以来,由于其独特的优点得到了广泛的应用。
但与机械雾化喷咀相比,其雾化机理和设计计算方法均比较匮乏,至今尚未形成一套符合实际、公认的系统。
作为向此努力的一部分,本文提出的Y型喷咀流量计算方法,对低粘度、高粘度和超高粘度液体燃料都得到与实际相当吻合的结果。
应用本方法结合Y型喷咀雾化特性,可设计给定出力和气耗率并有良好雾化的Y型喷咀。
【总页数】4页(P329-332)
【关键词】喷咀;Y型;流量;计算法
【作者】赵虹;谢名湖;吕德寿;冯国华;凌柏林
【作者单位】浙江大学
【正文语种】中文
【中图分类】TK223.2
【相关文献】
1.音速喷咀天然气表检定装置测试流量点控制的实现 [J], 于新利;成东明;李海波;刘强民
2.谈轴针式标准喷油咀气测流量法和贯标策划 [J], 季迪
3.一种新的处理喷咀流量数据的方法 [J], 艾军;周文铸;张松寿
4.流量测量中长径喷咀的应用 [J], 徐恒耐
5.临界流文丘里喷咀标定气体流量计装置的气源 [J], 余国和;王伯年;陈中;俞成秀因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。
第23卷第4期高校化学工程学报No.4 Vol.23 2009 年 8 月 Journal of Chemical Engineering of Chinese Universities Aug. 2009稿件编号：1003-9015(2009)04-0577-05Y型气流式喷嘴的雾化滴径和滴径分布纪利俊1, 陈葵1, 武斌1, 朱家文1, 刘海峰2(1.华东理工大学化工学院, 2. 华东理工大学资源与环境学院, 上海 200237)摘要：索特平均滴径(SMD)和滴径分布是描述喷嘴雾化性能的主要指标。
根据Y型喷嘴雾化过程的特征，提出了Y型喷嘴的液滴随机分裂模型，得到了SMD的表达式。
考察了Y型喷嘴对氯化聚氯乙烯(CPVC)氯化液的雾化过程，利用Mastersizer2000型测粒仪测定了雾化滴径分布。
关联了SMD的经验方程，得到了初次雾化平均滴径。
采用液滴随机分裂模型模拟计算了雾化滴径分布，计算结果与实验结果吻合，说明模型和平均滴径方程可以用来预测Y型喷嘴的雾化性能。
关键词：喷嘴；气流式；雾化；滴径；随机分裂中图分类号：TQ051.73 文献标识码：ADroplet Size and Droplet Size Distribution of Y-Type Air-Blast NozzleJI Li-jun1, CHEN Kui 1, WU Bin 1, ZHU Jia-wen 1, LIU Hai-feng 2(1.College of Chemical Engineering, East China University of Science and Technology; 2.College of Resourceand Environmental, East China University of Science and Technology, Shanghai 200237, China) Abstract：Sauter mean diameter (SMD) and droplet size distribution are important parameters for description of atomization property of a nozzle. In this paper, a stochastic breakup model was presented according to the atomization characteristics of the Y-type air-blast nozzle, and the equation for SMD calculation was obtained based on the model. Atomization process of chlorinated polyvinyl chloride (CPVC) solution was investigated with Y-type air-blast nozzle. The droplet size distribution was measured by using Malvern Mastersizer of type 2000. Based on the experimental data, the SMD equation was fitted and the mean droplet diameter of initial breakup was obtained. According to the stochastic breakup model, the droplet breakup process was simulated with Matlab 6.5. The simulation results of the droplet size distribution agreed well with the experimental data. With the equation of SMD and the model, the SMD and the droplet size distribution of Y-type air-blast nozzle can be predicted satisfactorily . Key words: nozzle； air-blast；atomization；droplet size；stochastic breakup1引言气流式雾化是指液体在高速气流的冲击作用下破碎成为微小液滴的过程。
与压力雾化喷嘴不同，气流式雾化喷嘴能有效促进气液两相的混合，因而在液体燃料的燃烧与汽化、干燥、粉末冶金、航空航天等领域有广泛的应用[1~5]。
根据气液混合方式的不同，气流式雾化喷嘴可分为内混式喷嘴和外混式喷嘴两类。
Y 型喷嘴是一种内混式气流雾化喷嘴，其雾化机理最先由Mullinger[6]提出，认为液体进入混合孔后，在气流的作用下，气液两相在混合孔内形成环状流，气、液两相界面上发生强烈的动量交换，以达到加速液流实现雾化的目的。
Y型喷嘴具有雾化质量好，调节范围大和结构简单等优点，特别适用于高黏度液体的雾化。
溶剂法生产氯化聚氯乙烯(CPVC)树脂中，氯化完成后形成的氯化液是CPVC树脂的有机溶液，经喷雾脱溶剂后得到CPVC树脂。
氯化液经喷嘴雾化后，比表面积迅速增大，强化了溶剂脱除中的传热及传质过程，雾化质量的优劣是影响脱溶剂效果的关键因素之一。
本文以氯化液喷雾脱溶剂为背景，根据Y型喷嘴雾化过程的特征，提出了Y型喷嘴的液滴随机分裂模型，研究了雾化的平均滴径与滴径分布。
收稿日期：2008-12-17；修订日期：2009-04-22。
基金项目：上海氯碱化工股份有限公司电化厂提供资助。
作者简介：纪利俊(1972-)，男，山东青岛人，华东理工大学讲师，博士。
通讯联系人：陈葵，E-mail：chenkui@578 高 校 化 学 工 程 学 报 2009年8月2 理论分析2.1 雾化滴径及其分布预测方法由于雾化过程的复杂性，雾化的机理还不是很清楚，而且它受诸如气液速度、液体和气体的物性、破碎所产生液块的形状、雾化装置的设计等因素影响较大。
随着实验手段和理论水平的发展，对气流雾化的研究不仅仅限于唯象的层次，人们通过实验现象的测试与分析揭示雾化的机理与规律，进而采用合理的数学物理模型和有效的数值方法模拟复杂的雾化过程，预测各种因素对雾化性能的影响和雾化场的最终特性。
2002年，Babinsky 和Sojka [7]将描述气流式雾化过程的滴径的方法归纳为经验法、最大熵法(ME 法)和离散概率函数法(DPF 法)。
2003年，Gorokhovski [8]和Apte 等[9]将Kolmogorov 的固体颗粒破裂假设应用于气流式雾化过程的滴径分布计算。
Kolmogorov 理论认为，一个母代固体颗粒破裂成一定数目小颗粒的概率与母代颗粒的大小无关，即分裂过程是一自相似的过程。
周炜星[10]等的液滴随机分裂方法本质上也属于这一类方法，他们通过一个母代液滴分裂成两个质量分数在[0,1]间均匀分布的子代液滴的简单模型探讨了液滴分裂过程的自相似性。
刘海峰等[11~13]在周炜星等的液滴随机分裂模型基础上，进一步提出了液滴有限随机分裂模型，并成功应用于双通道和三通道喷嘴气流式雾化过程研究。
2.2 Y 型喷嘴的液滴随机分裂模型液滴随机分裂模型是一个通用的简化的液滴分裂过程的基本模型，应用于不同的喷嘴和雾化介质，需要根据喷嘴结构、雾化介质和操作条件等确定具体的模型参数。
根据液滴随机分裂模型基本原理，结合Y 型喷嘴雾化过程的特点，提出了如下的适用于Y 型喷嘴的液滴随机分裂模型。
模型假设为：(1)Y 型气流式喷嘴的雾化过程分为初次分裂和二次分裂两个过程； (2)初次分裂生成的液滴具有一定的大小和分布；(3)二次分裂时，不考虑液滴的聚并，或者考察液滴分裂和聚并的动态过程的合效应； (4)每个液滴生长一代后可以分裂成两个，生成液滴的质量百分比满足[0,1]上的均匀概率分布。
以上假设中的液滴分裂模式与周炜星[10]等的液滴随机分裂模型相同，液滴分裂过程的示意图见图1。
与周炜星的模型的不同之处在于，假设(3)考虑了初次分裂生成的液滴的大小和分布，符合人们对初次分裂过程的研究结果。
上述模型假设中，需要确定的模型参数主要是初次分裂后生成的液滴大小和分布。
Villermaux [14] 和Marmottant [15] 发现，气流式雾化初次分裂后生成的液滴分布符合如下关系：1B e ()n n nxn P x n −−=Γ (1)式中，0Dx D =，D 和D 0分别为滴径和初次分裂平均滴径；()n Γ为Gamma 函数。
采用上式作为初次分裂后生成的液滴，其中的2个参数，初次分裂平均滴径D 0和n 由实验数据确定。
2.3 雾化平均滴径液体的气流式雾化过程可以分为近喷嘴区域的初次分裂和离喷嘴较远区域二次雾化。
以下根据Y 型气流式喷嘴的液滴随机分裂模型，应用于二次雾化过程，得到气、液质量流量与索特平均滴径SMD 的关系。
根据Y 型气流式喷嘴的液滴随机分裂模型，第j 代和j ＋1代液滴的SMD 满足：1SMD const SMD j j+= (2)式(2)是液滴分裂过程自相似假设的必然结果，说明 {}j SMD 是一个等比级数[11,13]。
因此有：SMD j jD C = (3)当液滴直径满足上述关系时，根据液滴在气流中的分裂时间和运动过程分析，文献[12]推导出了雾化平图1 液滴分裂过程示意图Fig.1 Schematic diagram of droplet breakup第23卷第4期 纪利俊等：Y 型气流式喷嘴的雾化滴径和滴径分布 579均滴径方程：()()35G L 605/3G G 4GSMD N C C u u CD u u C u ′−−=−′′′ (4) 对于Y 型喷嘴，气液从分离态到相互接触时间τd ＝0，即上式中的参数C 6=0。
因为液膜初始速度远小于气流速度，忽略u L 可得：()1/30GSMD 'N D C u ′=− (5)其中，Gu ′为同轴射流的特征气速，GG1u u m′=+。
Villermaux 等[15]发现，初次分裂生成的液丝长度随气流速度变化不明显，所以液滴初始的平均滴径0D 近似为常数，并且不随气流速度变化。
即1/3G 12SMD 1u a a m ⎛⎞=−⎜⎟+⎝⎠(6)根据文献[12]对式(4)的推导过程，参数C 3~C 6与气、液物性有关，因此式(6)中的a 2亦是与气、液物性相关的参数。
